可穿戴体温监测成新宠 温度传感器是关键要素

2022年9月8日凌晨的“超前瞻”（Far Out）发布会上，苹果正式发布了Apple iPhone 14系列，而惊喜并不止于iPhone 14，搭载体温传感器的Apple Watch Series 8手表新品也如约呈现，令人眼前一亮。

以Apple Watch为代表主打智能助理、健康、安全和运动等多功能定位的智能手表等可穿戴设备再度引起风潮。值得注意的是，此次Apple Watch Series 8手表在更新升级中加入了全新的体温传感器，进一步满足了后疫情时代消费者对自身健康实时关注的需求。

搭载温度传感器的可穿戴设备可以为消费者带来不一样功能体验——实时守护人们健康每一刻，我们来看看温度传感器在可穿戴设备中将发挥哪些作用，又是如何实现的？

▎体温测量是健康管理重要维度

说起体温测量，其主要的日常用途还是获取体温数据，便于使用者自我观察健康状况，在必要时共享给医院或私人医生，作为判断健康状况和进一步治疗的有用指标。

基础体温测量更是女性健康必需，例如Apple Watch Series 8可以对体温进行温度阈值监控，即通过内置传感器和温度比对实现对人体温度的监测。比如通过体温传感器监测女性生理周期的温度变化，从而更准确地了解自己的排卵期，或通过体温监测实现对睡眠质量的监测。

重要的是，对体温测量的需求远不止于女性。疫情的波动反复，使体温测量成为了健康监测管理和多维预防的重要手段。人们可以通过具有体温测量功能的可穿戴设备随时随地了解自身健康状况，实现自我防护。

▎如何应对可穿戴类设备测温应用的挑战？

可穿戴类设备测温应用经常会遇到一些挑战，对测温传感器提出了更高的要求。

首先，影响测温精度的因素很多，特别是环境温度。以纳芯微温度传感器的NST112x为例，其高精测温区间误差典型值为0.1℃，主要是偏移误差；但这并不是不确定度误差，不确定度（复测跳动）为1个LSB（最低有效位），为±0.015625℃。而准确测量温度精度需要精准的温度环境，一般使用恒温槽进行测量。

第二是误差的标定，可用标定方案有多种，目前纳芯微提供的解决方案，温度误差典型值为0.1℃，推荐客户做一次单点标定，使其精度达到0.1℃以内（医用体温计规范37-39℃范围内＜0.1℃，35-42℃范围内＜0.2℃）。

当然，可穿戴类设备的使用中也要注意影响测温精度的其他一些因素，例如，设备的温度传感器需要与待测热源紧密耦合，以保证最优的热传导路径；温度传感器还应远离其他热源，并尽量缩短工作时间，降低其自发热。

在测量准确度方面，手腕测温与腋下测温存在温差，主要适用于连续体温监测，特别是监测变化量，测量绝对值需要用户进行标定。另外，对温度准确度要求较高客户，推荐使用2颗温度传感器分别测量环境温度和皮肤温度，通过补偿即可得出较为准确的体温值。

▎不是什么样的温度传感器都能用

手表可用空间非常有限，用在其中的温度传感器首先需要体积小，当然还要满足其他一些特殊要求，包括高精度、超低功耗、响应速度和使用方便。

纳芯微的接触式体温测量方案是采用高精度数字温度传感器NST112x-CWLR的解决方案。该方案具有温度响应速度快、测温时间短、低功耗、高精度、自发热小等特点，特别适合手表、手环类以及蓝牙体温贴等产品使用。

NST112x是一款低功耗高精度数字温度传感器。其可兼容I2C和SMBus接口具有可编程警报和SMBus重置功能，在单路总线上最多可支持4个器件。

在精度方面，无需校准即可在-20℃至125℃范围内实现高达±0.5℃的精度。由于是高线性度温度传感器，NST112x不需要重新组合计算或查表就可以导出温度。其14bit模数转换可提供高达0.015625℃的分辨率。

NST112x温度传感器正常工作温度范围为-40℃至125℃，使其适合在通信、计算机、消费类产品、环境、工业和仪表工作中运行。由于NST112x是一款极低功耗的传感器，可用于电池供电物联网的测温应用。

▎NST112x的特点和典型应用

以下是NST112x系列的特点：

采样速率4Hz，平均功耗典型值仅为5.7μA

提供SOT-563和DSBGA-4（0.75mm×0.75mm）两种封装，其中DSBGA-4可实现体温范围内高达±0.1℃的输出精度

图1：纳芯微NST112x系列的DSBGA-4封装

采用SMT工艺，装配精度容差性强，适用于大规模量产

采用接触式测温热传导路径，芯片焊盘通过FPC过孔覆铜传导到背面，再通过不锈钢片接触皮肤

芯片背面（焊盘面）通过FPC贴合手腕，在室温23.5℃条件下，实测手腕温度为33.0℃，补偿后为36.48℃，与腋窝体温相符

图2：纳芯微温度传感器校准监测体温

温度达到63%的响应时间为0.1s，达到体温（99%）的时间为12.73s

▎接触式测温需要优化热传导路径

手表采用接触式测温作为热传导路径，根据傅立叶定律的热导率定义：

图3：傅立叶定律的热导率定义

因此，材料和路径是影响热传导的主要因素，除此之外，热隔离也是重要的因素。

图4：不同材料的导热系数

皮肤传导的导热路径有两条，一是皮肤→不锈钢→FPC柔板→温度传感器芯片；二是皮肤→温度传感器芯片焊盘→导热胶→裸DIE。

图5：皮肤→温度传感器芯片焊盘→导热胶→裸DIE的皮肤传导的导热路径

为了保证导热效果，建议使用金属导热材料接触皮肤，优选材料是不锈钢，而使用导热硅脂、硅胶并不能提高导热能力。

图6：纳芯微NST112x系列封装小，适用于可穿戴集成度高的电子产品

纳芯微其他的温度传感器产品型号还包括NST1001/HA、NST118、NST117系列，主要适用于包括智能眼镜/AI、智能手环/智能手表、蓝牙耳机TWS和蓝牙贴肤测温等应用。

图7：纳芯微温度传感器产品的应用

可穿戴手表搭载体温传感功能为消费者带来了更多的体验和选择。未来，体温传感器有可能成为多种便携式设备的标配，为人们的日常生活带来更多的便利，而纳芯微的丰富温度传感器产品也将派上更多用场。

编辑：黄飞