2022年9月8日凌晨的“超前瞻”（Far Out）發(fā)布會上，蘋果正式發(fā)布了Apple iPhone 14系列，而驚喜并不止于iPhone 14，搭載體溫傳感器的Apple Watch Series 8手表新品也如約呈現(xiàn)，令人眼前一亮。
以Apple Watch為代表主打智能助理、健康、安全和運動等多功能定位的智能手表等可穿戴設(shè)備再度引起風潮。值得注意的是，此次Apple Watch Series 8手表在更新升級中加入了全新的體溫傳感器，進一步滿足了后疫情時代消費者對自身健康實時關(guān)注的需求。
搭載溫度傳感器的可穿戴設(shè)備可以為消費者帶來不一樣功能體驗——實時守護人們健康每一刻，我們來看看溫度傳感器在可穿戴設(shè)備中將發(fā)揮哪些作用，又是如何實現(xiàn)的？
體溫測量是健康管理重要維度
說起體溫測量，其主要的日常用途還是獲取體溫數(shù)據(jù)，便于使用者自我觀察健康狀況，在必要時共享給醫(yī)院或私人醫(yī)生，作為判斷健康狀況和進一步治療的有用指標。
基礎(chǔ)體溫測量更是女性健康必需，例如Apple Watch Series 8可以對體溫進行溫度閾值監(jiān)控，即通過內(nèi)置傳感器和溫度比對實現(xiàn)對人體溫度的監(jiān)測。比如通過體溫傳感器監(jiān)測女性生理周期的溫度變化，從而更準確地了解自己的排卵期，或通過體溫監(jiān)測實現(xiàn)對睡眠質(zhì)量的監(jiān)測。
重要的是，對體溫測量的需求遠不止于女性。疫情的波動反復，使體溫測量成為了健康監(jiān)測管理和多維預防的重要手段。人們可以通過具有體溫測量功能的可穿戴設(shè)備隨時隨地了解自身健康狀況，實現(xiàn)自我防護。
如何應對可穿戴類設(shè)備測溫應用的挑戰(zhàn)？
可穿戴類設(shè)備測溫應用經(jīng)常會遇到一些挑戰(zhàn)，對測溫傳感器提出了更高的要求。
首先，影響測溫精度的因素很多，特別是環(huán)境溫度。以納芯微溫度傳感器的NST112x為例，其高精測溫區(qū)間誤差典型值為0.1℃，主要是偏移誤差；但這并不是不確定度誤差，不確定度（復測跳動）為1個LSB（最低有效位），為±0.015625℃。而準確測量溫度精度需要精準的溫度環(huán)境，一般使用恒溫槽進行測量。
第二是誤差的標定，可用標定方案有多種，目前納芯微提供的解決方案，溫度誤差典型值為0.1℃，推薦客戶做一次單點標定，使其精度達到0.1℃以內(nèi)（醫(yī)用體溫計規(guī)范37-39℃范圍內(nèi)＜0.1℃，35-42℃范圍內(nèi)＜0.2℃）。
當然，可穿戴類設(shè)備的使用中也要注意影響測溫精度的其他一些因素，例如，設(shè)備的溫度傳感器需要與待測熱源緊密耦合，以保證最優(yōu)的熱傳導路徑；溫度傳感器還應遠離其他熱源，并盡量縮短工作時間，降低其自發(fā)熱。
在測量準確度方面，手腕測溫與腋下測溫存在溫差，主要適用于連續(xù)體溫監(jiān)測，特別是監(jiān)測變化量，測量絕對值需要用戶進行標定。另外，對溫度準確度要求較高客戶，推薦使用2顆溫度傳感器分別測量環(huán)境溫度和皮膚溫度，通過補償即可得出較為準確的體溫值。
不是什么樣的溫度傳感器都能用
手表可用空間非常有限，用在其中的溫度傳感器首先需要體積小，當然還要滿足其他一些特殊要求，包括高精度、超低功耗、響應速度和使用方便。
納芯微的接觸式體溫測量方案是采用高精度數(shù)字溫度傳感器NST112x-CWLR的解決方案。該方案具有溫度響應速度快、測溫時間短、低功耗、高精度、自發(fā)熱小等特點，特別適合手表、手環(huán)類以及藍牙體溫貼等產(chǎn)品使用。
NST112x是一款低功耗高精度數(shù)字溫度傳感器。其可兼容I2C和SMBus接口具有可編程警報和SMBus重置功能，在單路總線上最多可支持4個器件。
在精度方面，無需校準即可在-20℃至125℃范圍內(nèi)實現(xiàn)高達±0.5℃的精度。由于是高線性度溫度傳感器，NST112x不需要重新組合計算或查表就可以導出溫度。其14bit模數(shù)轉(zhuǎn)換可提供高達0.015625℃的分辨率。
NST112x溫度傳感器正常工作溫度范圍為-40℃至125℃，使其適合在通信、計算機、消費類產(chǎn)品、環(huán)境、工業(yè)和儀表工作中運行。由于NST112x是一款極低功耗的傳感器，可用于電池供電物聯(lián)網(wǎng)的測溫應用。
NST112x的特點和典型應用
以下是NST112x系列的特點：
· 采樣速率4Hz，平均功耗典型值僅為5.7μA
· 提供SOT-563和DSBGA-4（0.75mm×0.75mm）兩種封裝，其中DSBGA-4可實現(xiàn)體溫范圍內(nèi)高達±0.1℃的輸出精度
配圖1：納芯微NST112x系列的DSBGA-4封裝
· 采用SMT工藝，裝配精度容差性強，適用于大規(guī)模量產(chǎn)
· 采用接觸式測溫熱傳導路徑，芯片焊盤通過FPC過孔覆銅傳導到背面，再通過不銹鋼片接觸皮膚
· 芯片背面（焊盤面）通過FPC貼合手腕，在室溫23.5℃條件下，實測手腕溫度為33.0℃，補償后為36.48℃，與腋窩體溫相符
配圖2：納芯微溫度傳感器校準監(jiān)測體溫
· 溫度達到63%的響應時間為0.1s，達到體溫（99%）的時間為12.73s
接觸式測溫需要優(yōu)化熱傳導路徑
手表采用接觸式測溫作為熱傳導路徑，根據(jù)傅立葉定律的熱導率定義：
配圖3：傅立葉定律的熱導率定義
因此，材料和路徑是影響熱傳導的主要因素，除此之外，熱隔離也是重要的因素。
配圖4：不同材料的導熱系數(shù)
皮膚傳導的導熱路徑有兩條，一是皮膚→不銹鋼→FPC柔板→溫度傳感器芯片；二是皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導熱膠→裸DIE。
配圖5：皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導熱膠→裸DIE的皮膚傳導的導熱路徑
為了保證導熱效果，建議使用金屬導熱材料接觸皮膚，優(yōu)選材料是不銹鋼，而使用導熱硅脂、硅膠并不能提高導熱能力。
配圖6：納芯微NST112x系列封裝小，適用于可穿戴集成度高的電子產(chǎn)品
納芯微其他的溫度傳感器產(chǎn)品型號還包括NST1001/HA、NST118、NST117系列，主要適用于包括智能眼鏡/AI、智能手環(huán)/智能手表、藍牙耳機TWS和藍牙貼膚測溫等應用。
配圖7：納芯微溫度傳感器產(chǎn)品的應用
可穿戴手表搭載體溫傳感功能為消費者帶來了更多的體驗和選擇。未來，體溫傳感器有可能成為多種便攜式設(shè)備的標配，為人們的日常生活帶來更多的便利，而納芯微的豐富溫度傳感器產(chǎn)品也將派上更多用場。
