【经验】Si70xx温度传感器在人体核心体温测量中的设计方案

时间： 2019-02-18 来源：Silicon Labs

技术问答

本设计方案描述了Si70xx系列温度传感器产品在人体核心体温测量中的应用。

1. 核心体温测量

Si70xx温度传感器具有高精度，特别是Si7051（适合于人体温度测量范围内测量精度为±0.1°C），使这些部件可以用于进行皮肤温度测量就是很自然的事情了。

皮肤温度在某些场景下本身是有意义的，但通常人们更感兴趣的是“核心温度”，通过将温度探针插入体腔（口腔或直肠）来获得最准确的测量。在身体的其他部位，皮肤温度将介于核心温度和环境温度之间。

图 5.1. 皮肤温度与核心温度之间的偏差和环境温度之间的函数关系（基于裸体人体）

因此，对于从皮肤温度预测核心温度的情况，必须考虑温度测量装置的位置。简单估算情况下可以使用标称环境温度（例如，23℃），并且可以根据上面的图表进行校正。

如果实际环境温度为已知量，则可以将实际环境温度考虑在内。另一种选择是使用良好耦合到皮肤的温度传感器和尽可能耦合到环境的第二温度传感器。然后根据皮肤温度和从皮肤温度到环境温度的梯度估算核心温度。由图5.1重写方程式如下：

皮肤侧温度传感器应放置在与皮肤良好接触并且在核心温度的偏差不大的位置。皮肤接触的热阻约为1°C / W-cm²，与通过换算的PCB热阻约1000°C / W-cm²相比非常低，因此通常不难快速准确地检测皮肤温度。

在可穿戴设备中，除非可以从远程传感器获取数据，否则很难准确地预报Tambient。但是，如果皮肤传感器放置得很好，环境偏差很小，这就不是问题了。 PCB材料具有相当低的导热率（0.1W/cm-°C），并且表面区域上从PCB到空气的通过换算的热阻非常大（1000°C/W-cm²），因此环境非传感器与皮肤传感器之间的隔离非常重要，不仅仅是使用PCB材料。即使使用棉或玻璃纤维进行隔离也是很困难的。

参考以下模型：

棉或玻璃纤维的导热率在0.003至0.005W/cm-℃的范围内。这意味着，即使对于1 cm厚的绝缘层，从皮肤侧PCB到环境侧PCB的热阻抗为200-300°C/W-cm²，从环境侧PCB到环境温度之间的传导热阻抗约为1000°C/W-cm²，环境侧PCB与皮肤侧PCB的隔离度不够。

对于这种布置进一步增加绝缘是不切实际的。更好的解决方案是使用引脚型热敏电阻检测环境温度。在下图中，设计理念是将环境感应热敏电阻嵌入铝质斜面板中，以最大限度地减少与皮肤侧PCB的热接触，并最大限度地提高与周围环境的热接触。

目前，传感器可能无法准确感知皮肤温度和环境温度，典型的使用情况可能与上述模型不同（即穿衣，运动，体感，旋转等）但是，即使存在这些变量，下面的等式仍然是成立的，参数ɑ必须凭经验推导出来。

如果传感器的佩戴方式能够很好地感知核心温度（例如在前额或手臂下），那么参数α将很小，可以通过测试多个对象求平均值来估算。

对于与环境良好耦合的环境温度传感器，环境侧传感器对环境的反应比皮肤更快，并且可能存在一些预期核心温度的“过冲”。通常，这种效果不会大到难以进行补偿，特别是如果皮肤侧传感器放置在核心温度附近。

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