2020年的春天,注定会成为这一代地球村村民记忆中难以忘记的一个时期。随着新冠病毒在全球范围内的肆虐,非接触式的额温枪/耳温枪的需求一下子被引爆。在二月初,由于供需缺口巨大,原本一把几十元的额温枪被炒到500到600元人民币的价格。巨大的利益也吸引了很多原本非医用额温枪和耳温枪的电子行业生产商快速参与进来,从而带动了额温枪内部元器件价格的暴涨。热电堆传感器,作为额温枪的核心器件,其价格也从不到10元人民币一路上涨至110元以上。额温枪相关产业,在这个特殊时期名副其实地成为暴利行业。

巨大的商业利益下,很多新进入这个市场的企业只进行了潦草地研发就开始生产和销售。这些良莠不齐的产品进入市场后,暴露了大量的应用上的问题。尤其是销往国外的很多产品,出现了很多不符合当地使用情况的问题,测温结果完全无法达到医用级要求精度,从而产生了被国外客户要求退货的情况。

如果我们把市场上各种不同的热点堆传感器的应用方案来整理一下,大致可以发现有这么几种典型类型,以下我们一一来做分析。

1 数字型输出的热电堆传感器 + 低成本低功耗处理器方案

这个方案以Melexis的MLX90614和MLX90615这样的数字输出传感器为代表。这两个芯片的FOV视角不同,分别适用于额温枪和耳温枪。这种传感器在出厂前已经做了预校准,方案商做基本配置和简单出厂校准就能直接从传感器中得到目标温度值和环境温度值。对方案商来讲,几乎不需要对传感器的特性和接口电路有深入理解,属于傻瓜式的应用。然而,其高昂的售价几乎让额温枪方案商感觉无利可图,而且由于产能问题导致市场上缺货严重。对于有设计能力的客户来讲,一般出于成本和产能的考虑,并不会将其作为主流方案。

2 采用高精度自稳零运放 + 低成本低功耗处理器方案

此方案原本并不是医用级额温枪和耳温枪的主流成熟方案,但在疫情开始时期,由于元器件缺货加上国内几个MCU方案商全力推进,该方案被很多新进入的客户所采用和量产。而目前,这种方案暴露问题最多。在这里,我们从热电堆传感器信号调理的需求入手,来分析一下该方案的问题。

下表是一个热电堆传感器典型输出电压。在环境温度为25°C时,对于人体的目标温度(35~42°C范围内),其传感器输出电压的绝对值在1mV上下。目标温度每变化0.1°C,输出电压变化量基本上在8uV上下。

为了使热电堆传感器输出可以被处理器内部的10位~12位单端输入ADC所分辨,就必须对这个原始信号进行充分放大。下图是采用分立运算放大器来进行信号放大并接口单端输入ADC的典型电路(原图摘自TE公司Application Note - “THERMOPILE SENSOR FOR CONTACTLESS TEMPERATURE”)。

这个电路有以下几个要求:

运放需要使用正向放大拓扑结构。原因是热电堆传感器本身内阻较高,所以需要传感器接口电路必须是高阻输入。而运放只有在正向放大电路的拓扑结构下(如使用仪表放大器,其输入级可看作两个正向放大运放)才能保证高阻输入。

需要偏置到大于0V的正电压。而对于热电堆传感器来讲,当测量目标温度小于环境温度时,其输出是小于零的负电压。这就需要把热电堆传感器的输出负偏置到一个大于零伏的正电压,才能保证热电堆的输出信号上的电压大于0V,并且可以被单极性供电的运放(正向放大拓扑)所接受。然而,由于处理器内部的ADC(尤其式低功耗+低成本的处理器),一般是单端输入,范围为0~VREF电压的SAR型ADC,所以偏置电压本身的稳定度就变得很重要。

运放自身的偏置(Offset)要很小,其全环境温度测量范围内的偏置温漂需要

(聊城荣恒医疗器械有限公司)