摘要
本文是開發(fā)測量核心體溫( CBT )傳感器產(chǎn)品的剛?cè)峤Y(jié)合電路板的通用設(shè)計(jì)指南,,可應(yīng)用于多種高精度(±0.1°C)溫度檢測應(yīng)用。
德州A&M大學(xué)和ADI公司在聯(lián)合開發(fā)CBT傳感器產(chǎn)品時(shí)采用了本文中的建議,。這款CBT器件采用了四個(gè)MAX30208 溫度傳感器,,用于測量熱通量,,以準(zhǔn)確估計(jì)受試者的CBT。1,2
簡介
本文旨在幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高精度( ±0.1°C)溫度檢測電路時(shí)識(shí)別和應(yīng)對(duì)多個(gè)潛在問題,。本指南以最近的CBT設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明,,涉及到熱、電氣和機(jī)械等方面,并對(duì)這些方面進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臋?quán)衡考量,。這些考量將有助于設(shè)計(jì)人員:
▲了解如何識(shí)別與開發(fā)高精度CBT檢測器件相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),、權(quán)衡考量和應(yīng)對(duì)技術(shù)。
▲了解如何為遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)性能可靠的剛?cè)峤Y(jié)合印刷電路板,。
▲將設(shè)計(jì)指南運(yùn)用到熱流量和機(jī)械結(jié)構(gòu)中,。
▲剛?cè)峤Y(jié)合PCB制造中。
CBT器件設(shè)計(jì)概述
作為一種柔性可穿戴熱檢測器件,,CBT貼片能準(zhǔn)確估計(jì)人體CBT(圖1a),。圖1b則顯示了該熱檢測器件的主要部件,由四個(gè)溫度傳感器(MAX30208)組成,。這些傳感器被不同熱導(dǎo)率的材料分隔開,,以準(zhǔn)確量化CBT。這些溫度傳感器的精度為0.1°C,,供電電壓為1.8V,,支持低功耗運(yùn)行。其中,,一個(gè)溫度傳感器位于PCB的中心,,兩個(gè)溫度傳感器位于PCB的中部和邊緣,第四個(gè)傳感器位于柔性觸片的尖端,,該觸片貼片邊緣朝向PCB的中心部位翻折,。(圖1c)。
圖1.CBT器件設(shè)計(jì),。(a)將可穿戴熱檢測器件置于前額以估算人體CBT,;(b)CBT貼片的3D分解圖;(c)柔性CBT貼片的人體組織側(cè),;(d)柔性CBT貼片的側(cè)視圖。
CBT貼片用于在術(shù)前,、術(shù)中和術(shù)后環(huán)境中監(jiān)測患者體溫,。這類環(huán)境的典型環(huán)境溫度范圍為20°C至24°C,最大空氣熱導(dǎo)率為5 W/m2/K,。前額核心體溫的正常范圍為36°C至38°C,。低于36°C的情況稱為體溫過低,高于38°C的情況稱為體溫過高,。這兩種情況都很嚴(yán)重,,因此需要在手術(shù)的各個(gè)階段對(duì)核心體溫進(jìn)行監(jiān)測。
關(guān)于熱流量的布局設(shè)計(jì)考慮因素
CBT貼片產(chǎn)品旨在使用兩個(gè)MAX30208溫度傳感器測量垂直于人體組織表面的熱流量,。如圖2所示,,TS為MAX30208溫度傳感器。圖1所示的另外兩個(gè)溫度傳感器則有助于計(jì)算橫向的熱損失。將溫度傳感器的數(shù)據(jù)與導(dǎo)電栓塞和絕緣外殼的熱模型相結(jié)合,,可準(zhǔn)確估計(jì)人體前額的CBT,。
為了達(dá)成這一目標(biāo),帶溫度檢測電路的剛?cè)峤Y(jié)合PCB需要:
▲集成高精度的溫度傳感器,。
▲溫度傳感器的功耗應(yīng)足夠低,,不會(huì)對(duì)相關(guān)熱系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。
▲具有足夠粗的用于信號(hào)傳輸?shù)腜CB走線,。
▲信號(hào)走線的尺寸應(yīng)能夠充分減少來自(或到達(dá))MAX30208溫度傳感器的熱流量,,從而避免對(duì)熱系統(tǒng)造成不利影響。
▲信號(hào)走線的尺寸應(yīng)盡量減少從PCB走線到導(dǎo)電栓塞區(qū)域的熱輻射(即I2R損耗),。
圖2.主要溫度檢測路徑(未按比例繪制),。
通過采用合適的導(dǎo)熱/絕緣材料并設(shè)計(jì)其物理結(jié)構(gòu),就可以準(zhǔn)確估計(jì)前額的CBT,。結(jié)合高精度低功耗溫度傳感器(如MAX30208)就能實(shí)現(xiàn)成功的產(chǎn)品設(shè)計(jì),。然而,電子器件的PCB走線等電氣連接也會(huì)導(dǎo)熱——這是我們不希望出現(xiàn)的情況,!
圖3顯示了相關(guān)的熱流路徑,。我們希望將PCB走線的熱阻設(shè)計(jì)得比導(dǎo)電栓塞大得多,從而確保這些額外熱損失(或增益)導(dǎo)致的誤差可以忽略不計(jì),。
圖3.顯示主要熱流路徑的簡化熱原理圖,。
由于熱和電都是通過電子的運(yùn)動(dòng)來傳輸?shù)模虼硕呙芮邢嚓P(guān),。根據(jù)威德曼-弗朗茨定律3,,相同溫度下不同金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比約為常數(shù)。換句話說,,熱阻越大,,導(dǎo)電性越差,反之亦然,。幸運(yùn)的是,,在本用例中,由于溫度范圍相當(dāng)有限,,因此使用市售的常見金屬即可,。
雖然信號(hào)和電源的走線采用了市售金屬,但在其于剛?cè)峤Y(jié)合PCB互連時(shí)仍需要對(duì)熱電設(shè)計(jì)進(jìn)行權(quán)衡,。電阻和熱阻的公式如圖4所示,。剛?cè)峤Y(jié)合PCB的走線越細(xì)、越長,,熱阻就越大,。因此,,可以將走線變細(xì)、變長,,從而使其熱阻大于導(dǎo)電栓塞,,以充分減少CBT系統(tǒng)的熱泄漏(即誤差)。遺憾的是,,走線的電阻也會(huì)相應(yīng)增加,。這會(huì)帶來一些不利影響,如電源走線電壓下降,、PCB走線溫升,、以及I2C通信線路的RC時(shí)間常數(shù)增加。
圖4.PCB走線的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率,。
在考慮PCB走線的熱阻之前,,我們應(yīng)首先評(píng)估導(dǎo)電栓塞的熱行為以確立設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。導(dǎo)電栓塞的熱傳導(dǎo)路徑為圓柱形,,如圖5所示,。
圖5.導(dǎo)電栓塞的熱傳導(dǎo)。
根據(jù)其材料的電導(dǎo)率和尺寸,,可以計(jì)算出CBT貼片導(dǎo)電栓塞的熱阻如下:
在考慮PCB走線的熱阻時(shí),,我們需要考慮幾個(gè)問題:
▲PCB走線的熱阻應(yīng)明顯大于CBT貼片的導(dǎo)電栓塞(例如,RTH(PCB走線)≥ 100?RTH(導(dǎo)電栓塞)),。
▲需要根據(jù)溫度傳感器(如MAX30208)的功率要求設(shè)計(jì)PCB走線尺寸,,以盡量減少從走線到CBT貼片導(dǎo)電栓塞的熱損失。采用MAX30208等低功耗溫度傳感器可大大減少這種熱損失,。
▲還需要檢查與導(dǎo)電芯接觸的PCB走線是否有潛在的熱輻射,。走線越小,I2R損耗就越大,。
▲對(duì)于給定的橫截面積,,PCB走線的總長度應(yīng)足以確保與CBT導(dǎo)熱塞相比具備較大的熱阻。
圖6顯示了各種常用PCB金屬的熱/電特性,。由于這些金屬(如金,、銅、銀和鋁)的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率在同一數(shù)量級(jí)內(nèi),,因此具體的選擇什么材料并不太重要,。這里選擇銅是出于成本低,、獲取方便和機(jī)械靈活性高等方面的考慮(將在下一節(jié)討論),。
圖6.常見PCB金屬的電導(dǎo)率。
雖然銅的熱導(dǎo)率比CBT貼片導(dǎo)電栓塞大1000多倍,,但選擇較細(xì)的銅走線的尺寸可以獲得比49.8 K/W(即CBT貼片導(dǎo)電栓塞的熱阻)大得多的熱阻,。
PCB走線由1/2盎司(17.3微米厚)的銅芯,、1.5微米厚的鎳層和0.1微米厚的鍍金層組成??紤]到鎳層和鍍金層的相對(duì)尺寸較小,、可以忽略不計(jì),在接下來的所有計(jì)算中,,均假定PCB走線只由銅芯構(gòu)成,。
圖7.MAX30208溫度傳感器PCB電源和信號(hào)走線。
每條PCB走線的寬度為76.2微米(3毫英寸),,因此得出:
注:雖然我們希望使用更小的走線寬度來增加熱阻,,但PCB廠家對(duì)最小走線寬度有限制。例如,,我們最初想要2.5毫英寸的走線寬度,,但最終采用了廠家建議的3毫英寸的走線寬度。
此外,,由于每個(gè)MAX30208溫度器件都需要四條尺寸相等的PCB走線(圖7),,即四條熱路徑并行,因此,,整體PCB走線的熱阻還降低了四倍,,即:
圖8顯示了四個(gè)溫度傳感器到接插件CN1的PCB走線的近似熱阻。
圖8.PCB走線熱阻的估計(jì)值,。
圖9.CBT貼片與接口板的連接,。
根據(jù)圖8所示,熱阻最低的PCB走線(如TS1-CN1)比CBT導(dǎo)電栓塞的熱阻大380倍左右,,符合大于或等于100倍的設(shè)計(jì)目標(biāo),。此外,從接插件CN1到MAX30208EVSYS接口板的延長線也進(jìn)一步改善了這一性能,。我們的原型系統(tǒng)使用了200毫米(7.9英寸)長的28 AWG導(dǎo)線,,從CBT貼片經(jīng)耳廓頂部纏繞連接到接口板。
注:雖然這一熱阻足以隔絕導(dǎo)電芯內(nèi)部的熱傳導(dǎo),,但我們?nèi)孕杩紤]接口板產(chǎn)生的熱量,。如果該熱量足夠大,它會(huì)傳導(dǎo)回CBT貼片造成誤差,。我們的評(píng)估系統(tǒng)采用的溫度傳感器功耗極低,,因此這不會(huì)構(gòu)成問題。
減少電氣系統(tǒng)的熱誤差
談到電氣系統(tǒng),,我們將關(guān)注兩個(gè)主要方面:(1)MAX30208器件本身產(chǎn)生的熱量(如自發(fā)熱),,以及(2)PCB走線產(chǎn)生的熱量(如熱輻射)。這兩種熱源都會(huì)向CBT貼片輸入(或輸出)熱量,,從而對(duì)系統(tǒng)的熱性能產(chǎn)生不利影響,。圖10顯示了MAX30208電路設(shè)計(jì)的原理示意圖,。
圖10.MAX30208功能圖。
之所以選擇MAX30208(精度為±0.1°C,,I2C)數(shù)字溫度傳感器,,是因?yàn)樗雀摺⒐牡?。CBT貼片電氣系統(tǒng)由MCU接口板上的1.8 V穩(wěn)壓直流電源供電,。I2C上拉電阻是一個(gè)重要的熱量來源,位于MCU板上,,不在CBT貼片剛?cè)峤Y(jié)合PCB上,。
表1列出了各輸入/輸出引腳在37°C條件下工作時(shí)的電流和電壓規(guī)格。這些值是根據(jù)MAX30208數(shù)據(jù)手冊中電氣參數(shù)表和相關(guān)TOC數(shù)據(jù)推算出來的,。
表1.MAX30208輸入/輸出引腳電壓電流規(guī)格
因此,,大部分功耗來自于I2C信號(hào)線和電源,連續(xù)工作狀態(tài)下的功耗約為810 ?W,。由于溫度信號(hào)的變化不是很快,,因此可以采用周期性采樣,這不僅有助于數(shù)據(jù)管理,,還能降低總體功耗,,進(jìn)而有助于減少M(fèi)AX30208器件本身及信號(hào)和電源走線的散熱。
當(dāng)積分周期為15毫秒,、采樣速率為1 Hz時(shí),,MAX30208的平均功耗約為:
雖然數(shù)據(jù)手冊中通常會(huì)提供封裝熱阻,但設(shè)計(jì)人員在使用封裝熱阻估算熱流量時(shí)必須謹(jǐn)慎,。這是因?yàn)棣萰A(結(jié)至環(huán)境熱阻)和θjC(結(jié)至外殼熱阻)均是根據(jù)JEDEC環(huán)境進(jìn)行評(píng)估的,,這可能與實(shí)際應(yīng)用有很大不同。它們通常是在競品器件之間作比較時(shí)用于衡量芯片的品質(zhì)因素,。
因此,,我們不建議使用環(huán)境溫度來推測結(jié)溫,5特別對(duì)于本應(yīng)用被安裝在絕緣材料和非絕緣材料之間的溫度傳感器而言,。
由于MAX30208的溫度測量電路依靠集成電路實(shí)現(xiàn),,我們首先要關(guān)注的是芯片的自發(fā)熱。芯片用于測量封裝頂部(或底部)的外部溫度,,因此假設(shè)外殼溫度與芯片溫度相同,,我們可以估算出由于芯片自發(fā)熱引起的溫度誤差如下6:
該誤差比MAX30208的精度(例如,±0.1°C)低100多倍,,因此我們可以接受上面作出的外殼和芯片溫度相同的假設(shè),。
注:在需要對(duì)芯片溫度精準(zhǔn)測量時(shí)并非總能作出如此假設(shè)。一種可用的技術(shù)是使用IC輸入/輸出線路上的ESD二極管作為溫度傳感器,,以測量IC芯片的溫升,。
接下來,我們考慮導(dǎo)電芯區(qū)域PCB走線的I2R損耗,。如圖8所示,,從TS1或TS4到導(dǎo)電芯外緣的距離為7.5毫米。利用單條PCB走線的電阻公式(見圖4)和銅的電導(dǎo)率,,我們可以計(jì)算出以下結(jié)果:
由于SCL和SDA信號(hào)線的最大電流為383 μApk,,我們計(jì)算出單條PCB走線的熱輻射導(dǎo)致的誤差如下:
這對(duì)于本例的熱系統(tǒng)來說可以忽略不計(jì)。對(duì)于實(shí)施周期性采樣的情況,,誤差會(huì)比這要小,。總之,,由于MAX30208的自發(fā)熱和導(dǎo)電芯PCB走線熱輻射產(chǎn)生的熱誤差對(duì)系統(tǒng)影響不大,。
同時(shí),線路壓降也在可接受范圍內(nèi),。線路的最大長度為88毫米(TS4至CN1),,再加上連接MAX3020x接口板的200毫米28 AWG線(直徑為0.32毫米)。使用電阻的計(jì)算公式,,可計(jì)算出以下結(jié)果:
VDD的最大電流為67μA,,因此線路的壓降如下:
該壓降足夠小,不會(huì)出現(xiàn)電源抑制問題,。
以上是在CBT貼片中使用的剛?cè)峤Y(jié)合PCB的主要散熱和電氣設(shè)計(jì)考慮因素,,但我們?nèi)詮?qiáng)烈建議在制作第一個(gè)貼片的原型之前,進(jìn)行了熱有限元分析(FEA)以對(duì)瞬態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證,。本文沒有討論熱容和電容,,因?yàn)樵诖藨?yīng)用中,熱容和電容對(duì)性能的影響不大,。但我們建議在設(shè)計(jì)階段也對(duì)熱容和電容進(jìn)行分析,。
圖11顯示了CBT器件的電原理圖,重點(diǎn)說明了如何在雙層聚酰亞胺剛?cè)峤Y(jié)合PCB板中實(shí)現(xiàn)電氣互連并減緩熱流的走線,。
圖11.CBT貼片電原理圖,。
保證機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性的布局設(shè)計(jì)考量
剛?cè)峤Y(jié)合電路采用傳統(tǒng)剛性PCB和柔性PCB的混合結(jié)構(gòu)。雖然這種電路具有機(jī)械柔性以與人體前額貼合,,但在幾個(gè)關(guān)鍵位置需要具備機(jī)械剛性,。它們分別是:
▲九個(gè)SMT元件的連接點(diǎn)。
▲從圓形電路區(qū)域延伸至溫度傳感器(TS4)的電路觸片,。
▲從圓形電路區(qū)域延伸至接插件(CN1)的電路觸片,。
▲剛性-柔性電路的邊界。
SMT元器件通常使用回流焊進(jìn)行連接,。因此,,這些元件通常被安裝在剛性PCB材料上,,以保持焊點(diǎn)的完整性。由于柔性PCB材料需要更少的應(yīng)力釋放件,,必須小心焊接SMT元件,。即使系統(tǒng)所受物理干擾的相對(duì)較少,也需要仔細(xì)組裝,,以確保長期的可靠性,。
典型的PCB增強(qiáng)件使用的是FR4、聚酰胺,、聚酰亞胺和/或金屬,。我們的CBT貼片的柔性區(qū)域使用4毫英寸厚的聚酰亞胺,增強(qiáng)區(qū)域使用12毫英寸厚的聚酰亞胺,。為了增強(qiáng)剛度,,我們用金屬片對(duì)柔性觸片電路進(jìn)行了加固。
CBT貼片原型會(huì)被制作成扁平的剛?cè)峤Y(jié)合組件,,然后進(jìn)行兩次靜態(tài)彎曲,。如圖10所示,在最終組裝時(shí),,從圓形電路區(qū)域延伸到TS4溫度傳感器的電路觸片需要進(jìn)行兩次90度彎曲,。
圖12.TS4柔性電路觸片的靜態(tài)彎曲。
TS4柔性電路觸片設(shè)計(jì)采用了磚形圖樣的金屬片,,從而減輕一次性靜態(tài)彎曲造成的金屬疲勞,。圖13顯示了這些可以減輕剛?cè)徇吔绲臋C(jī)械應(yīng)力的交錯(cuò)的磚形圖樣增強(qiáng)件。此外,,斷續(xù)的磚形圖樣還可以消除這些金屬路徑上的熱傳導(dǎo),。從圓形電路區(qū)延伸到接插件(CN1)的電路觸片也采用了這種設(shè)計(jì)技術(shù)。
圖13.交錯(cuò)的磚形圖樣的柔性觸片增強(qiáng)件,。
其它需要考慮的方面包括避免90度的拐角(例如造成應(yīng)力集中點(diǎn))以及預(yù)制件的安裝,。
制造注意事項(xiàng)和指南
為了設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品,去哦們建議設(shè)計(jì)人員與PCB組裝廠密切合作,。在制造首個(gè)器件之前,,應(yīng)審查所有電氣、熱和機(jī)械方面的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),。在許多情況下,,廠家都有替代材料和/或技術(shù),可用于改進(jìn)設(shè)計(jì),。
在開發(fā)CBT貼片的剛?cè)峤Y(jié)合PCB的組裝工藝的過程中,,必須克服使用回流焊材料以及回流焊曲線造成的幾個(gè)重大難題。我們最初使用標(biāo)準(zhǔn)回流焊料,結(jié)果導(dǎo)致了PCB的分層(見圖14),。作為絕緣體,,氣穴會(huì)影響通過剛?cè)峤Y(jié)合PCB的熱流量,這對(duì)于熱設(shè)計(jì)尤其不利,。我們最終通過使用替代的低溫共晶焊料緩解了這一問題,。為了達(dá)到可接受的良率,必須對(duì)回流焊曲線進(jìn)行多次微調(diào),。
圖14.CBT貼片的剛?cè)峤Y(jié)合PCB分層。
結(jié)論
本文討論了設(shè)計(jì)方面的注意事項(xiàng),,旨在幫助應(yīng)對(duì)高精度熱流量應(yīng)用的技術(shù)難題,,即如何使用高精度、低功耗器件(例如,,MAX30208溫度傳感器)來滿足核心體溫貼片的性能要求,。只要選擇合適的元件并應(yīng)用良好的設(shè)計(jì)技術(shù),適當(dāng)平衡熱,、電,、機(jī)械之間的性能,就能做出成功的設(shè)計(jì),。
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