Approche innovante pour éliminer les perturbations thermiques des mesures de température sans contact
Joris Roels - Directeur Marketing Capteurs de température, Melexis
Plus nous prenons conscience de l’importance de notre santé et de notre environnement, plus la détection de température est pertinente. Par conséquent, cette fonction est désormais présente dans de nombreux dispositifs, notamment des appareils de suivi médical, sous la forme de thermomètres médicaux ou de wearables connectés.
La détection de température sans contact repose sur la détection d’énergie émise en zone infrarouge. Chaque objet émet de l'énergie que l’on peut mesurer pour calculer sa température. Cependant, à mesure que les dispositifs de détection se miniaturisent, ils deviennent plus sensibles aux chocs thermiques, ce qui peut générer des erreurs de mesure et du bruit thermique.
Dans cet article, Melexis aborde le principe de détection de température sans contact, ainsi que certaines approches permettant de minimiser l’effet des chocs thermiques. L'article passe ensuite en revue une nouvelle approche innovante pour éliminer les effets des perturbations thermiques externes sur les capteurs ultra-miniatures.
Technologie à thermopile MEMS intégrée
La technologie de détection de température à thermopile est de plus en plus utilisée dans les applications médicales (y compris pour les soins à domicile) et industrielles, car elle est robuste, précise et fiable. Une thermopile est simplement un transducteur électronique qui convertit l'énergie thermique en signal électrique, et qui s’appuie sur le principe selon lequel tout objet émet un rayonnement thermique infrarouge lointain (FIR pour Far Infra Red en anglais).
D'un point de vue électrique, une thermopile est constituée de plusieurs thermocouples connectés en série. Ensemble, ils génèrent une tension proportionnelle à la différence de température entre deux points ; cette différence fournit une mesure de température relative.
Un capteur à thermopile MEMS utilise une membrane mince, isolée thermiquement. Comme sa masse thermique est faible, elle est rapidement réchauffée par le flux de chaleur entrant, ce qui crée un différentiel de température que la thermopile peut rapporter comme une différence de température. En intégrant une thermistance de référence dans le système MEMS, une mesure de température absolue peut être générée.
Au cœur de cette technique de mesure se trouve la loi de Stefan-Boltzmann qui stipule que l'énergie rayonnée par unité de surface d'un corps noir est proportionnelle à la puissance quatrième de sa température absolue. Ceci s'exprime en général grâce à la formule :
Où:
J = émission rayonnante [W/m²]
η = émissivité (propriété de surface)
σ = 5.67e-8 [W/m²/K⁴]
T = température absolue de la surface [°K]
Si l’on fait l’hypothèse raisonnable que pour les matériaux non métalliques l'émissivité (η) est d'environ 1, la température de la surface peut être reliée à la puissance émise.
Le défi de la stabilité
La détection de température est de plus en plus utile à de nombreuses applications, et par conséquent cette fonctionnalité se voit ajoutée à de nombreux appareils, notamment les moniteurs de fitness et de santé ou certains dispositifs wearables comme les lunettes et les bracelets connectés, ainsi que les dispositifs auriculaires, aussi appelés "hearables". Cependant, les thermomètres de contact sont souvent pénalisés par un contact thermique imparfait avec le site d'intérêt. La détection de température sans contact selon le principe FIR est idéale pour ces nouvelles applications, qui partagent toutes un besoin de capteurs de température toujours plus petits.
Pour que les capteurs de température FIR puissent être incorporés à des wearables, leur technologie doit être miniaturisée. Bien que la miniaturisation offre de nombreux avantages, elle présente aussi ses propres défis ; avec ce type de capteur, la miniaturisation peut avoir un impact négatif sur la précision de mesure de température.
Comme évoqué plus haut, les capteurs de température FIR sont affectés par les gradients thermiques - et les chocs thermiques, parce que la puce du capteur reçoit un rayonnement issu de plusieurs sources, alors que seule une faible quantité de ce rayonnement provient de l'objet mesuré. Parmi les autres sources d' énergie thermique, mentionnons le boîtier du capteur, ce qui signifie que seule une partie du signal généré est utile, tandis que l’autre est de nature parasite. Dans des conditions isothermes, lorsque la température de la membrane correspond à celle du boîtier, il n'y a pas de signal parasite, et la nature différentielle de la technologie thermopile annule les effets du rayonnement du boîtier. Cependant, dans de nombreuses applications, on ne peut maintenir le capteur en conditions isothermes.
Si un petit capteur FIR est monté sur un circuit imprimé, il peut être exposé à l'énergie thermique de composants proches générant de la chaleur, comme un microprocesseur ou un transistor de puissance. Les fabricants de capteurs FIR ont tenté de résoudre ce problème en installant l'élément détecteur dans une enveloppe métallique assez grande, comme un boîtier TO. La masse thermique importante et la conductivité thermique élevée du métal tiennent compte dans une certaine mesure des effets des gradients et des chocs thermiques, mais elle s'avère pénalisante dans un environnement thermique dynamique. Bien sûr, l'autre défi est que les boîtiers TO sont assez gros et ne conviennent pas aux petits appareils tels que les dispositifs wearables et hearables.
Compensation active de gradients thermiques
De toute évidence, le boîtier TO ne convient pas aux moniteurs de santé nouvelle génération et, pour cette seule raison , doit être abandonné au profit d'une solution plus adaptée aux défis que pose l'utilisation de capteurs FIR ultra-miniaturisés.
En modélisant et en caractérisant plusieurs scénarios, et en appliquant aux données obtenues des algorithmes de compensation sophistiqués, on peut modifier la sortie de capteurs FIR miniatures modernes, pour que ces derniers deviennent effectivement insensibles aux chocs thermiques.
Le capteur FIR miniature MLX90632 de Melexis est l'un des tout derniers dispositifs lancés sur le marché. Il s'agit d'un capteur de température infrarouge sans contact en boîtier CMS miniature QFN, étalonné en usine pour des températures ambiantes allant de -20°C à +85°C.
Il est disponible en qualités commerciale et médicale. La version de qualité médicale est optimisée pour une utilisation autour de la température du corps humain où sa précision est de ± 0,2°C. La version commerciale a une précision inférieure (± 1,0°C typiquement), mais elle est optimisée pour une plage de température beaucoup plus large (-20°C à +200°C).
La valeur de température mesurée correspond à la moyenne de tout ce qui se trouve dans le champ de vision (50 degrés) du capteur, et à partir de la température mesurée, des constantes d'étalonnage et des algorithmes de compensation sophistiqués embarqués, on peut calculer la température ambiante et celle de l’objet à mesurer.
Afin de démontrer l'efficacité de la compensation active, Melexis a mené une expérience au cours de laquelle un capteur MLX90632 et un capteur conventionnel de pointe (en boîtier TO) ont été utilisés pour mesurer une source de référence stable avec une température d'environ 40°C. Pendant que les mesures étaient réalisées, une source de chaleur importante a été placée à proximité des capteurs. Les résultats sont présentés en Figure 2.
Le graphique montre que la température de référence était effectivement de 40,05°C et que la température du capteur était d’environ 2°C au début de l'expérience. Lors de l'application de la source de chaleur, les capteurs ont été soumis à un choc thermique (environ 60°C/mn) et les signaux de sortie ont été surveillés de près. Pendant toute la durée du test, la température mesurée par le MLX90632 n'a pas dévié de plus de 0,25°C, démontrant une très bonne stabilité. Ceci a pu être obtenu grâce à l'algorithme de compensation sophistiqué utilisé. Le capteur en boîtier TO a montré une erreur significative, démontrant ainsi que ces dispositifs ne fonctionnent pas bien dans des conditions aussi difficiles.
Briques internes du capteur
Ce capteur ultra-miniature contient une thermopile qui capte l'énergie émise par l'objet, ainsi qu'un élément permettant de mesurer la température du capteur lui-même. Le signal de tension de l'élément de détection à thermopile est amplifié, numérisé et filtré numériquement, avant d'être stocké dans la RAM embarquée. La lecture de la sonde de température de référence est traitée et enregistrée de la même manière.
Une machine à états contrôle la synchronisation et la fonctionnalité du capteur, et le résultat de chaque mesure et de chaque conversion est mis à disposition de l’hôte (par exemple un microcontrôleur) via une interface de communication I2C.
Les températures (de l’objet mesuré et du capteur lui-même) peuvent être calculées à partir des données brutes grâce à un simple microcontrôleur.
Résumé
La mesure de température devient de plus en plus populaire, particulièrement dans les appareils portatifs comme les smartphones et les wearables qui mesurent la température corporelle dans le cadre d'un protocole de soins à domicile. Cependant, jusqu'à récemment, la mesure de la température devait concilier deux objectifs contradictoires.
D’un côté, le capteur devait être suffisamment petit pour pouvoir s'adapter à l'application, mais d’un autre côté, il devait être logé dans un boîtier métallique assez grand pour offrir une inertie thermique suffisante afin d’atténuer l’effet d’éventuels chocs thermiques.
Avec la technologie de détection à thermopile, le MLX90632 de Melexis relève ce défi à première vue insoluble. Grâce à la compensation active embarquée et à des algorithmes sophistiqués, le MLX90632 fournit des mesures de température précises dans les situations les plus difficiles, tout en se présentant dans un boîtier CMS ultra-compact.
Vidéo: Melexis presents its new MLX90632 medical grade sensor for contactless temperature measurement (2m23s):
Vidéo: Melexis announces the MLX90632 digital infrared temperature sensor in a surface mounted technology (2m49s):
Vidéo: Melexis showcasing award winning MLX90632 temperature sensor at Sensors Expo 2019 (2m10s):
Téléchargements
- Product flyer for MLX90632 (medical grade) (PDF - 405 KB)
- Product flyer for MLX90632 (consumer grade) (PDF - 2.43 MB)
- Datasheet for MLX90632 (PDF - 1.90 MB)
- Far infrared (FIR) temperature product selection guide (PDF - 1.13 MB)
