Approccio smart per eliminare i disturbi termici nella misura della temperatura senza contatto

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Man mano che diventiamo più sensibili agli aspetti che riguardano la nostra salute e l’ambiente, cresce di pari passo l’importanza della misura della temperatura. Di conseguenza, questa funzione è ora aggiunta in molti dispositivi, inclusi i componenti per il monitoraggio di stato sotto forma di termometri medicali per la misura della temperatura corporea e di dispositivi indossabili intelligenti.

La misura della temperatura senza contatto si basa sul rilevamento dell’energia emessa nella regione spettrale degli infrarossi. Ogni oggetto emette energia in questa modalità, che può essere misurata per calcolarne la temperatura. Tuttavia, con la diminuzione progressiva delle dimensioni di questi sensori, aumenta la loro sensibilità all’impatto degli shock termici, che possono introdurre errori di misura e rumore termico.

Melexis affronta alcuni dei principi alla base della misura della temperatura senza contatto e gli approcci utilizzati per minimizzare gli effetti dello shock termico. Sotto esame un nuovo approccio intelligente per eliminare gli effetti dei disturbi termici esterni nei sensori micro-miniaturizzati.

 Tecnologia integrata a termopile MEMS

La tecnologia di misura della temperatura a termopile è sempre più spesso utilizzata in applicazioni medicali (compresa l’assistenza sanitaria domestica) e industriali, per via della sua robustezza, accuratezza e affidabilità. Una termopila è semplicemente un trasduttore elettronico che converte l’energia termica in un segnale elettrico e opera sul principio in base al quale ogni oggetto emette radiazioni termiche nel lontano infrarosso (FIR).

Dal punto di vista elettrico, una termopila è composta da diverse termocoppie collegate in serie. Insieme, esse generano una tensione proporzionale alla differenza di temperatura tra due punti; questa differenza fornisce una misura relativa della temperatura.

Un sensore a termopile MEMS utilizza una membrana sottile e termicamente isolata.  Avendo quest’ultima una bassa massa termica, essa viene rapidamente riscaldata dal flusso termico in entrata, generando così un differenziale di temperatura che la termopila può segnalare come differenza di temperatura. Incorporando un termistore di riferimento nella struttura MEMS, è possibile generare una misura assoluta della temperatura.Questa tecnica di misura si basa sulla legge Stefan-Boltzmann, la quale afferma che l’energia irradiata per unità di superficie di un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura. La legge è generalmente espressa come:

J = ησT⁴

Dove:

J = emittanza totale [W/m²]

η = emissività (proprietà di superficie)

σ = 5,67·10^-8 [W/m²/K⁴]

T = Temperatura assoluta della superficie [K]

Ipotizzando ragionevolmente che per i materiali non metallici l’emissività sia circa pari a 1, è possibile mettere in relazione la temperatura superficiale con la potenza emessa.

La sfida della stabilità

La misura della temperatura si rende sempre più spesso necessaria in una serie di applicazioni, e di conseguenza questa funzionalità viene aggiunta in molti dispositivi, che includono le soluzioni di monitoraggio della salute e i dispositivi indossabili come gli occhiali e i braccialetti intelligenti e i dispositivi indossati nell’orecchio, i cosiddetti “auricolari intelligenti”. Tuttavia, i termometri a contatto spesso sono caratterizzati da uno scarso contatto termico con il sito di interesse. La misura della temperatura senza contatto, che sfrutta le emissioni nella regione FIR, è ideale per queste nuove applicazioni, le quali condividono tutte l’esigenza di sensori di temperatura sempre più piccoli.

Per poter incorporare i sensori di temperatura FIR nei dispositivi indossabili, occorre miniaturizzare la tecnologia. Pur presentando molti vantaggi, la miniaturizzazione comporta anche vere e proprie sfide; con questo tipo di sensore, la miniaturizzazione può avere un impatto negativo sulla precisione della misura della temperatura.

Come descritto in precedenza, i sensori di temperatura FIR sono sensibili ai gradienti termici – o shock termici – causati dal sensore, che riceve radiazioni da più fonti, mentre solo una quantità limitata di tale radiazione proviene effettivamente dall’oggetto misurato. Altre sorgenti di energia termica includono il package del sensore stesso – il che significa che solo parte del segnale generato è utile alla misura, mentre il resto è un effetto parassita. In condizioni isotermiche, in cui la temperatura della membrana corrisponde alla temperatura del package, non sono presenti segnali parassiti, e la natura differenziale della tecnologia a termopile annulla gli effetti delle radiazioni del package. Tuttavia, in molte applicazioni è impossibile mantenere il sensore in condizioni isotermiche.

Se il piccolo sensore FIR è montato su un PCB, può essere esposto all’energia termica proveniente da componenti che generano calore nelle vicinanze, ad esempio un microprocessore o un transistor di potenza. I produttori di sensori FIR hanno tentato di superare questo problema posizionando l’elemento sensibile in un alloggiamento metallico di grandi dimensioni, come un package TO. La notevole massa termica e l’elevata conduttività termica del metallo compensano in  certa misura gli effetti dei rapidi gradienti e shock termici, ma risultano inadeguati in un ambiente termicamente dinamico. Naturalmente, una sfida ulteriore è data dal fatto che i package TO sono relativamente grandi e non adatti a dispositivi di piccole dimensioni come i dispositivi indossabili e gli auricolari intelligenti.

Compensazione attiva dei gradienti termici

Chiaramente, la soluzione in package TO non è appropriata per i dispositivi di monitoraggio di stato di ultima generazione e, solo per questo motivo, deve essere scartata a favore di una soluzione in grado di rispondere meglio alle sfide legate all’utilizzo di sensori FIR di piccole dimensioni.

Modellizzando e caratterizzando diversi scenari e utilizzando questi dati attraverso sofisticati algoritmi di compensazione, è possibile modificare il segnale prodotto dai moderni sensori FIR di piccole dimensioni in modo da renderli di fatto insensibili agli shock termici.

Uno dei dispositivi più recenti introdotti sul mercato è il sensore FIR MLX90632 di piccole dimensioni di Melexis. Si tratta di un sensore di temperatura a infrarossi senza contatto alloggiato in un minuscolo package SMD QFN e calibrato in fabbrica per temperature ambientali comprese tra -20°C e 85°C.

È disponibile in versione sia commerciale che medicale. La versione di classe medicale è ottimizzata per l’utilizzo nel campo di temperature caratteristiche del corpo umano, all’interno del quale presenta un’accuratezza di ±0,2°C. La versione commerciale offre una precisione inferiore (±1,0°C tipici), ma è ottimizzata per l’utilizzato su un intervallo molto più ampio di temperature dell’oggetto (da -20°C a 200°C).

Il valore di temperatura misurato è la media di tutto ciò che si trova all’interno del campo visivo (FOV) di 50° del sensore e, utilizzando questo valore misurato insieme alle costanti di calibrazione e ai sofisticati algoritmi di compensazione integrati, è possibile calcolare le temperature dell’ambiente e dell’oggetto.

Per dimostrare l’efficacia della compensazione attiva, Melexis ha condotto un esperimento in cui un sensore MLX90632 e un sensore allo stato dell’arte (in package TO) sono stati impostati per misurare una sorgente di riferimento stabile con una temperatura di circa 40°C. Durante l’esecuzione delle misure, è stata posta una forte sorgente di calore in prossimità dei sensori: i risultati sono visibili in Figura 2.

Figura 2: Risultati dei test di shock termico sul sensore MLX90632

Il grafico mostra che all’inizio dell’esperimento il riferimento era realmente ad una temperatura di 40,05°C e la temperatura del sensore era intorno ai 2°C. Applicando la fonte di calore, i sensori sono stati sottoposti a uno shock termico (circa 60 °C/ min) ed è stata monitorata l’uscita. Durante l’intero test, la lettura della temperatura del sensore MLX90632 non si è discostata di più di 0,25°C, mostrando un comportamento molto stabile. Questo è stato ottenuto grazie all’algoritmo avanzato di compensazione. Il sensore in package TO presenta un errore significativo, a dimostrazione che questi dispositivi non funzionano bene in condizioni così gravose.

Figura 3: Diagramma a blocchi del sensore di temperatura a infrarossi MLX90632

I principali blocchi interni del sensore

Il sensore ultra-piccolo contiene una termopila che cattura l’energia emessa dall’oggetto, oltre a un elemento di misura della temperatura del sensore stesso. Il segnale di tensione del sensore a termopila è amplificato, digitalizzato e filtrato digitalmente prima di essere memorizzato nella RAM integrata. La lettura dal sensore di temperatura di riferimento interno è elaborata e memorizzata nello stesso modo. Una macchina a stati controlla le temporizzazioni e le funzionalità del sensore e il risultato di ogni misura e conversione è reso disponibile al sistema principale (ad esempio al microcontrollore) attraverso l’interfaccia di comunicazione I²C. È possibile calcolare le temperature (dell’oggetto e del sensore interno) a partire dai dati grezzi utilizzando un semplice microcontrollore.

Riepilogo

La misura della temperatura sta diventando molto popolare, soprattutto nei dispositivi portatili, come gli smartphone e i dispositivi indossabili che misurano la temperatura corporea come parte di un programma di assistenza sanitaria domestica. Tuttavia, fino a non molto tempo fa, la misura della temperatura si è scontrata con due obiettivi contrastanti.

Figura 4: Il sensore MLX90632 a confronto con un dispositivo in alloggiamento TO con funzionalità simili

Il primo è che l’elemento sensibile deve essere sufficientemente piccolo da trovare posto nell’applicazione, e il secondo è che deve essere montato in una custodia metallica di grandi dimensioni per poter fornire una capacità termica sufficiente a mitigare gli effetti prodotti da rapidi shock termici. Basato sulla tecnologia di rilevamento a termopile, il sensore MLX90632 di Melexis risponde a questa sfida apparentemente impossibile. Avvalendosi della compensazione attiva interna e di sofisticati algoritmi, il sensore MLX90632 è in grado fornire una misura assolutamente accurata della temperatura nelle situazioni più impegnative, pur essendo alloggiato in un package SMD ultra-piccolo.

Joris Roels – Responsabile Marketing Sensori di Temperatura, Melexis

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