高精度核心體溫CBT　可穿戴溫度感測器設計達標

本文目的在協助設計人員於設計高精度(±0.1°C)溫度感測電路時識別和因應多個潛在問題。以核心體溫(Core Body Temperature, CBT)設計為例進行說明，內容涵蓋熱、電氣和機械等，並對這些方面進行了適當的權衡考量。這些考量將從以下幾點提供設計人員協助：

．瞭解如何識別與開發高精度CBT感測元件相關的設計挑戰、權衡考量和因應技術。

．瞭解如何為遠端患者監護應用設計性能可靠的軟硬結合印刷電路板。

．將設計指南運用到熱流量和機械結構中。

．軟硬結合PCB製造中。

CBT元件設計

作為一種軟性可穿戴熱感測元件，CBT貼片能準確估計人體核心體溫(圖1a)。圖1b則顯示了該熱感測元件的主要部件，由四個溫度感測器(MAX30208)組成。這些感測器被不同熱導率的材料分隔開，以準確量化CBT。這些溫度感測器的精度為0.1°C，供電電壓為1.8V，支援低功耗運行。其中，一個溫度感測器位於PCB的中心，兩個溫度感測器位於PCB的中部和邊緣，第四個感測器位於軟性觸片的尖端，該觸片貼片邊緣朝向PCB的中心部位翻折(圖1c)。

CBT貼片可用於在術前、術中和術後環境中監測患者體溫。此類環境的典型環境溫度範圍為20~24°C，最大空氣熱導率為5W/m²/K。前額核心體溫的正常範圍為36~38°C。低於36°C的情況稱為體溫過低，高於38°C的情況則稱為體溫過高，此兩種情況均不理想，因此需要在手術的各個階段對核心體溫進行監測。

熱流量布局設計考量

CBT貼片產品目的在使用兩個MAX30208溫度感測器測量垂直於人體組織表面的熱流量。如圖2所示，TS為MAX30208溫度感測器。圖1所示的另外兩個溫度感測器則有助於計算橫向的熱損失。將溫度感測器的資料與導電栓塞和絕緣外殼的熱模型相結合，可準確估計人體前額的核心體溫。

為了達成這一目標，具有溫度感測電路的軟硬結合PCB需要：

．整合高精度的溫度感測器。

．溫度感測器的功耗應夠低，不會對相關熱系統產生不利影響。

．具有夠粗、可用於訊號傳輸的PCB布線。

．訊號布線的尺寸應能夠充分減少來自(或到達)MAX30208溫度感測器的熱流量，進而避免對熱系統造成不利影響。

．訊號布線的尺寸應儘量減少從PCB布線到導電栓塞區域的熱輻射(即I²R損耗)。

透過採用合適的導熱/絕緣材料並設計其物理結構，就可以準確估計前額的CBT。結合高精度低功耗溫度感測器就能實現成功的產品設計。然而，電子元件的PCB布線等電氣連接也會導熱—這是不希望出現的情況。圖3顯示了相關的熱流路徑。希望將PCB布線的熱阻設計得比導電栓塞更大，進而確保這些額外熱損失(或增益)導致的誤差可以忽略不計。

由於熱和電都是透過電子的運動來傳輸的，因此二者密切相關。根據威德曼-弗朗茨定律，相同溫度下不同金屬的熱導率與電導率之比約為常數。換句話說，熱阻越大，導電性越差，反之亦然。幸運的是，在本用例中，由於溫度範圍相當有限，因此使用市售的常見金屬即可。

雖然訊號和電源的布線採用了市售金屬，但在其於軟硬結合PCB互連時仍需要對熱電設計進行權衡。軟硬結合PCB的布線越細、越長，熱阻就越大。因此，可以將布線變細、變長，進而使其熱阻大於導電栓塞，以充分減少CBT系統的熱洩漏(即誤差)，但布線的電阻也會相應增加，這會帶來一些不利影響，如電源布線電壓下降、PCB布線溫升、以及I²C通訊線路的RC時間常數增加。

在考慮PCB布線的熱阻之前，應首先評估導電栓塞的熱行為以確立設計基準。導電栓塞的熱傳導路徑為圓柱形，如圖4所示。

根據其材料的電導率和尺寸，可以計算出CBT貼片導電栓塞的熱阻如式子(1)。

在考慮PCB布線的熱阻時，需要考慮幾個問題：

．PCB布線的熱阻應明顯大於CBT貼片的導電栓塞(例如，RTH(PCB布線)≥100×RTH(導電栓塞))。

．需要根據溫度感測器的功率要求設計PCB布線尺寸，以儘量減少從布線到CBT貼片導電栓塞的熱損。採用低功耗溫度感測器可大幅減少這種熱損。

．還需要檢查與導電芯接觸的PCB布線是否有潛在的熱輻射。布線越小，I²R損耗就越大。

．對於給定的橫截面積，PCB布線的總長度應足以確保與CBT導熱塞相比具備較大的熱阻。

表1顯示了各種常用PCB金屬的熱/電特性。由於這些金屬(如金、銅、銀和鋁)的熱導率和電導率在同一數量級內，因此具體的選擇什麼材料並不太重要。這裡選擇銅是出於成本低、取得簡便和機械彈性高等方面的考慮。

雖然銅的熱導率比CBT貼片導電栓塞大1,000多倍，但選擇較細的銅布線的尺寸可以獲得比49.8K/W(即CBT貼片導電栓塞的熱阻)更大的熱阻。

PCB布線由1/2盎司(17.3μm厚)的銅芯、1.5μm厚的鎳層和0.1μm厚的鍍金層組成。考慮到鎳層和鍍金層的相對尺寸較小、可以忽略不計，在接下來的所有計算中，均假定PCB布線只由銅芯構成。

圖5顯示了四個溫度感測器到接外掛程式CN1的PCB布線的近似熱阻。根據圖5所示，熱阻最低的PCB布線(如TS1-CN1)比CBT導電栓塞的熱阻大380倍左右，符合大於或等於100倍的設計目標。此外，從接外掛程式CN1到介面板的延長線也進一步改善了此一性能。原型系統使用了200毫米(7.9英寸)長的28AWG導線，從CBT貼片經耳廓頂部纏繞連接到介面板。雖然此一熱阻足以隔絕導電芯內部的熱傳導，但仍需考慮介面板產生的熱量。如果該熱量夠大，其會傳導回CBT貼片造成誤差。評估系統採用的溫度感測器功耗極低，因此這不會構成問題。

高精度核心體溫CBT　可穿戴溫度感測器設計達標(1)

高精度核心體溫CBT　可穿戴溫度感測器設計達標(2)