【導讀】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)計指南，可應(yīng)用于多種高精度(±0.1°C)溫度檢測應(yīng)用。
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大學和ADI公司在聯(lián)合開發(fā)CBT傳感器產(chǎn)品時采用了本文中的建議。這款CBT器件采用了四個MAX30208溫度傳感器，用于測量熱通量，以準確估計受試者的CBT。1,2
簡介
本文旨在幫助設(shè)計人員在設(shè)計高精度（ ±0.1°C）溫度檢測電路時識別和應(yīng)對多個潛在問題。本指南以最近的CBT設(shè)計為例進行說明，涉及到熱、電氣和機械等方面，并對這些方面進行了適當?shù)臋?quán)衡考量。這些考量將有助于設(shè)計人員：
●了解如何識別與開發(fā)高精度CBT檢測器件相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)、權(quán)衡考量和應(yīng)對技術(shù)。
●了解如何為遠程患者監(jiān)護應(yīng)用設(shè)計性能可靠的剛?cè)峤Y(jié)合印刷電路板。
●將設(shè)計指南運用到熱流量和機械結(jié)構(gòu)中。
●剛?cè)峤Y(jié)合PCB制造中。
CBT器件設(shè)計概述
作為一種柔性可穿戴熱檢測器件，CBT貼片能準確估計人體CBT（圖1a）。圖1b則顯示了該熱檢測器件的主要部件，由四個溫度傳感器（MAX30208）組成。這些傳感器被不同熱導率的材料分隔開，以準確量化CBT。這些溫度傳感器的精度為0.1°C，供電電壓為1.8V，支持低功耗運行。其中，一個溫度傳感器位于PCB的中心，兩個溫度傳感器位于PCB的中部和邊緣，第四個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。(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。這兩種情況都很嚴重，因此需要在手術(shù)的各個階段對核心體溫進行監(jiān)測。
關(guān)于熱流量的布局設(shè)計考慮因素
CBT貼片產(chǎn)品旨在使用兩個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所示的另外兩個溫度傳感器則有助于計算橫向的熱損失。將溫度傳感器的數(shù)據(jù)與導電栓塞和絕緣外殼的熱模型相結(jié)合，可準確估計人體前額的CBT。
為了達成這一目標，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，不會對相關(guān)熱系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。
具有足夠粗的用于信號傳輸?shù)腜CB走線。
信號走線的尺寸應(yīng)能夠充分減少來自（或到達）MAX30208溫度傳感器的熱流量，從而避免對熱系統(tǒng)造成不利影響。
信號走線的尺寸應(yīng)盡量減少從PCB走線到導電栓塞區(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）。
通過采用合適的導熱/絕緣材料并設(shè)計其物理結(jié)構(gòu)，就可以準確估計前額的CBT。結(jié)合高精度低功耗溫度傳感器（如MAX30208）就能實現(xiàn)成功的產(chǎn)品設(shè)計。然而，電子器件的PCB走線等電氣連接也會導熱——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)計得比導電栓塞大得多，從而確保這些額外熱損失（或增益）導致的誤差可以忽略不計。
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動來傳輸?shù)?，因此二者密切相關(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率與電導率之比約為常數(shù)。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，由于溫度范圍相當有限，因此使用市售的常見金屬即可。
雖然信號和電源的走線采用了市售金屬，但在其于剛?cè)峤Y(jié)合PCB互連時仍需要對熱電設(shè)計進行權(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、越長，熱阻就越大。因此，可以將走線變細、變長，從而使其熱阻大于導電栓塞，以充分減少CBT系統(tǒng)的熱泄漏（即誤差）。遺憾的是，走線的電阻也會相應(yīng)增加。這會帶來一些不利影響，如電源走線電壓下降、PCB走線溫升、以及I2C通信線路的RC時間常數(shù)增加。
圖4.PCB走線的電導率和熱導率。
在考慮PCB走線的熱阻之前，我們應(yīng)首先評估導電栓塞的熱行為以確立設(shè)計基準。導電栓塞的熱傳導路徑為圓柱形，如圖5所示。
圖5.導電栓塞的熱傳導。
根據(jù)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下：
在考慮PCB走線的熱阻時，我們需要考慮幾個問題：
PCB走線的熱阻應(yīng)明顯大于CBT貼片的導電栓塞（例如，RTH（PCB走線）≥ 100?RTH（導電栓塞））。
需要根據(jù)溫度傳感器（如MAX30208）的功率要求設(shè)計PCB走線尺寸，以盡量減少從走線到CBT貼片導電栓塞的熱損失。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。
對于給定的橫截面積，PCB走線的總長度應(yīng)足以確保與CBT導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）的熱導率和電導率在同一數(shù)量級內(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金屬的電導率。
雖然銅的熱導率比CBT貼片導電栓塞大1000多倍，但選擇較細的銅走線的尺寸可以獲得比49.8 K/W（即CBT貼片導電栓塞的熱阻）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尺寸較小、可以忽略不計，在接下來的所有計算中，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導電栓塞的熱阻大380倍左右，符合大于或等于100倍的設(shè)計目標。此外，從接插件CN1到MAX30208EVSYS接口板的延長線也進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電芯內(nèi)部的熱傳導，但我們?nèi)孕杩紤]接口板產(chǎn)生的熱量。如果該熱量足夠大，它會傳導回CBT貼片造成誤差。我們的評估系統(tǒng)采用的溫度傳感器功耗極低，因此這不會構(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）。這兩種熱源都會向CBT貼片輸入（或輸出）熱量，從而對系統(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，是因為它精度高、功耗低。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。
| 輸入/輸出引腳 | 備注 | 電壓（標稱值） | 電流（標稱值） | 功率（標稱值/最大值） |
| VDD | 待機模式 激活模式 | 1.8 V 1.8 V | 0.57 μA 66.5 μA | 1.03 μW 120 μW/180 μW |
| GND | 待機模式 激活模式 | 0.0 V | 0.57 μA 66.5 μA | 可忽略不計 可忽略不計 |
| GPIOO | 用于I2C地址配置 高阻輸入 | 1.8 V/GND | 0.1 μA（標稱值） 25°C時為1 μA（最大值） | 1.8 μW（最大值） |
| GPIOI | 用于I2C地址配置 高阻輸入 | 1.8 V/GND | 0.1 μA（標稱值） 25°C時為1 μA（最大值） | 1.8 μW（最大值） |
| SCL（激活模式） | I2C時鐘線 Rpu=4.7 kΩ | 1.8 V/GND | 383 μA（最大值） | 345 μW（典型值） |
| SDA（激活模式） | I2C數(shù)據(jù)線Rpu=4.7 kΩ | 1.8 V/GND | 383 μA（最大值） | 345 μW（典型值） |
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信號線和電源，連續(xù)工作狀態(tài)下的功耗約為810 μW。由于溫度信號的變化不是很快，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，進而有助于減少MAX30208器件本身及信號和電源走線的散熱。
當積分周期為15毫秒、采樣速率為1 Hz時，MAX30208的平均功耗約為：
雖然數(shù)據(jù)手冊中通常會提供封裝熱阻，但設(shè)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(jié)至環(huán)境熱阻）和θjC（結(jié)至外殼熱阻）均是根據(jù)JEDEC環(huán)境進行評估的，這可能與實際應(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：在需要對芯片溫度精準測量時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，我們考慮導電芯區(qū)域PCB走線的I2R損耗。如圖8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走線的電阻公式（見圖4）和銅的電導率，我們可以計算出以下結(jié)果：
由于SCL和SDA信號線的最大電流為383 μApk，我們計算出單條PCB走線的熱輻射導致的誤差如下：
這對于本例的熱系統(tǒng)來說可以忽略不計。對于實施周期性采樣的情況，誤差會比這要小?？傊?，由于MAX30208的自發(fā)熱和導電芯PCB走線熱輻射產(chǎn)生的熱誤差對系統(tǒng)影響不大。
同時，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）。使用電阻的計算公式，可計算出以下結(jié)果：
VDD的最大電流為67 μA，因此線路的壓降如下：
該壓降足夠小，不會出現(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)計考慮因素，但我們?nèi)詮娏医ㄗh在制作第一個貼片的原型之前，進行了熱有限元分析（FEA）以對瞬態(tài)進行驗證。本文沒有討論熱容和電容，因為在此應(yīng)用中，熱容和電容對性能的影響不大。但我們建議在設(shè)計階段也對熱容和電容進行分析。
圖11顯示了CBT器件的電原理圖，重點說明了如何在雙層聚酰亞胺剛?cè)峤Y(jié)合PCB板中實現(xiàn)電氣互連并減緩熱流的走線。
圖11.CBT貼片電原理圖。
保證機械結(jié)構(gòu)可靠性的布局設(shè)計考量
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械柔性以與人體前額貼合，但在幾個關(guān)鍵位置需要具備機械剛性。它們分別是：
九個SMT元件的連接點。
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，增強區(qū)域使用12毫英寸厚的聚酰亞胺。為了增強剛度，我們用金屬片對柔性觸片電路進行了加固。
CBT貼片原型會被制作成扁平的剛?cè)峤Y(jié)合組件，然后進行兩次靜態(tài)彎曲。如圖10所示，在最終組裝時，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械應(yīng)力的交錯的磚形圖樣增強件。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。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)計技術(shù)。
圖13.交錯的磚形圖樣的柔性觸片增強件。
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）以及預(yù)制件的安裝。
制造注意事項和指南
為了設(shè)計出穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，去哦們建議設(shè)計人員與PCB組裝廠密切合作。在制造首個器件之前，應(yīng)審查所有電氣、熱和機械方面的設(shè)計細節(jié)。在許多情況下，廠家都有替代材料和/或技術(shù)，可用于改進設(shè)計。
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重大難題。我們最初使用標準回流焊料，結(jié)果導致了PCB的分層（見圖14）。作為絕緣體，氣穴會影響通過剛?cè)峤Y(jié)合PCB的熱流量，這對于熱設(shè)計尤其不利。我們最終通過使用替代的低溫共晶焊料緩解了這一問題。為了達到可接受的良率，必須對回流焊曲線進行多次微調(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)計方面的注意事項，旨在幫助應(yīng)對高精度熱流量應(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)計技術(shù)，適當平衡熱、電、機械之間的性能，就能做出成功的設(shè)計。
（作者：Marc Smith，健康和醫(yī)療生物傳感應(yīng)用的首席工程師，來源：ADI公司）
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