NST112x-CWLR溫度傳感器 可穿戴設備溫度檢測硬件設計指南

NST112x是一款工作電壓范圍在1.5V至3.6V的低功耗數字溫度傳感器。片上集成了14位模數轉換器（ADC）提供低至0.015625℃的分辨率。該傳感器規定的工作溫度范圍為-40℃至125℃。其通過靈活的兩線I2C接口與主機進行通信，該接口與SMBus兼容，并支持4個設備地址。該傳感器在高精測溫范圍（25℃~45℃）內的典型精度為0.1°C，高度線性，不需要復雜的計算或查找表來獲得溫度。

1. 概述

NST112x是一款工作電壓范圍在1.5V至3.6V的低功耗數字溫度傳感器。片上集成了14位模數轉換器（ADC）提供低至0.015625℃的分辨率。該傳感器規定的工作溫度范圍為-40℃至125℃。其通過靈活的兩線I2C接口與主機進行通信，該接口與SMBus兼容，并支持4個設備地址。該傳感器在高精測溫范圍（25℃~45℃）內的典型精度為0.1°C，高度線性，不需要復雜的計算或查找表來獲得溫度。

NST112x采用DABGA封裝，使其適用于工業和消費市場中的對結構集成有嚴苛要求的產品，如智能手表、IoT節點傳感器、藍牙體溫貼等。

圖1.NST112x溫度傳感器應用場景

納芯微提供高精度數字溫度傳感器NST112x-CWLR的接觸式測溫解決方案，其特點明確，優勢突出：

- 該方案具有溫度響應時間快、低功耗、測溫時間短、高精度、自發熱小等特點

- 4Hz采樣速率下平均功耗典型值僅5.7μA

- 封裝采用晶圓級芯片尺寸封裝(DSBGA 0.75mmX0.75mm)

- 適用于SMT工藝生產，裝配精度容差性強，適用于批量大規模量產

- 溫度達到63%的響應時間為0.1s，達到體溫（99%）的時間為12.73s

2. 硬件設計參考及說明

2.1 應用框圖

最多支持在I2C總線上掛載4顆NST112x-CWLR，其A/B/C/D四個版本具備不同的I2C設備地址，在同一產品中支持多點測溫，為產品溫度檢測算法提供多變量輸入。典型應用電路如圖2所示。

圖2.NST112x-CWLR典型應用電路圖

2.2 芯片引腳說明

NST112x-CWLR芯片引腳說明如表1所示。

圖3.NST112x-CWLR引腳定義圖（Top View）

表1.芯片引腳定義及功能說明

圖4. NST112x-CWLR封裝對比圖

3.  可穿戴應用中NST112x-CWLR設計指導

隨著健康監測類可穿戴迅速發展，在監測血氧、心率等生理參數功能逐漸應用完善之后，極大地滿足了用戶交互的需求。隨著各主流品牌智能手表產品增加體溫監測功能，體溫監測功能成為智能手表的標配需求。

人體溫度分為體核溫度和體表溫度。生理學上所說的體溫是指機體體核溫度的平均值。人體體核溫度不易測量，臨床上常通過測量腋窩、口腔等的溫度來代表人體體溫。相關研究表明，人體處于安靜狀態時，體表溫度分布大致表現為額面部、腋窩、頸前和項部最高，其次為軀干部，到四肢逐漸下降，手掌手背最低。相比于體核溫度，體表溫度更容易受外界環境因素的影響且更不穩定。腕部溫度屬于體表溫度，具有易于觀察和測量的優點，但在醫學上也有采信度不高的缺陷。

研究表明影響皮膚溫度的因素主要有環境溫度、風速、相對濕度等。因此以腕部體表溫度測量為基礎，設計并實現的一種可穿戴體溫監測設備涉及以下幾個問題：

首先，從檢測精度的角度著手，需要重點考慮腕部體表溫度與以腋下溫度為基準的體溫間的補償方案；

其次，從檢測的熱平衡角度考量，可穿戴設備的結構堆疊和材料選擇需要重點考慮；

最后，從持續監測的計算效率及檢測可視化的角度切入，需要設計高效的體溫數據處理方案。

3.1 高階算法推薦

根據學術界研究，人體組織與外界的傳熱主要通過：水份蒸發，熱對流，熱輻射，熱傳導，組織血液熱傳導，血液流動傳導，代謝發熱，由此建立了體核溫度與體各部位溫度的模型。其中腕部溫度與體核溫度也存在關系。通過測量腕部溫度來檢測體核溫度在可穿戴應用中逐漸成熟。

在靜止環境下環境溫度對皮膚溫度的影響最為顯著，其次依次為服裝熱阻、風速等,另外穿戴的松緊程度也影響到傳熱。而具體到腕部體表溫度時，由于一般情況下腕部裸露，可忽略，又以室內監測情況居多，亦可忽略風速等因素。由此，以腕部體表溫度為基礎推導體核溫度的簡化情況，是建立起腕部體表溫度、環境溫度、體核溫度三者間的補償關系。

圖5.體表溫度、環境溫度、體核溫度三者補償關系圖

由于腕部測溫受上述的較多因素影響，客戶在具體實施測溫算法時應該考慮通過其他的手段來避免多余的干擾影響測試結果。例如：是否佩戴，并在測量應用中提醒用戶佩戴松緊程度，在相對平靜的室內環境下等待足夠長時間。而人體在運動時，體表溫度變化較大。與體核的關系影響因素更多，目前的研究還不成熟，因此本算法的應用場景存在一定的局限性。

納芯微在可穿戴設備的結構上部署了兩顆NST112x芯片其中一顆用于測試環境溫度，一顆通過傳導測量手腕溫度。并且根據一系列的實驗，獲得若干組數據擬合出了一個二次關系曲線，客戶直接使用該組系數，效果不一定最好，建議產品完成樣機試制之后，在各條件下測量體核溫度 tcore(其他標準測溫設備)，與環境溫度ten，皮膚溫度tsk，進而實現算法結果最優。

由此，納芯微提供基于NST112x提供的環境溫度和體核溫度一種補償算法方案。

3.2 基于NST112x-CWLR結構和layout設計指導

NST112x-CWLR的測溫原理是基于CMOS電路硅襯底寄生晶體管PN結溫度效應實現，因此在進行腕部體表溫度測量時，要求芯片Die內PN結溫度與體表溫度達到熱平衡。因此在進行可穿戴設備結構設計時，根據傅里葉定律，熱導率定義：

由此可以看出，材料和路徑是影響熱傳導的主要因素，除此之外，熱隔離也是重要因素。不同材料的導熱系數可參照表2。

表2.不同材料的導熱系數

皮膚至溫度傳感器芯片的熱傳導路徑有以下兩種方式：

圖6. 方式一：腕部皮膚→不銹鋼→FPC→芯片錫球→DIE

圖7. 方式二：腕部皮膚→不銹鋼→導熱硅膠→芯片封裝材料→DIE

推薦采用方式一，軟板FPC的方案可使熱平衡路徑最優，如結構和工藝限制，采用方式二熱傳導響應時間會變長，但在實際應用場景中，一般佩戴10分鐘以上才建議進行體溫測試，方式二最終可實現熱平衡，因此也可以按照方式二進行熱傳導路徑設計。

最優熱傳導路徑示意圖：

圖8. 最優熱傳導路徑示意圖

接觸皮膚部分建議使用金屬，優選不銹鋼。

NST112x-CWLR應用于可穿戴設備測溫，使用溫度傳感器感知環境溫度與腕部皮膚溫度的layout設計要點都是導熱與隔熱，具體考慮點如下：

基于NST112x-CWLR Layout Demo示意圖：

在進行NST112x-CWLR layout設計時合理運用鏤空和芯片周邊覆銅設計，使傳熱和隔熱可以有效實施。