【導讀】NST112x是一款工作電壓範圍在1.5V至3.6V的低功耗數字溫度傳感器。片上集成了14位模數轉換器（ADC）提供低至0.015625℃的分辨率。該傳感器規定的工作溫度範圍為-40℃至125℃。其通過靈活的兩線I2C接口與主機進行通信
，該接口與SMBus兼容
，並支持4個設備地址。該傳感器在高精測溫範圍（25℃~45℃）內的典型精度為0.1°C
，高度線性，不需要複雜的計算或查找表來獲得溫度。

1. 概述

NST112x是一款工作電壓範圍在1.5V至3.6V的低功耗數字溫度傳感器。片上集成了14位模數轉換器（ADC）提供低至0.015625℃的分辨率。該傳感器規定的工作溫度範圍為-40℃至125℃。其通過靈活的兩線I2C接口與主機進行通信
，該接口與SMBus兼容，並支持4個設備地址。該傳感器在高精測溫範圍（25℃~45℃）內的典型精度為0.1°C

，高度線性，不需要複雜的計算或查找表來獲得溫度。

NST112x采用DABGA封裝，使其適用於工業和消費市場中的對結構集成有嚴苛要求的產品，如智能手表、IoT節點傳感器、藍牙體溫貼等。

圖1.NST112x溫度傳感器應用場景

納芯微提供高精度數字溫度傳感器NST112x-CWLR的接觸式測溫解決方案，其特點明確
，優勢突出：

- 該方案具有溫度響應時間快、低功耗、測溫時間短
、高精度
、自發熱小等特點

- 4Hz采樣速率下平均功耗典型值僅5.7μA

- 封裝采用晶圓級芯片尺寸封裝(DSBGA 0.75mmX0.75mm)

- 適用於SMT工藝生產，裝配精度容差性強，適用於批量大規模量產

- 溫度達到63%的響應時間為0.1s，達到體溫（99%）的時間為12.73s

2. 硬件設計參考及說明

2.1 應用框圖

最多支持在I2C總線上掛載4顆NST112x-CWLR
，其A/B/C/D四個版本具備不同的I2C設備地址
，在同一產品中支持多點測溫，為產品溫度檢測算法提供多變量輸入。典型應用電路如圖2所示。

圖2.NST112x-CWLR典型應用電路圖

2.2 芯片引腳說明

NST112x-CWLR芯片引腳說明如表1所示。

圖3.NST112x-CWLR引腳定義圖（Top View）

表1.芯片引腳定義及功能說明

圖4. NST112x-CWLR封裝對比圖

3.  可穿戴應用中NST112x-CWLR設計指導

隨著健康監測類可穿戴迅速發展，在監測血氧

、心(xin)率(lv)等(deng)生(sheng)理(li)參(can)數(shu)功(gong)能(neng)逐(zhu)漸(jian)應(ying)用(yong)完(wan)善(shan)之(zhi)後(hou)，極(ji)大(da)地(di)滿(man)足(zu)了(le)用(yong)戶(hu)交(jiao)互(hu)的(de)需(xu)求(qiu)。隨(sui)著(zhe)各(ge)主(zhu)流(liu)品(pin)牌(pai)智(zhi)能(neng)手(shou)表(biao)產(chan)品(pin)增(zeng)加(jia)體(ti)溫(wen)監(jian)測(ce)功(gong)能(neng)
，體(ti)溫(wen)監(jian)測(ce)功(gong)能(neng)成(cheng)為(wei)智(zhi)能(neng)手(shou)表(biao)的(de)標(biao)配(pei)需(xu)求(qiu)。

人體溫度分為體核溫度和體表溫度。生理學上所說的體溫是指機體體核溫度的平均值。人體體核溫度不易測量
，臨床上常通過測量腋窩、口腔等的溫度來代表人體體溫。相關研究表明，人體處於安靜狀態時，體表溫度分布大致表現為額麵部、腋窩
、頸jing前qian和he項xiang部bu最zui高gao，其qi次ci為wei軀qu幹gan部bu，到dao四si肢zhi逐zhu漸jian下xia降jiang，手shou掌zhang手shou背bei最zui低di。相xiang比bi於yu體ti核he溫wen度du
，體ti表biao溫wen度du更geng容rong易yi受shou外wai界jie環huan境jing因yin素su的de影ying響xiang且qie更geng不bu穩wen定ding。腕wan部bu溫wen度du屬shu於yu體ti表biao溫wen度du，具ju有you易yi於yu觀guan察cha和he測ce量liang的de優you點dian，但dan在zai醫yi學xue上shang也ye有you采cai信xin度du不bu高gao的de缺que陷xian。

研究表明影響皮膚溫度的因素主要有環境溫度、風速、相對濕度等。因此以腕部體表溫度測量為基礎，設計並實現的一種可穿戴體溫監測設備涉及以下幾個問題：

首先
，從檢測精度的角度著手，需要重點考慮腕部體表溫度與以腋下溫度為基準的體溫間的補償方案；

其次，從檢測的熱平衡角度考量
，可穿戴設備的結構堆疊和材料選擇需要重點考慮
；

最後
，從持續監測的計算效率及檢測可視化的角度切入，需要設計高效的體溫數據處理方案。

3.1 高階算法推薦

根據學術界研究，人體組織與外界的傳熱主要通過：水shui份fen蒸zheng發fa，熱re對dui流liu，熱re輻fu射she，熱re傳chuan導dao，組zu織zhi血xue液ye熱re傳chuan導dao，血xue液ye流liu動dong傳chuan導dao，代dai謝xie發fa熱re
，由you此ci建jian立li了le體ti核he溫wen度du與yu體ti各ge部bu位wei溫wen度du的de模mo型xing。其qi中zhong腕wan部bu溫wen度du與yu體ti核he溫wen度du也ye存cun在zai關guan係xi。通tong過guo測ce量liang腕wan部bu溫wen度du來lai檢jian測ce體ti核he溫wen度du在zai可ke穿chuan戴dai應ying用yong中zhong逐zhu漸jian成cheng熟shu。

在靜止環境下環境溫度對皮膚溫度的影響最為顯著，其次依次為服裝熱阻、風速等,lingwaichuandaidesongjinchengduyeyingxiangdaochuanre。erjutidaowanbutibiaowendushi，youyuyibanqingkuangxiawanbuluolu，kehulve
，youyishineijianceqingkuangjuduo，yikehulvefengsudengyinsu。youci，yiwanbutibiaowenduweijichutuidaotihewendudejianhuaqingkuang，shijianliqiwanbutibiaowendu、環境溫度、體核溫度三者間的補償關係。

圖5.體表溫度、環境溫度、體核溫度三者補償關係圖

由於腕部測溫受上述的較多因素影響
，客戶在具體實施測溫算法時應該考慮通過其他的手段來避免多餘的幹擾影響測試結果。例如：shifoupeidai

，bingzaiceliangyingyongzhongtixingyonghupeidaisongjinchengdu，zaixiangduipingjingdeshineihuanjingxiadengdaizugouchangshijian。errentizaiyundongshi，tibiaowendubianhuajiaoda。yutihedeguanxiyingxiangyinsugengduo，muqiandeyanjiuhaibuchengshu，yincibensuanfadeyingyongchangjingcunzaiyidingdejuxianxing。

納芯微在可穿戴設備的結構上部署了兩顆NST112x芯xin片pian其qi中zhong一yi顆ke用yong於yu測ce試shi環huan境jing溫wen度du，一yi顆ke通tong過guo傳chuan導dao測ce量liang手shou腕wan溫wen度du。並bing且qie根gen據ju一yi係xi列lie的de實shi驗yan
，獲huo得de若ruo幹gan組zu數shu據ju擬ni合he出chu了le一yi個ge二er次ci關guan係xi曲qu線xian，客ke戶hu直zhi接jie使shi用yong該gai組zu係xi數shu，效xiao果guo不bu一yi定ding最zui好hao，建jian議yi產chan品pin完wan成cheng樣yang機ji試shi製zhi之zhi後hou
，在zai各ge條tiao件jian下xia測ce量liang體ti核he溫wen度du tcore(其他標準測溫設備)，與環境溫度ten，皮膚溫度tsk，進而實現算法結果最優。

由此
，納芯微提供基於NST112x提供的環境溫度和體核溫度一種補償算法方案。

3.2 基於NST112x-CWLR結構和layout設計指導

NST112x-CWLR的測溫原理是基於CMOS電路矽襯底寄生晶體管PN結溫度效應實現
，因此在進行腕部體表溫度測量時，要求芯片Die內PN結溫度與體表溫度達到熱平衡。因此在進行可穿戴設備結構設計時，根據傅裏葉定律


，熱導率定義：

由此可以看出


，材料和路徑是影響熱傳導的主要因素，除此之外
，熱隔離也是重要因素。不同材料的導熱係數可參照表2。

表2.不同材料的導熱係數

皮膚至溫度傳感器芯片的熱傳導路徑有以下兩種方式：

圖6. 方式一：腕部皮膚→不鏽鋼→FPC→芯片錫球→DIE

圖7. 方式二：腕部皮膚→不鏽鋼→導熱矽膠→芯片封裝材料→DIE

推薦采用方式一，軟板FPC的方案可使熱平衡路徑最優，如結構和工藝限製
，采用方式二熱傳導響應時間會變長，但在實際應用場景中，一般佩戴10分鍾以上才建議進行體溫測試，方式二最終可實現熱平衡，因此也可以按照方式二進行熱傳導路徑設計。

最優熱傳導路徑示意圖：

圖8. 最優熱傳導路徑示意圖

接觸皮膚部分建議使用金屬

，優選不鏽鋼。

NST112x-CWLR應用於可穿戴設備測溫，使用溫度傳感器感知環境溫度與腕部皮膚溫度的layout設計要點都是導熱與隔熱，具體考慮點如下：

基於NST112x-CWLR Layout Demo示意圖：

在進行NST112x-CWLR layout設計時合理運用鏤空和芯片周邊覆銅設計
，使傳熱和隔熱可以有效實施。

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