可穿戴溫度傳感器應用的剛柔結合電路設計方案

本文旨在幫助設計人員在設計高精度(±0.1°C)溫度檢測電路時(shí)識別和應對多個(gè)潛在問(wèn)題，以最近的CBT設計為例進(jìn)行說(shuō)明，涉及到熱、電氣和機械等方面，并對這些方面進(jìn)行了適當的權衡考量。這些考量將有助于設計人員：

了解如何識別與開(kāi)發(fā)高精度CBT檢測器件相關(guān)的設計挑戰、權衡考量和應對技術(shù)

了解如何為遠程患者監護應用設計性能可靠的剛柔結合印刷電路板。

將設計指南運用到熱流量和機械結構中。

剛柔結合PCB制造中

CBT器件設計概述

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(gè)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(kāi)，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(gè)溫度傳感器位于PCB的中心，兩個(gè)溫度傳感器位于PCB的中部和邊緣，第四個(gè)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；(d)柔性CBT貼片的側視圖。

CBT貼片用于在術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后環(huán)境中監測患者體溫。這類(lèi)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(chēng)為體溫過(guò)低，高于38°C的情況稱(chēng)為體溫過(guò)高。這兩種情況都很?chē)乐?，因此需要在手術(shù)的各個(gè)階段對核心體溫進(jìn)行監測。

關(guān)于熱流量的布局設計考慮因素

CBT貼片產(chǎn)品旨在使用兩個(gè)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(gè)溫度傳感器則有助于計算橫向的熱損失。將溫度傳感器的數據與導電栓塞和絕緣外殼的熱模型相結合，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柔結合PCB需要：

集成高精度的溫度傳感器。

溫度傳感器的功耗應足夠低，不會(huì )對相關(guān)熱系統產(chǎn)生不利影響。

具有足夠粗的用于信號傳輸的PCB走線(xiàn)。

信號走線(xiàn)的尺寸應能夠充分減少來(lái)自（或到達）MAX30208溫度傳感器的熱流量，從而避免對熱系統造成不利影響。

信號走線(xiàn)的尺寸應盡量減少從PCB走線(xiàn)到導電栓塞區域的熱輻射（即I2R損耗）。

圖2. 主要溫度檢測路徑（未按比例繪制）。

通過(guò)采用合適的導熱/絕緣材料并設計其物理結構，就可以準確估計前額的CBT。結合高精度低功耗溫度傳感器（如MAX30208）就能實(shí)現成功的產(chǎn)品設計。然而，電子器件的PCB走線(xiàn)等電氣連接也會(huì )導熱——這是我們不希望出現的情況！

圖3顯示了相關(guān)的熱流路徑。我們希望將PCB走線(xiàn)的熱阻設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(jiǎn)化熱原理圖。

由于熱和電都是通過(guò)電子的運動(dòng)來(lái)傳輸的，因此二者密切相關(guān)。根據威德曼-弗朗茨定律，相同溫度下不同金屬的熱導率與電導率之比約為常數。換句話(huà)說(shuō)，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(jiàn)金屬即可。

雖然信號和電源的走線(xiàn)采用了市售金屬，但在其于剛柔結合PCB互連時(shí)仍需要對熱電設計進(jìn)行權衡。電阻和熱阻的公式如圖4所示。剛柔結合PCB的走線(xiàn)越細、越長(cháng)，熱阻就越大。因此，可以將走線(xiàn)變細、變長(cháng)，從而使其熱阻大于導電栓塞，以充分減少CBT系統的熱泄漏（即誤差）。遺憾的是，走線(xiàn)的電阻也會(huì )相應增加。這會(huì )帶來(lái)一些不利影響，如電源走線(xiàn)電壓下降、PCB走線(xiàn)溫升、以及I2C通信線(xiàn)路的RC時(shí)間常數增加。

圖4. PCB走線(xiàn)的電導率和熱導率。

在考慮PCB走線(xiàn)的熱阻之前，我們應首先評估導電栓塞的熱行為以確立設計基準。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(xiàn)的熱阻時(shí)，我們需要考慮幾個(gè)問(wèn)題：

需要根據溫度傳感器（如MAX30208）的功率要求設計PCB走線(xiàn)尺寸，以盡量減少從走線(xiàn)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(xiàn)是否有潛在的熱輻射。走線(xiàn)越小，I2R損耗就越大。

對于給定的橫截面積，PCB走線(xiàn)的總長(cháng)度應足以確保與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量級內，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（將在下一節討論）。

圖6. 常見(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)的所有計算中，均假定PCB走線(xiàn)只由銅芯構成。

圖7. MAX30208溫度傳感器PCB電源和信號走線(xiàn)。

每條PCB走線(xiàn)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(xiàn)寬度來(lái)增加熱阻，但PCB廠(chǎng)家對最小走線(xiàn)寬度有限制。例如，我們最初想要2.5毫英寸的走線(xiàn)寬度，但最終采用了廠(chǎng)家建議的3毫英寸的走線(xiàn)寬度。

此外，由于每個(gè)MAX30208溫度器件都需要四條尺寸相等的PCB走線(xiàn)（圖7），即四條熱路徑并行，因此，整體PCB走線(xiàn)的熱阻還降低了四倍，即：

圖8顯示了四個(gè)溫度傳感器到接插件CN1的PCB走線(xiàn)的近似熱阻。

圖8. PCB走線(xiàn)熱阻的估計值。

圖9. CBT貼片與接口板的連接。

根據圖8所示，熱阻最低的PCB走線(xiàn)（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倍的設計目標。此外，從接插件CN1到MAX30208EVSYS 接口板的延長(cháng)線(xiàn)也進(jìn)一步改善了這一性能。我們的原型系統使用了200毫米（7.9英寸）長(cháng)的28 AWG 導線(xiàn)，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部的熱傳導，但我們仍需考慮接口板產(chǎn)生的熱量。如果該熱量足夠大，它會(huì )傳導回CBT貼片造成誤差。我們的評估系統采用的溫度傳感器功耗極低，因此這不會(huì )構成問(wèn)題。

減少電氣系統的熱誤差

談到電氣系統，我們將關(guān)注兩個(gè)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(xiàn)產(chǎn)生的熱量（如熱輻射）。這兩種熱源都會(huì )向CBT貼片輸入（或輸出）熱量，從而對系統的熱性能產(chǎn)生不利影響。圖10顯示了MAX30208電路設計的原理示意圖。

圖10. MAX30208功能圖。

之所以選擇MAX30208（精度為±0.1°C，I2C）數字溫度傳感器，是因為它精度高、功耗低。CBT貼片電氣系統由MCU接口板上的1.8 V穩壓直流電源供電。I2C上拉電阻是一個(gè)重要的熱量來(lái)源，位于MCU板上，不在CBT貼片剛柔結合PCB上。

表1列出了各輸入/輸出引腳在37°C條件下工作時(shí)的電流和電壓規格。這些值是根據MAX30208數據手冊中電氣參數表和相關(guān)TOC數據推算出來(lái)的。

大部分功耗來(lái)自于I2C 信號線(xiàn)和電源，連續工作狀態(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，這不僅有助于數據管理，還能降低總體功耗，進(jìn)而有助于減少MAX30208器件本身及信號和電源走線(xiàn)的散熱。

當積分周期為15毫秒、采樣速率為1 Hz時(shí)，MAX30208的平均功耗約為

雖然數據手冊中通常會(huì )提供封裝熱阻，但設計人員在使用封裝熱阻估算熱流量時(shí)必須謹慎。這是因為θjA（結至環(huán)境熱阻）和θjC（結至外殼熱阻）均是根據JEDEC環(huán)境進(jìn)行評估的，這可能與實(shí)際應用有很大不同。它們通常是在競品器件之間作比較時(shí)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(lái)推測結溫，特別對于本應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(shí)現，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:

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。

注：在需要對芯片溫度精準測量時(shí)并非總能作出如此假設。一種可用的技術(shù)是使用IC輸入/輸出線(xiàn)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(lái)，我們考慮導電芯區域PCB走線(xiàn)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(xiàn)的電阻公式（見(jiàn)圖4）和銅的電導率，我們可以計算出以下結果：

由于SCL和SDA信號線(xiàn)的最大電流為383 μApk，我們計算出單條PCB走線(xiàn)的熱輻射導致的誤差如下：

這對于本例的熱系統來(lái)說(shuō)可以忽略不計。對于實(shí)施周期性采樣的情況，誤差會(huì )比這要小?？傊?，由于MAX30208的自發(fā)熱和導電芯PCB走線(xiàn)熱輻射產(chǎn)生的熱誤差對系統影響不大。

同時(shí)，線(xiàn)路壓降也在可接受范圍內。線(xiàn)路的最大長(cháng)度為88毫米（TS4至CN1），再加上連接MAX3020x接口板的200毫米28 AWG線(xiàn)（直徑為0.32毫米）。使用電阻的計算公式，可計算出以下結果：

VDD的最大電流為67 μA，因此線(xiàn)路的壓降如下：

該壓降足夠小，不會(huì )出現電源抑制問(wèn)題。

以上是在CBT貼片中使用的剛柔結合PCB的主要散熱和電氣設計考慮因素，但我們仍強烈建議在制作第一個(gè)貼片的原型之前，進(jìn)行了熱有限元分析（FEA）以對瞬態(tài)進(jìn)行驗證。本文沒(méi)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。但我們建議在設計階段也對熱容和電容進(jìn)行分析。

圖11顯示了CBT器件的電原理圖，重點(diǎn)說(shuō)明了如何在雙層聚酰亞胺剛柔結合PCB板中實(shí)現電氣互連并減緩熱流的走線(xiàn)。

圖11. CBT貼片電原理圖。

保證機械結構可靠性的布局設計考量

剛柔結合電路采用傳統剛性PCB和柔性PCB的混合結構。雖然這種電路具有機械柔性以與人體前額貼合，但在幾個(gè)關(guān)鍵位置需要具備機械剛性。它們分別是：

九個(gè)SMT元件的連接點(diǎn)。

從圓形電路區域延伸至溫度傳感器(TS4)的電路觸片。

從圓形電路區域延伸至接插件(CN1)的電路觸片。

剛性-柔性電路的邊界。

可穿戴溫度傳感器應用的剛柔結合電路設計考慮因素SMT元器件通常使用回流焊進(jìn)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(diǎn)的完整性。由于柔性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(cháng)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貼片的柔性區域使用4毫英寸厚的聚酰亞胺，增強區域使用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(jìn)行了加固。

CBT貼片原型會(huì )被制作成扁平的剛柔結合組件，然后進(jìn)行兩次靜態(tài)彎曲。如圖10所示，在最終組裝時(shí)，從圓形電路區域延伸到TS4溫度傳感器的電路觸片需要進(jìn)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柔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插件(CN1)的電路觸片也采用了這種設計技術(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（例如造成應力集中點(diǎn)）以及預制件的安裝。

制造注意事項和指南

為了設計出穩定可靠的產(chǎn)品，去哦們建議設計人員與PCB組裝廠(chǎng)密切合作。在制造首個(gè)器件之前，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(chǎng)家都有替代材料和/或技術(shù)，可用于改進(jìn)設計。

在開(kāi)發(fā)CBT貼片的剛柔結合PCB的組裝工藝的過(guò)程中，必須克服使用回流焊材料以及回流焊曲線(xiàn)造成的幾個(gè)重大難題。我們最初使用標準回流焊料，結果導致了PCB的分層（見(jiàn)圖14）。作為絕緣體，氣穴會(huì )影響通過(guò)剛柔結合PCB的熱流量，這對于熱設計尤其不利。我們最終通過(guò)使用替代的低溫共晶焊料緩解了這一問(wèn)題。為了達到可接受的良率，必須對回流焊曲線(xiàn)進(jìn)行多次微調。

圖14. CBT貼片的剛柔結合PCB分層。

結論

本文討論了設計方面的注意事項，旨在幫助應對高精度熱流量應用的技術(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(lái)滿(mǎn)足核心體溫貼片的性能要求。只要選擇合適的元件并應用良好的設計技術(shù)，適當平衡熱、電、機械之間的性能，就能做出成功的設計。

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審核編輯：劉清