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基于纳芯微NST112X的测温手环

发布时间:2023-01-31作者来源:澳门新葡萄新京威尼斯987浏览:2777


2022年可以说是温度传感器开始获得高度关注的一年。业界巨头苹果,三星都分别发布了配备温度传感器的新一代智能手表。目前的微型温度传感器无论是从功耗,体积还是性能方面,都已经可以满足智能穿戴产品的需求。而且随着物联网的快速发展,温度传感器将在个人健康医疗,智能家居等方面迎来需求上的大爆发。


本期元器件评测,我们从市场上几款温度传感器中选则了一款超小的温度传感器:纳芯微电子生产的NST112X。我们会对它的性能,参考设计做一个介绍,并提供我们基于参考设计制作的一个温度测试模块的测评和总结。


值得一提的是,在小米[敏感词]款Xiaomi Watch S2手表上,也已配备了2颗纳芯微的温度传感器。 

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图:小米手表


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产品特点:

先来看一下纳芯微的NST112X温度传感器到底有多迷你:外形尺寸在BGA的封装下只有的0.75*0.75mm。这是NST112X和一元硬币放在一起的对比图,可以说是几乎小到看不见。


是不是大大突破了以往你对温度传感器尺寸的印象呢?

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图:纳芯微NST112X与1元硬币对比图


NST112X性能和参数:

从芯片的数据手册中我们可以看出,在采用WLCSP封装的情况下,在最常用的25到45度的温度测量区间内,它的典型测试误差只有正负0.1度。NST112X的测温范围为:-40 到85度。在整个测温范围内,[敏感词]测量误差不超过1度。


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图:纳芯微NST112X性能参数


2

优势&局限

优势:

NST112X支持总线上挂多达4个NST112测温IC,可以提供集成化的多点测量,其优势包括:

•  集成度高:几乎不需要额外的电路

•  高线性度:可减少软件线性化工作量精度高

•  精度高:可达±0.1℃,几乎没有漂移低功耗

•  低功耗:4种测温技术中功耗[敏感词]成本低

•  成本低:芯片成本、方案成本相对较低


这是NST112X的典型应用电路:

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图6:NST112X的典型应用电路


可以看到,电路非常简单,不再需要高精度电阻,也不需要MCU做模数转换和采样工作。只需要MCU提供I2C总线或者利用GPIO管脚来接收数字化的温度信息即可。


局限:

BGA封装过小,焊接一般需要借助显微镜,焊接难度较大。


3

设计体验:

我们基于智能穿戴的应用场景,设计了一款嵌入了NST112x的测温手环,来评估一下它体表温度测量方面的性能。


在手环中我们设计了4颗传感器位置,为了简化设计将传感器的接口引出到一个连接器,通过外接带蓝牙的处理模块来进行数据采集和发送。在手环的外形设计中,我们利用FPC本身的结构做成了一个表带。为了方便穿戴在一侧做了一排开孔,在另一侧做了尖扣。当然,在实际的穿脱体验上仍待改进。


表盘部分正常敷铜,表带部分采用网格敷铜,芯片位置不敷铜保证温度不会快速耗散。

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图:NST112x的测温手环实物图


手环的电路图、PCB图等已附在电子森林测评页面中,可点击阅读原文获取。


NST112x测温手环使用KiCad设计完成,KiCad是一款免费、开源、企业级应用的PCB设计工具,有丰富的开源库和案例。未来KiCad也将被越来越多的企业使用,初学者建议可以选择它作为PCB设计工具,在电子森林有很多相关的介绍和课程方便学习。下图为使用KiCad软件设计NST112x测温手环的界面截图。

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图:使用KiCad设计的NST112x测温手环


下面我们进入NST112x测温手环的测试环节,来看看这款温度传感器IC在响应速度、分辨率、功耗、一致性等方面的表现。


实验1:响应速度测试

室温25度,将NST112x测温手环放入有一定温度的矿物油(或水)中,采集温度变化曲线。将手环浸入矿物油中,我们可以看到温度迅速上升到了45度,响应速度是非常快的。

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图:NST112x测温手环的响应速度测试1


将手环从矿物油中取出,由于手环表面还有矿物油附着,可以看到温度并没有迅速往下降。

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图:NST112x测温手环的响应速度测试2


实验2:多从机一致性验证:在总线上挂多个传感器,同时采集温度

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图:在总线上挂多个NST112x传感器,同时采集温度

 

实验3:工作功耗验证

我们使用一个高精度的电流表来测量一下它的工作电流,在FPC软板上串接一个电流表测试,工作状态下,测量平均电流。


传感器设置为工作和休眠交替,采样时间设置为0.02s,可以看到2个芯片在同时工作时电流在40uA左右。

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图:2颗NST112x传感器同时工作的电流

 

实验4:休眠"低功耗"特性

与实验3的环境相同,传感器设置为工作和休眠交替,采样时间设置为0.02s,可以看到不工作时2个芯片电流在0.8uA左右。

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图:2颗NST112x传感器同时不工作的电流

 

实验5:高分辨率特性验证

此项验证的是高分辨率模式下长时间采集的噪声情况,我们将测温手环放到盒子里进行长时间测量,可以看到温度曲线比较平稳,中间有波动是因为打开了空调和过了一会打开了屋门。

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图:NST112x的测温手环温度时间序列曲线

 

设计要点:

以上测试实验均使用我们制作的评估板完成,我们再来看一下这颗IC官方的设计建议。


在智能穿戴产品的设计中,Layout以及热设计都是重点:建议合理运用镂空和芯片周边覆铜设计,这样有助于控制传热效率和隔热效果。我们的目标是利用测温传感器精确测量腕部皮肤温度,同时隔绝其他发热源。那么在测温传感器周围不铺铜,可以有效降低传热和测温部分的热容。

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图:在NST112x官方设计指导下画的PCB和3D效果图

 

这张图显示了温度从手腕皮肤传导至传感器芯片的热传导路径:

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图:温度从手腕皮肤传导至传感器芯片的热传导路径


一般建议选用导热系数高,材质坚固的不锈钢或蓝宝石作为智能穿戴设备的外壳,考虑到绝缘因素,可以用导热硅胶等材料将其与传感器隔开。隔热垫片的作用是为了隔离其他发热源对测量的影响。

 

封装方面:NST112x 采用 DSBGA 封装,适用于工业和消费市场中的对结构集成有严苛要求的产品,如智能手表、IoT 节点传感器、蓝牙体温贴等。


选型方面:NST112x和同类芯片的一个对比如下


可以看到,无论是温度范围,工作电压,测量精度和分辨率,以及功耗方面,它都具备了国外同类产品的性能和参数,提供了高精度,高性价比的解决方案。


当然,除了NST112x,纳芯微还提供一系列不同参数和封装的温度传感器,用户可以根据自己的需要进行选择。

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图:纳芯微不同参数和封装的温度传感器介绍

 

以上就是本期NST112x温度传感器的全部介绍,可以看到这颗国产IC在参数性能上已经能完全达到国外的相同水平,在设计可穿戴类产品的时候,这类芯片都是非常合适的选择。



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