溫度感應技術的原理

與醫療保健應用

隨著人們對健康和環境越來越密切的關注，溫度感應顯得日益重要。很多設備都添加了溫度感應功能，如醫用體溫計和智能可穿戴設備等健康檢測設備，應用領域日趨廣泛。本文將探討非接觸式溫度感應背后的原理與智能方案，以及由Melexis（邁來芯）推出的相關解決方案。

非接觸式溫度感應的MEMS熱電堆技術

非接觸式溫度感應可檢測在紅外（IR）波長范圍內發射的能量。每個物體都以這種方式發射能量，因此我們可以通過測量能量來計算物體的溫度。但是，隨著傳感器件尺寸越來越小，它們更容易受到熱沖擊的影響，這可能會引起測量誤差和熱噪聲。

目前非接觸式溫度感應的主流是集成MEMS熱電堆技術，熱電堆是一個可以將熱能轉換為電信號的電子傳感器，其工作原理是一切物體都會發射熱遠紅外（FIR）輻射。

從電子角度來說，一個熱電堆由多個串聯的熱電偶組成。這些熱電偶所產生的電壓與兩點之間的溫差成比例，通過溫差則可以用來測量相對溫度。MEMS熱電堆傳感器IC采用熱隔離薄膜，由于該熱薄膜具有低熱容，因此可以通過快速加熱進入的熱流，進而產生熱電堆可報告的溫差。將參考熱敏電阻整合到MEMS系統后，即可生成絕對溫度測量值。

可穿戴設備需要大幅縮減

溫度傳感器的尺寸

溫度感應在各種應用中的作用越來越大，因此很多設備都增加了此功能，包括健康監控器和可穿戴設備，如智能眼鏡、智能手環和耳內設備，即“聽戴式裝置”。然而，接觸式溫度計解決方案經常出現與目標區域熱接觸不良的問題。遵循FIR原理的非接觸式溫度感應非常適合這類新應用，但是需要大幅縮減溫度傳感器的尺寸。

溫度測量的應用日益廣泛，特別是通過智能手機和可穿戴設備等便攜設備測量體溫已成為家庭護理的一部分。但是，溫度測量仍然面臨兩大挑戰。第一，傳感器IC組件必須尺寸足夠小才可用于各種應用中，第二，傳感器IC組件必須安裝在大型金屬外殼中以提供足夠的熱容量，從而減輕快速熱沖擊的影響。

如果將小型FIR傳感器IC安裝在PCB上，則可能將其暴露于來自附近發熱組件（如微處理器或功率晶體管）的熱能中。FIR傳感器IC制造商試圖通過將傳感組件置于大型金屬罐（例如TO罐封裝）中來克服這一問題。金屬的顯著蓄熱性和高導熱性，確實能在一定程度上應對快速熱梯度和沖擊的影響，但在熱特性動態變化的環境中，這種方法并不能發揮多大作用。當然，另一挑戰在于TO罐尺寸相對較大，并不適合可穿戴設備和聽戴式裝置等小型設備。

紅外溫度傳感器在PCR上的應用

相信大家應該對聚合酶鏈式反應（PCR）一詞感到非常熟悉，PCR的作用是于擴增（復制）DNA，PCR最廣泛的一項應用便是檢測感染。病毒或細菌等病原體在DNA/RNA經擴增之后，可以在患者樣品中檢測出來。這一應用在新冠疫情的影響下蓬勃發展，PCR技術還可以用來檢測很多其他致病物。

很多生化反應過程在醫學診斷中得以運用，PCR只是其中一例。為了讓對溫度敏感的生化反應能夠更快地發生，需要用到“熱循環儀”。熱循環儀配備一個或多個帶孔的加熱板，孔中可以插入裝有反應物的管子。熱循環儀的目的是讓這些管子進入預定的溫度程序，能夠實現快速、準確的溫度循環。一些模型支持控制加熱板的溫度梯度，以使不同的樣品能夠處在不同的溫度下。這一功能主要用于研究階段，旨在優化溫度循環的某些關鍵步驟。

在測試過程中，樣品經常被替換，這使得制造商很難通過直接接觸的方法可靠地測量管子的溫度。嚴格控制溫度循環取決于精確的傳感器輸入，這就是紅外溫度傳感器的作用所在。它們實現了非接觸式溫度測量，與接觸式溫度計相比，這是一個巨大的優勢。此外，避免直接接觸，大大降低了標本間交叉污染的風險。

目前，醫學診斷檢測正迅速轉變，過去需要送樣到專門的醫學實驗室并花幾周時間才能等到結果，而現在已經可以在現場進行檢測，紅外溫度傳感器便起著至關重要的作用。通過使用紅外溫度傳感器，能夠更嚴格地控制溫度，進一步調整生化反應過程，從而實現更快速、更準確且更可靠的診斷。

多功能與高度集成的紅外溫度計

Melexis MLX90614是一款用于非接觸式溫度測量的紅外溫度計，IR敏感型熱電堆檢測器芯片和信號調節ASIC都集成在同一TO-39罐封裝中。MLX90614集成有低噪聲放大器、17位ADC和強大的DSP單元，因此溫度計兼具高精度和高分辨率。

MLX90614溫度計出廠前已經過校準，可通過數字SMBus輸出提供整個溫度范圍內的測量溫度（測量分辨率為0.02℃）。用戶可以將數字輸出配置為脈寬調制（PWM），在標準情況下，介于-20和120℃之間的測量溫度可將10位PWM配置為以0.14℃的分辨率連續傳輸。

MLX90614具有體積小、成本低與易于集成的主要優勢，并已在寬溫度范圍內執行出廠校準，包括傳感器溫度在-40至125℃，物體溫度為-70至380℃之間。在寬溫度范圍內的精度高達0.5℃（Ta和To的溫度范圍均為0至+50℃），可應要求在有限溫度范圍內實現0.2℃的醫療精度，可視角包括5°、10°、35°與90°，可決定測距范圍，并提供單區和雙區兩種版本，兼容SMBus的數字接口，方便快速讀取溫度和構建傳感器網絡，支持可自定義的PWM輸出，用于連續讀取，提供3V和5V兩種版本，經過簡單調整后即可適應8V到16V應用，并支持節能模式，具有數字濾波功能，有多種封裝可供選擇，提供評估套件，可滿足多樣化的應用和測量需求，屬于汽車級的器件。

高精度的非接觸式微型SMD溫度計IC

Melexis MLX90632則是一款微型SMD溫度計IC，可實現高精度非接觸式紅外溫度測量，在熱特性動態變化的環境以及空間受限的情況下作用尤為顯著，具有高穩固性，醫療等級和消費等級的產品已經上市。

MLX90632可在高溫環境下精準穩定的工作，采用3mm x 3mm x 1mm QFN封裝，無需采用體積龐大的TO罐封裝，使用I2C數字接口進行出廠校準，具有50°的視場角，可編程刷新率為0.5Hz至32Hz，支持3.3V與1mA電源，占空比為1次/分鐘50μW，工作溫度范圍為-20℃至85℃，在Github上有驅動程序，并已提供規格書與評估套件。

MLX90632的消費級器件支持的測量物體溫度為-20℃至200℃，精度±1℃，消費級產品的主要應用包括白色家電、監測室溫的獨立智能溫控器，以及集成在便攜式電子產品中的室溫監測類產品。

醫療級器件支持的測量物體溫度為-20℃至100℃，人體溫度測量精度高達±0.2℃。醫療級產品的主要應用包括耳溫槍或額溫計、健康監測的可穿戴設備以及護理站應用。

Melexis也推出MLX90632評估板――EVB90632，具有紅外溫度傳感器芯片MLX90632（SMD封裝）與PC之間的簡單接口。該PCB有助于用戶對MLX90632進行快速簡易的測試。EVB90632可使用戶訪問傳感器內部設置，通過改變光學窗口補償常量、刷新率和傳感器的集成電路總線地址的方式，來調整傳感器以適應特定應用。

位置傳感器應用的低功耗

電池供電磁力計

Melexis還推出適用于經濟型電池供電應用的Triaxis磁力計 ― MLX90397，這是一款專為位置傳感器應用打造的3D磁力計，磁場范圍為±50mT，BZ自適應范圍為±200mT，MLX90397具有微功耗優勢，適用于空間受限的應用，這些特性使其成為電池供電應用的理想之選。

MLX90397支持動態可編程參數，這是一款單片傳感器芯片，可感應垂直和平行于芯片表面的磁通量密度。該器件可沿3個軸（X、Y軸與裸片表面平行，Z軸與裸片表面垂直）進行磁力測量。用戶可選擇單獨測量磁場BX、磁場BY、磁場BZ或溫度，也可進行組合測量。這些測量值和芯片溫度被轉換成16位數據，并根據請求通過I2C通信通道進行傳輸，該器件傳輸的是補償后的原始測量數據。

MLX90397支持7nA的典型待機電流與1.7 ~ 3.6 V的工作電壓，復位引腳可使MLX90397實現超低待機電流消耗，非常適合更新率低的應用，并簡化設計、降低了物料清單成本并節省了PCB空間。傳感器的尺寸僅為2 mm x 2.5 mm x 0.4 mm，采用UTDFN-8超薄扁平無引線8引腳封裝，可幫助設計人員應對空間受限的應用需求，用戶可以實現更簡單的PCB。此外，MLX90397已經過預編程，是一款即插即用的解決方案，非常便于集成，并可在-40℃至-105℃的環境溫度范圍下運作，MLX90397磁力計在可穿戴設備上的使用場景則是旋鈕控制。

結語

通過新型的小型化溫度傳感器的推出，使得能夠傳感溫度的高度集成醫療保健可穿戴設備成為現實，也可以用于加快PCR檢測的速度并降低成本，具備極大的市場發展潛力。由Melexis推出的多款小型化溫度傳感器與磁力計，將可大幅縮小可穿戴設備的體積與降低功耗，是有意開發相關產品廠商的理想選擇，您可以到Melexis網站下載溫度傳感器的選購指南，以找到最適合您需求的溫度傳感器。

審核編輯：湯梓紅