2020 年的春天，注定會(huì)成為這一代地球村村民記憶中難以忘記的一個(gè)時(shí)期。隨著新冠病毒在全球范圍內(nèi)的肆虐，非接觸式的額溫槍 / 耳溫槍的需求一下子被引爆。在二月初，由于供需缺口巨大，原本一把幾十元的額溫槍被炒到 500 到 600 元人民幣的價(jià)格。巨大的利益也吸引了很多原本非醫(yī)用額溫槍和耳溫槍的電子行業(yè)生產(chǎn)商快速參與進(jìn)來，從而帶動(dòng)了額溫槍內(nèi)部元器件價(jià)格的暴漲。熱電堆傳感器，作為額溫槍的核心器件，其價(jià)格也從不到 10 元人民幣一路上漲至 110 元以上。額溫槍相關(guān)產(chǎn)業(yè)，在這個(gè)特殊時(shí)期名副其實(shí)地成為暴利行業(yè)。
巨大的商業(yè)利益下，很多新進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的企業(yè)只進(jìn)行了潦草地研發(fā)就開始生產(chǎn)和銷售。這些良莠不齊的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后，暴露了大量的應(yīng)用上的問題。尤其是銷往國(guó)外的很多產(chǎn)品，出現(xiàn)了很多不符合當(dāng)?shù)厥褂们闆r的問題，測(cè)溫結(jié)果完全無法達(dá)到醫(yī)用級(jí)要求精度，從而產(chǎn)生了被國(guó)外客戶要求退貨的情況。
如果我們把市場(chǎng)上各種不同的熱點(diǎn)堆傳感器的應(yīng)用方案來整理一下，大致可以發(fā)現(xiàn)有這么幾種典型類型，以下我們一一來做分析。
1
數(shù)字型輸出的熱電堆傳感器 + 低成本低功耗處理器方案
這個(gè)方案以 Melexis 的 MLX90614 和 MLX90615 這樣的數(shù)字輸出傳感器為代表。這兩個(gè)芯片的 FOV 視角不同，分別適用于額溫槍和耳溫槍。這種傳感器在出廠前已經(jīng)做了預(yù)校準(zhǔn)，方案商做基本配置和簡(jiǎn)單出廠校準(zhǔn)就能直接從傳感器中得到目標(biāo)溫度值和環(huán)境溫度值。對(duì)方案商來講，幾乎不需要對(duì)傳感器的特性和接口電路有深入理解，屬于傻瓜式的應(yīng)用。然而，其高昂的售價(jià)幾乎讓額溫槍方案商感覺無利可圖，而且由于產(chǎn)能問題導(dǎo)致市場(chǎng)上缺貨嚴(yán)重。對(duì)于有設(shè)計(jì)能力的客戶來講，一般出于成本和產(chǎn)能的考慮，并不會(huì)將其作為主流方案。
2
采用高精度自穩(wěn)零運(yùn)放 + 低成本低功耗處理器方案
此方案原本并不是醫(yī)用級(jí)額溫槍和耳溫槍的主流成熟方案，但在疫情開始時(shí)期，由于元器件缺貨加上國(guó)內(nèi)幾個(gè) MCU 方案商全力推進(jìn)，該方案被很多新進(jìn)入的客戶所采用和量產(chǎn)。而目前，這種方案暴露問題最多。在這里，我們從熱電堆傳感器信號(hào)調(diào)理的需求入手，來分析一下該方案的問題。
下表是一個(gè)熱電堆傳感器典型輸出電壓。在環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)，對(duì)于人體的目標(biāo)溫度（35~42°C 范圍內(nèi)），其傳感器輸出電壓的絕對(duì)值在 1mV 上下。目標(biāo)溫度每變化 0.1°C，輸出電壓變化量基本上在 8uV 上下。
為了使熱電堆傳感器輸出可以被處理器內(nèi)部的 10 位~12 位單端輸入 ADC 所分辨，就必須對(duì)這個(gè)原始信號(hào)進(jìn)行充分放大。下圖是采用分立運(yùn)算放大器來進(jìn)行信號(hào)放大并接口單端輸入 ADC 的典型電路（原圖摘自 TE 公司 Application Note - “THERMOPILE SENSOR FOR CONTACTLESS TEMPERATURE”）。
這個(gè)電路有以下幾個(gè)要求：
運(yùn)放需要使用正向放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。原因是熱電堆傳感器本身內(nèi)阻較高，所以需要傳感器接口電路必須是高阻輸入。而運(yùn)放只有在正向放大電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下（如使用儀表放大器，其輸入級(jí)可看作兩個(gè)正向放大運(yùn)放）才能保證高阻輸入。
需要偏置到大于 0V 的正電壓。而對(duì)于熱電堆傳感器來講，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)溫度小于環(huán)境溫度時(shí)，其輸出是小于零的負(fù)電壓。這就需要把熱電堆傳感器的輸出負(fù)偏置到一個(gè)大于零伏的正電壓，才能保證熱電堆的輸出信號(hào)上的電壓大于 0V，并且可以被單極性供電的運(yùn)放（正向放大拓?fù)洌┧邮堋Ｈ欢捎谔幚砥鲀?nèi)部的 ADC（尤其式低功耗+低成本的處理器），一般是單端輸入，范圍為 0~VREF 電壓的 SAR 型 ADC，所以偏置電壓本身的穩(wěn)定度就變得很重要。
運(yùn)放自身的偏置（Offset）要很小，其全環(huán)境溫度測(cè)量范圍內(nèi)的偏置溫漂需要<=1uV。原因是熱電堆傳感器對(duì)應(yīng)目標(biāo)溫度 0.1°C 的分辨率其相應(yīng)電壓變化量才幾個(gè) uV，運(yùn)放自身偏置帶來的影響必須小于這個(gè)值。
1/f 噪聲（0.1~10Hz 等效輸入 pk-pk 噪聲）需要在 1uV 級(jí)別。熱電堆應(yīng)用是近直流的應(yīng)用，所以在傳感器后面的處理算法中幾乎每個(gè)客戶都會(huì)增加濾波降噪算法來減少噪聲。但是 1/f 噪聲頻率太低（接近直流），所以該噪聲很難用低通濾波器（LPF）和數(shù)字低通濾波器有效去除。運(yùn)放自身等效輸入 1/f 噪聲必須控制在遠(yuǎn)小于 0.1°C 對(duì)應(yīng)電壓，所以需要在 1uV 級(jí)別。
低功耗。對(duì)于運(yùn)放來講，低功耗需求并非必須，因?yàn)榭梢杂锰幚砥骺刂埔粋€(gè) MOS 管來管理運(yùn)放的供電，在不處理信號(hào)時(shí)切斷運(yùn)放供電，以滿足系統(tǒng)低功耗需求。但這種解決方案，在一定程度上增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。所以低功耗運(yùn)放當(dāng)然也是方案中的更優(yōu)選擇。
在醫(yī)用級(jí)測(cè)溫方案中，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)廠家的“XX8551”型號(hào)運(yùn)放會(huì)被提及。溯源來講，ADI 公司的低壓自穩(wěn)零運(yùn)放 AD8551 的各項(xiàng)指標(biāo)基本都可以滿足這些需求，但并非所有 IC 公司的自穩(wěn)零運(yùn)放“XX8551”都真實(shí)可靠地滿足這些指標(biāo)。更加有趣的是，即使運(yùn)放選擇沒有問題，還會(huì)有其他的系統(tǒng)問題，使得采用該方案的產(chǎn)品很難達(dá)到醫(yī)用級(jí)測(cè)溫的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
ADC 基準(zhǔn)電壓。一般處理器內(nèi)部 ADC 的基準(zhǔn)就是供電的 AVCC 電壓。如果客戶用電池直接作為 AVCC 電壓的話，那就意味著當(dāng)電池被使用一段時(shí)間后電壓下降，ADC 基準(zhǔn)電壓就發(fā)生變化了。也有客戶用 LDO 供出一個(gè)穩(wěn)定的 AVCC，但是 LDO 輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化一般也沒有保證。從根本上來講，最佳方法是用一顆溫漂不錯(cuò)的電壓基準(zhǔn)來供給 ADC 基準(zhǔn)，并且這個(gè)基準(zhǔn)要滿足低靜態(tài)功耗和低溫漂要求，但實(shí)際上，客戶幾乎無法承受這樣的片外分立電壓基準(zhǔn)的成本。
偏置電壓?jiǎn)栴}。如何保證偏置電壓和 ADC 的基準(zhǔn)成比例漂移？偏置電壓漂移是單端 ADC 應(yīng)用局限造成的。如果是差分輸入，就不會(huì)有這個(gè)問題。作為應(yīng)對(duì)，有客戶使用 ADC 的一個(gè)通道去采這個(gè)偏置電壓，并在軟件中做數(shù)字差分，但兩個(gè)單端 ADC 通道的不一致性總會(huì)帶來一些問題。尤其是當(dāng) ADC 裸數(shù)據(jù)只差了 1 個(gè) LSB 就可能對(duì)最后精度造成影響的情況下。
運(yùn)放增益是使用電阻對(duì)配出來的，而電阻對(duì)的溫漂匹配度也需要考慮。
對(duì)于 NTC 采集環(huán)境通道的那一路，也推薦使用運(yùn)放來做信號(hào)調(diào)理，從熱電堆傳感器原理來講，環(huán)境溫度采集精度事實(shí)上直接影響目標(biāo)溫度的精度。
上述系統(tǒng)級(jí)問題加上運(yùn)放本身的高要求，使得采用這種高精度運(yùn)放+低成本處理器的方案難以真正達(dá)到醫(yī)用級(jí)額溫槍精度。或者即使勉強(qiáng)達(dá)到，其真實(shí)付出的硬件成本也并不低。這也是為何那些真正有歷史和經(jīng)驗(yàn)的大廠對(duì)這一類方案并不感冒的原因。
3
采用內(nèi)部集成 PGA（差分儀表放大器結(jié)構(gòu)）的 18 位以上 Sigma Delta ADC + 處理器的方案
可能有人會(huì)質(zhì)疑，ADI 或者 TI 這些大廠的 24 位高精度 Sigma Delta ADC 太貴，不適合額溫槍這一準(zhǔn)消費(fèi)類應(yīng)用。而事實(shí)上，原本在額溫槍和耳溫槍市場(chǎng)上的主力 24 位 Sigma Delta ADC，早就已經(jīng)大部分是大陸和臺(tái)灣廠商的天下。大陸的納芯微、芯海，臺(tái)灣的松翰，宏康等有 24 位 Sigma Delta ADC 技術(shù)的芯片廠家，其芯片價(jià)格都已經(jīng)很低，與分立的高精度自穩(wěn)零運(yùn)放相比成本并沒有差多少，而其性能上的優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)上的好處顯而易見。這里就用納芯微的 NSA2300 信號(hào)調(diào)理芯片（ADC）來舉例，說明該方案和高精密運(yùn)放的方案對(duì)比。
首先，NSA2300 是 Sigma Delta ADC，由于其數(shù)模轉(zhuǎn)換原理和數(shù)字濾波器的關(guān)系，一般在配置為較低輸出率（ODR）的情況下，可以保證很高的信噪比。比如，NSA2300 在配置為 32768 過采樣情況下，其輸入等效噪聲<80nV, 比 1uV 的要求小 10 倍以上，完全可以滿足熱電堆傳感器用于額溫槍的應(yīng)用場(chǎng)合。
其次，類似 NSA2300 這樣的 ADC 其輸入一般為差分輸入。相對(duì)處理器內(nèi)部的單端輸入 ADC 而言，差分輸入的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于熱電堆信號(hào)負(fù)上的共模電壓，幾乎沒有任何精度上的要求。
類似 NSA2300 這樣的 ADC，一般內(nèi)部都集成一級(jí)有高增益（64x 或 128x 以上）和高輸入阻抗的 PGA。由于該類 ADC 其設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合以小電壓 DC 量為主（比如電子秤），所以一般都帶有斬波（chopping）功能以消除 PGA 偏置電壓自身漂移。NSA2300 的輸入，還可以開啟輸入正負(fù)極信號(hào)交換（SWAP）的特殊功能，如果使用軟件正負(fù)方向各采集一次來做平均抵消，完全可以在全溫度范圍內(nèi)做到輸入等效偏置電壓遠(yuǎn)小于 1uV。
類似 NSA2300 這樣的 ADC，其內(nèi)部都帶有一個(gè)低溫飄電壓基準(zhǔn)，并且該基準(zhǔn)電壓一般為 1.8V 或者 2.5V。在 3V 電池供電的情況下，即使供電電壓有一定下降，對(duì)其基準(zhǔn)影響也相當(dāng)有限，這一特點(diǎn)可以保證客戶在電池供電不足的情況下依舊保證測(cè)量的精度。
類似 NSA2300 這樣的 ADC，其輸入通道一般不止一路。所以可以使用一路采集熱電堆的電壓信號(hào)，而用另一路來采集基于 NTC 的環(huán)境溫度。
NSA2300 有低功耗工作模式。在低功耗模式下，它只有在采樣時(shí)才打開內(nèi)部電路開始工作，完成采樣后立即進(jìn)入低功耗休眠模式，其休眠靜態(tài)電流在常溫下僅 200nA，這樣可以保證使用在電池供電型手持額溫槍的長(zhǎng)久使用時(shí)間。當(dāng)然，這一特性并非所有 24 位 Sigma Delta ADC 都有。
所以，無論性能還是價(jià)格，使用片外 24 位高精度 Sigma Delta ADC 的方案才是目前最適合熱電堆傳感器應(yīng)用的可行方案。
當(dāng)然，前面分析只是針對(duì)硬件電路和硬件架構(gòu)。事實(shí)上，滿足醫(yī)用級(jí)額溫槍、耳溫槍精度要求的熱電堆傳感器應(yīng)用,保證高精度不僅需要符合指標(biāo)要求的硬件，更為重要的是軟件開發(fā)以及系統(tǒng)標(biāo)定和校準(zhǔn)。
從軟件層面來講，客戶都知道使用一個(gè)或兩個(gè)查找表來進(jìn)行目標(biāo)溫度檢測(cè)。但更重要的是，在軟件層面需要用更多的數(shù)字濾波器來幫助達(dá)到目標(biāo)測(cè)量精度。比如，使用高階 IIR/FIR 濾波器，在進(jìn)一步提高信噪比的同時(shí)，也可以幫助減小手持額溫槍進(jìn)行測(cè)量時(shí)由于手抖或者待測(cè)目標(biāo)不完全靜止帶來的影響。這樣的數(shù)字濾波器算法，其開發(fā)需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
從標(biāo)定層面來講，利用黑體和恒溫槽來做目標(biāo)和環(huán)境溫度的標(biāo)定是基本常識(shí)。可是，到底需要標(biāo)定多少溫度點(diǎn)才能保證在寬范圍環(huán)境溫度下的醫(yī)用精度？從寒冷的俄羅斯，到酷熱的印度和非洲，出口額溫槍面臨的寬環(huán)境溫度范圍使用條件更為復(fù)雜和苛刻，這就需要對(duì)高低溫環(huán)境下的多溫度點(diǎn)標(biāo)定花大功夫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)搜集。
當(dāng)然，熱電堆傳感器生產(chǎn)廠商也在不斷做出技術(shù)迭代和創(chuàng)新。相信在不久的將來，更多熱電堆廠商會(huì)推出可直接輸出數(shù)字溫度的熱電堆傳感器，并將其價(jià)格推到更為合理的區(qū)間。到了那個(gè)時(shí)候，熱電堆傳感器應(yīng)用門檻會(huì)進(jìn)一步降低，熱電堆傳感器也會(huì)在更多的消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域被大家使用起來。