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基于納芯微NST112X的測溫手環(huán)
2023-01-31
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2022年可以說是溫度傳感器開始獲得高度關(guān)注的一年。業(yè)界巨頭蘋果，三星都分別發(fā)布了配備溫度傳感器的新一代智能手表。目前的微型溫度傳感器無論是從功耗，體積還是性能方面，都已經(jīng)可以滿足智能穿戴產(chǎn)品的需求。而且隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，溫度傳感器將在個人健康醫(yī)療，智能家居等方面迎來需求上的大爆發(fā)。
本期元器件評測，我們從市場上幾款溫度傳感器中選則了一款超小的溫度傳感器：納芯微電子生產(chǎn)的NST112X。我們會對它的性能，參考設(shè)計做一個介紹，并提供我們基于參考設(shè)計制作的一個溫度測試模塊的測評和總結(jié)。
值得一提的是，在小米最新款Xiaomi Watch S2手表上，也已配備了2顆納芯微的溫度傳感器。
圖：小米手表
1
產(chǎn)品特點：
先來看一下納芯微的NST112X溫度傳感器到底有多迷你：外形尺寸在BGA的封裝下只有的0.75*0.75mm。這是NST112X和一元硬幣放在一起的對比圖，可以說是幾乎小到看不見。
是不是大大突破了以往你對溫度傳感器尺寸的印象呢？
圖：納芯微NST112X與1元硬幣對比圖
NST112X性能和參數(shù)：
從芯片的數(shù)據(jù)手冊中我們可以看出，在采用WLCSP封裝的情況下，在最常用的25到45度的溫度測量區(qū)間內(nèi)，它的典型測試誤差只有正負(fù)0.1度。NST112X的測溫范圍為：-40 到85度。在整個測溫范圍內(nèi)，最大測量誤差不超過1度。
2
優(yōu)勢&局限：
優(yōu)勢：
NST112X支持總線上掛多達(dá)4個NST112測溫IC，可以提供集成化的多點測量，其優(yōu)勢包括：
? 集成度高：幾乎不需要額外的電路
? 高線性度：可減少軟件線性化工作量精度高
? 精度高：可達(dá)±0.1℃，幾乎沒有漂移低功耗
? 低功耗：4種測溫技術(shù)中功耗最低成本低
? 成本低：芯片成本、方案成本相對較低
這是NST112X的典型應(yīng)用電路：
圖6：NST112X的典型應(yīng)用電路
可以看到，電路非常簡單，不再需要高精度電阻，也不需要MCU做模數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣工作。只需要MCU提供I2C總線或者利用GPIO管腳來接收數(shù)字化的溫度信息即可。
局限：
BGA封裝過小，焊接一般需要借助顯微鏡，焊接難度較大。
3
設(shè)計體驗：
我們基于智能穿戴的應(yīng)用場景，設(shè)計了一款嵌入了NST112x的測溫手環(huán)，來評估一下它體表溫度測量方面的性能。
在手環(huán)中我們設(shè)計了4顆傳感器位置，為了簡化設(shè)計將傳感器的接口引出到一個連接器，通過外接帶藍(lán)牙的處理模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。在手環(huán)的外形設(shè)計中，我們利用FPC本身的結(jié)構(gòu)做成了一個表帶。為了方便穿戴在一側(cè)做了一排開孔，在另一側(cè)做了尖扣。當(dāng)然，在實際的穿脫體驗上仍待改進(jìn)。
表盤部分正常敷銅，表帶部分采用網(wǎng)格敷銅，芯片位置不敷銅保證溫度不會快速耗散。
圖：NST112x的測溫手環(huán)實物圖
手環(huán)的電路圖、PCB圖等已附在電子森林測評頁面中，可點擊閱讀原文獲取。
NST112x測溫手環(huán)使用KiCad設(shè)計完成，KiCad是一款免費、開源、企業(yè)級應(yīng)用的PCB設(shè)計工具，有豐富的開源庫和案例。未來KiCad也將被越來越多的企業(yè)使用，初學(xué)者建議可以選擇它作為PCB設(shè)計工具，在電子森林有很多相關(guān)的介紹和課程方便學(xué)習(xí)。下圖為使用KiCad軟件設(shè)計NST112x測溫手環(huán)的界面截圖。
圖：使用KiCad設(shè)計的NST112x測溫手環(huán)
下面我們進(jìn)入NST112x測溫手環(huán)的測試環(huán)節(jié)，來看看這款溫度傳感器IC在響應(yīng)速度、分辨率、功耗、一致性等方面的表現(xiàn)。
實驗1：響應(yīng)速度測試
室溫25度，將NST112x測溫手環(huán)放入有一定溫度的礦物油（或水）中，采集溫度變化曲線。將手環(huán)浸入礦物油中，我們可以看到溫度迅速上升到了45度，響應(yīng)速度是非常快的。
圖：NST112x測溫手環(huán)的響應(yīng)速度測試1
將手環(huán)從礦物油中取出，由于手環(huán)表面還有礦物油附著，可以看到溫度并沒有迅速往下降。
圖：NST112x測溫手環(huán)的響應(yīng)速度測試2
實驗2：多從機(jī)一致性驗證：在總線上掛多個傳感器，同時采集溫度
圖：在總線上掛多個NST112x傳感器，同時采集溫度
實驗3：工作功耗驗證
我們使用一個高精度的電流表來測量一下它的工作電流，在FPC軟板上串接一個電流表測試，工作狀態(tài)下，測量平均電流。
傳感器設(shè)置為工作和休眠交替，采樣時間設(shè)置為0.02s，可以看到2個芯片在同時工作時電流在40uA左右。
圖：2顆NST112x傳感器同時工作的電流
實驗4：休眠"低功耗"特性
與實驗3的環(huán)境相同，傳感器設(shè)置為工作和休眠交替，采樣時間設(shè)置為0.02s，可以看到不工作時2個芯片電流在0.8uA左右。
圖：2顆NST112x傳感器同時不工作的電流
實驗5：高分辨率特性驗證
此項驗證的是高分辨率模式下長時間采集的噪聲情況，我們將測溫手環(huán)放到盒子里進(jìn)行長時間測量，可以看到溫度曲線比較平穩(wěn)，中間有波動是因為打開了空調(diào)和過了一會打開了屋門。
圖：NST112x的測溫手環(huán)溫度時間序列曲線
設(shè)計要點：
以上測試實驗均使用我們制作的評估板完成，我們再來看一下這顆IC官方的設(shè)計建議。
在智能穿戴產(chǎn)品的設(shè)計中，Layout以及熱設(shè)計都是重點：建議合理運用鏤空和芯片周邊覆銅設(shè)計，這樣有助于控制傳熱效率和隔熱效果。我們的目標(biāo)是利用測溫傳感器精確測量腕部皮膚溫度，同時隔絕其他發(fā)熱源。那么在測溫傳感器周圍不鋪銅，可以有效降低傳熱和測溫部分的熱容。
圖：在NST112x官方設(shè)計指導(dǎo)下畫的PCB和3D效果圖
這張圖顯示了溫度從手腕皮膚傳導(dǎo)至傳感器芯片的熱傳導(dǎo)路徑：
圖：溫度從手腕皮膚傳導(dǎo)至傳感器芯片的熱傳導(dǎo)路徑
一般建議選用導(dǎo)熱系數(shù)高，材質(zhì)堅固的不銹鋼或藍(lán)寶石作為智能穿戴設(shè)備的外殼，考慮到絕緣因素，可以用導(dǎo)熱硅膠等材料將其與傳感器隔開。隔熱墊片的作用是為了隔離其他發(fā)熱源對測量的影響。
封裝方面：NST112x 采用 DSBGA 封裝，適用于工業(yè)和消費市場中的對結(jié)構(gòu)集成有嚴(yán)苛要求的產(chǎn)品，如智能手表、IoT 節(jié)點傳感器、藍(lán)牙體溫貼等。
選型方面：NST112x和同類芯片的一個對比如下
可以看到，無論是溫度范圍，工作電壓，測量精度和分辨率，以及功耗方面，它都具備了國外同類產(chǎn)品的性能和參數(shù)，提供了高精度，高性價比的解決方案。
當(dāng)然，除了NST112x，納芯微還提供一系列不同參數(shù)和封裝的溫度傳感器，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。
圖：納芯微不同參數(shù)和封裝的溫度傳感器介紹
以上就是本期NST112x溫度傳感器的全部介紹，可以看到這顆國產(chǎn)IC在參數(shù)性能上已經(jīng)能完全達(dá)到國外的相同水平，在設(shè)計可穿戴類產(chǎn)品的時候，這類芯片都是非常合適的選擇。
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