高精度核心體溫CBT　可穿戴溫度感測器設計達標

減少電氣系統的熱誤差

(承前文)談到電氣系統，將關注兩個主要方面：(1)MAX30208元件本身產生的熱量(如自發熱)，以及(2)PCB布線產生的熱量(如熱輻射)。此兩種熱源都會向CBT貼片輸入(或輸出)熱量，進而對系統的熱性能產生不利影響。

之所以選擇MAX30208(精度為±0.1°C，I²C)數位溫度感測器，是因為其精度高、功耗低。CBT貼片電氣系統由MCU介面板上的1.8V穩壓直流電源供電。I²C上拉電阻是一個重要的熱量來源，位於MCU板上，不在CBT貼片軟硬結合PCB上。

當積分週期為15毫秒、採樣速率為1Hz時，MAX30208的平均功耗如式子(2)。

雖然產品手冊中通常會提供封裝熱阻，但設計人員在使用封裝熱阻估算熱流量時必須謹慎。這是因為θjA(結至環境熱阻)和θjC(結至外殼熱阻)均是根據JEDEC環境進行評估的，這可能與實際應用有很大不同。其通常是在競品元件之間作比較時用於衡量晶片的品質因素。

因此，不建議使用環境溫度來推測結溫，特別對於本應用被安裝在絕緣材料和非絕緣材料之間的溫度感測器而言。由於MAX30208的溫度測量電路需透過積體電路實現，因此首先要關注的是晶片的自發熱。晶片用於測量封裝頂部(或底部)的外部溫度，因此假設外殼溫度與晶片溫度相同，可以估算出由於晶片自發熱引起的溫度誤差如式子(3)。

該誤差比MAX30208的精度低100多倍，因此可以接受上面作出的外殼和晶片溫度相同的假設。在需要對晶片溫度精準測量時並非總能作出如此假設。一種可用的技術是使用IC輸入/輸出線路上的ESD二極體作為溫度感測器，以測量IC晶片的溫升。

接下來，考慮導電芯區域PCB布線的I²R損耗。如圖5所示，從TS1或TS4到導電芯外緣的距離為7.5毫米。利用單條PCB布線的電阻公式和銅的電導率，可以計算出結果如式子(4)。

由於SCL和SDA訊號線的最大電流為383μApk，計算出單條PCB布線的熱輻射導致的誤差如式子(5)。

這對於本例的熱系統來說可以忽略不計。對於建置週期性採樣的情況，誤差會比這要小。總之，由於MAX30208的自發熱和導電芯PCB布線熱輻射產生的熱誤差對系統影響不大。

同時，線路壓降也在可接受範圍內。線路的最大長度為88毫米(TS4至CN1)，再加上連接MAX3020x介面板的200毫米28AWG線(直徑為0.32毫米)。使用電阻的計算公式，可計算結果如式子(6)。

以上是在CBT貼片中使用的軟硬結合PCB的主要散熱和電氣設計考慮因素，但仍建議在製作第一個貼片的原型之前進行熱有限元分析(FEA)以對瞬態進行驗證。本文沒有討論熱容和電容，因為在此應用中，熱容和電容對性能的影響不大，但建議在設計階段也對熱容和電容進行分析。

保證機械結構可靠性

軟硬結合電路採用傳統硬性PCB和軟性PCB的混合結構。雖然此種電路具有機械柔性以與人體前額貼合，但在幾個關鍵位置需要具備機械硬性。其分別是：

．九個SMT元件的連接點。

．從圓形電路區域延伸至溫度感測器(TS4)的電路觸片。

．從圓形電路區域延伸至接外掛程式(CN1)的電路觸片。

．硬性－軟性電路的邊界。

穿戴式溫度感測器應用的軟硬結合電路設計考慮因素SMT元件通常使用回流焊進行連接。因此，這些元件通常被安裝在硬性PCB材料上，以保持焊點的完整性。由於軟性PCB材料需要更少的應力釋放件，必須小心焊接SMT元件。即使系統所受物理干擾的相對較少，也需要仔細組裝，以確保長期的可靠性。

典型的PCB增強件使用的是FR4、聚醯胺、聚醯亞胺和/或金屬。CBT貼片的軟性區域使用4mil厚的聚醯亞胺，增強區域使用12mil厚的聚醯亞胺。為了增強硬度，使用金屬片對軟性觸片電路進行了加固。

CBT貼片原型會被製作成扁平的軟硬結合元件，然後進行兩次靜態彎曲。在最終組裝時，從圓形電路區域延伸到TS4溫度感測器的電路觸片需要進行兩次90度彎曲。

TS4軟性電路觸片設計採用了磚形圖樣的金屬片，進而減輕一次性靜態彎曲造成的金屬疲勞。圖6顯示了這些可以減輕軟硬邊界的機械應力的交錯的磚形圖樣增強件。此外，斷續的磚形圖樣還可以消除這些金屬路徑上的熱傳導。從圓形電路區延伸到接外掛程式(CN1)的電路觸片也採用了此種設計技術。

其它需要考慮的方面包括避免90度的拐角以及預製件的安裝。為了設計出穩定可靠的產品，建議設計人員與PCB組裝廠密切合作。在製造第一個元件之前，應審查所有電氣、熱和機械方面的設計細節。在許多情況下，廠商都具備替代材料和/或技術，可用於改良設計。

在開發CBT貼片的軟硬結合PCB的組裝製程的過程中，必須克服使用回流焊材料以及回流焊曲線造成的幾個重大難題。最初使用標準回流焊料，結果導致了PCB的分層。作為絕緣體，氣穴會影響通過軟硬結合PCB的熱流量，這對於熱設計尤其不利。最終透過使用替代的低溫共晶焊料緩解了此一問題。為了達到可接受的良率，必須對回流焊曲線進行多次微調。

本文討論了設計方面的注意事項，目的在協助因應高精度熱流量應用的技術難題，即如何使用高精度、低功耗元件來滿足核心體溫貼片的性能要求。只要選擇合適的元件並應用良好的設計技術，適當平衡熱、電、機械之間的性能，就能做出成功的設計。

(本文作者為ADI資深工程師)

參考資料

[1] Amir Tofighi Zavareh、Brittany Tran、Christian Orred和Savannah Rhodes。「整合了機器學習功能的軟性可穿戴熱裝置。」《Advanced Materials Technologies》，2023年5月。

[2] Brittany Tran和Cody Carlisle。「持續監測核心體溫的醫療裝置。」本科科研學者線上研討會，2022年3月。

[3] 「威德曼-弗朗茨定律。」維基百科，2023年4月13日。

[4] Clyde Cloombs。《印刷電路手冊》第五版。第3章-先進封裝（表3.4）。McGraw-Hill Professional；第五版（2001年8月）。

[5] 「TN-00-08：熱應用。」Micron，2022年7月。

[6] 「MT-093教程：散熱設計基礎。」ADI，2009年。

[7] 「應用筆記4646：使用熱分析來預測IC的瞬態行為並避免過熱。」ADI

[8] 「教程4083：IC封裝的熱特性。」ADI

[9] 「應用筆記5873：封裝熱分析計算器教程。」ADI

[10] 「應用筆記3930：溫度感測器和1-Wire元件的封裝熱阻值（Theta JA、Theta JC）。」ADI

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)