4.3 如何监控身体温度

[音乐播放] 大家好，欢迎观看有关体温监测的 TI 高精度实验室视频。 在本视频中，我们将讨论一些设计 注意事项和技术，以针对包含皮肤温度 和体温测量的系统作出有效的设计 和布局决定。 那么，“体温”一词具体是什么意思？ 绝大多数时候，当我们使用“体温” 一词时，我们通常指核心温度， 它是人体内部环境的运行 温度范围。 我们中的大多数人都熟悉这样一个概念， 即正常体温大约是 98.6 华氏度或 37 摄氏度。 但这仅仅代表人们预计的 普通人的口腔测量 值。 实际上，对于人体中什么温度范围 被视为正常温度，有多个因素 起作用。 皮肤温度是另一种经常 测量的体温形式。 与核心温度相比，皮肤温度 不稳定得多，在许多情况下， 皮肤温度远低于核心 温度的测量值。 这是因为皮肤这种器官实际上 比其外在表现要复杂很多， 它被人体大量用于调节核心温度。 同时，皮肤温度也会根据 人的身体情况急剧变化。 尽管与内部体温测量方法相比 皮肤温度的可预测性和稳定性要低很多， 但它仍可以提供有关人体 内部状态的重要信息。 在讨论用于测量体温的 设计技术之前，必须知道 我们要测量身体的什么 部位。 我们希望系统提供的总精度 将告诉我们应选择什么部位进行测量。 一般而言，最精确的 方法是测量身体内部，因为这样 可以更好地测量核心温度。 这其中最好的方法是在肺 动脉导管的末端进行测量。 该过程在 ICU 中并不罕见， 但执行该过程通常不是为了 监测体温。 很显然，该测量 方法不便于日常使用。 因此，我们的目标应是尽可能接近 核心温度的黄金测量， 同时不为患者带来此种程度的不适。 口腔或舌下测量在儿童和成人中要 常见得多，并且通常就难易 程度而言能够获得很好的结果。 或者，可以将传感器置于 胶囊中，在它们通过人体时进行读取。 这对于确定运动员的体力 消耗可能有用。 鼓室或耳朵测量通常是 为了方便小孩或昏迷的成年人。 颞浅动脉测量对幼儿 最有效。 估计体温最不精确的 方法实际上是基于皮肤温度的方法。 手腕处的测量通常用于健身 监测设备，这些设备需要尝试 估计核心温度变化，以确定 活动水平。 腋下和前额测量通常用于 监测小孩发热的 发展阶段。 这些方法通常限于家庭使用。 我们已经在前面的视频中讨论了各种 类型的温度传感器。 务必了解这些类型的传感器 和检测元件如何应用于 体温测量及其优点。 一般而言，检测体温 最重要的方法是基于热敏电阻或 IC。 热敏电阻的主要优点是 高灵敏度和低成本。 热敏电阻需要非常精确的校准， 以满足医疗要求。 相反，对于温度传感器 IC，实施要简单得多。 但可用的高精度 传感器很少。 RTD 有时用于体温检测， 不过，对于医疗应用所需的 精度级别，成本可能非常高。 热电偶几乎从不用于体温 检测应用。 由于它们需要额外的温度基准， 因而用起来不切实际。 红外线传感器更常用于体温 测量，可以提供很好的结果。 不过，再强调一下，这些传感器的 校准可能非常具有挑战性。 我们不会在本视频中讨论使用红外温度 传感器的系统设计，因为这些设计可能 非常复杂，并且随传感器本身的变化很大。 我们来看看如何针对一些常见的 情况设计出最佳的皮肤温度测量方法。 对于许多高精度IC 温度传感器， 封装将包含称为裸片连接焊盘或散热 焊盘的部件。 该焊盘可以为从外部器件到 检测元件的热量传递提供有效的方法。 屏幕上显示了具有裸片连接 焊盘或 DAP 的典型无引线封装的横截面。 硅片上覆盖了模压化合物， 这通常是环氧树脂，具有很差的导电性。 这不会是传感器的 主要热传导路径。 硅片具有非常高的热连接性， 它使用热环氧树脂连接到散热焊盘，热环氧树脂具有 相当高的导热系数。 理想情况下，该化合物将具有尽可能高的 导热性。 在允许的情况下，器件的散热焊盘 应焊接到正下方的覆铜上。 这些对于传递热量很有效。 如果无法焊接传感器的散热焊盘，则可以在此处 保留一个气隙。 该气隙不应严重影响 热响应。 但是，如果需要，可以使用导热的底部 填充材料替代它。 对于皮肤温度测量， 我们要做的是使用电路板的另一面 来测量温度。 当然，问题是电路板本身的 导热性几乎总是极差。 解决方法是在 PCB 的底部 使用覆铜，然后使用多个通孔 从电路板的底部向散热焊盘传递热量。 最后，为了与皮肤接触，必须使用 较薄的生物相容性材料层。 当在柔性 PCB 上完成设计时， 其效果尤其好。 由于其厚度，该薄材料层 将向 PCB 的底部呈现低热阻。 现在，皮肤的热量可以通过热焊盘 有效地传递到裸片，以进行精确的测量。 对于不具有热焊盘的封装， 到检测元件的热传递的 主要热源将是引线。 这适用于球栅阵列 封装以及许多穿孔式封装。 在大多数情况下，封装本身无法 直接与皮肤接触。 因此最好的方法是设计 将引线用作热路径的 PCB。 例如，对于BGA 封装，这 意味着使用铜迹线和通孔 创建电路板底部到 IC 焊球的 热路径。 这看起来与我们刚讨论的具有 热焊盘的封装导热路径相同。 一般而言，皮肤温度测量的设计 原则是相同的。 该类别的传感器之间的 主要有效差异是热质量。 较大的引线式封装-- 如通孔、SOT 和 SOIC 封装 -- 将具有更大的热质量。 由于这些封装通过引线进行的热传导 大约是 60% 至 70%，因此这些较大 封装的响应时间可能会延迟。 较长的响应时间可能会成为问题，也可能 不会成为问题，具体取决于最终系统要求。 在测量核心温度时，临床 环境中通常首选使用探头。 对于核心温度测量，探头设计工作良好， 您可能会想起这是高精度和 经常使用情况下的 首选方法。 在设计探头时，存在将所有体温 检测元件考虑在内的更一般的指导。 比较皮肤温度测量与核心温度 测量时的主要差异 在于我们的传感器将位于的环境。 与皮肤温度测量不同，当热源来自 单个方向时，核心温度传统上位于 内部，这意味着整个传感器的 周围是我们希望 器件与之达到平衡的 热环境。 这意味着对于核心温度测量， 我们希望使用电路板和器件的所有侧面， 以最大程度地减小检测元件 与环境之间的热阻。 如前所述，核心温度测量与皮肤 温度测量的不同之处在于，我们 希望从电路板的所有侧面传导热量。 为实现相同的效果，我们应 利用通过引脚到器件的传导 和散热垫的传导，如果 可用的话。 一种实现该操作的方法是在器件的 两侧放置通孔，并连接到电路板的 任一侧上的铜焊盘。 这样散热焊盘中的 每个引脚就可以向检测元件传导热能。 为了实现最佳传导，最好使用 导热但电隔离的环氧树脂完全 填充探头尖端。 这可以确保从所有角度 和侧面进行传导，并且最大程度地 减小检测元件与外部环境之间的 稳态误差，同时缩短 系统稳定时间。 我们已看到针对探头的电路板设计， 那么下一个重要的方面是探头本身。 由于应用是医疗方面的，因此 使用的材料应安全、生物相容并且 结实耐用。 同时，它应具有良好的热响应。 对于大多数温度探头设计而言，不锈钢是 完美的材料。 它结实耐用，不易氧化或腐蚀。 它易于清洗，并且导热 性能相当好。 不锈钢不是唯一的选择， 但一般而言，对于用于监测 人体温度的探头来说， 它是最普遍和最具成本效益的解决方案。 在设计用于符合医疗标准的核心 温度测量的探头时，测量 精度要求非常高，在液池中与基准 探头相比时通常为正负 0.1 摄氏度。 在设计探头时，存在一种称为 茎态的额外误差源，必须加以考虑。 “茎态”一词指由于温度差， 探头体和引线将热量 从检测元件和环境 传导到周围环境的现象。 该影响在探头设计中始终 存在，将在最终产品中产生 有限量的稳态误差。 为了最大程度地减小茎态的影响， 可以使用一些通用的设计技术。 所选的检测元件应采用 最小的可用封装，以最大 程度地减小电路板尺寸，从而减小 探头的直径。 这将减小探头体的横截面积，并且 减少传导到周围环境中的 热能。 确保您的建议浸入深度最小 比探头直径加探头灵敏度 长度之和大 10 倍， 探头的灵敏度长度是探头 长度中与检测元件 具有良好热接触的部分。 通常，这是探头中填充了热化合物的 部分。 对于含引线的导线，使用导热 系数较低但导电性适中的材料， 如镍或钨。 这将减少从环境热源 传导到检测元件的热量， 反之亦然。 感谢您观看本有关体温检测的 TI 高精度