2022年可以說(shuō)是溫度傳感器開(kāi)始獲得高度關(guān)注的一年。業(yè)界巨頭蘋(píng)果，三星都分別發(fā)布了配備溫度傳感器的新一代智能手表。目前的微型溫度傳感器無(wú)論是從功耗，體積還是性能方面，都已經(jīng)可以滿足智能穿戴產(chǎn)品的需求。而且隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，溫度傳感器將在個(gè)人健康醫(yī)療，智能家居等方面迎來(lái)需求上的大爆發(fā)。

本期元器件評(píng)測(cè)，我們從市場(chǎng)上幾款溫度傳感器中選則了一款超小的溫度傳感器：納芯微電子生產(chǎn)的NST112X。我們會(huì)對(duì)它的性能，參考設(shè)計(jì)做一個(gè)介紹，并提供我們基于參考設(shè)計(jì)制作的一個(gè)溫度測(cè)試模塊的測(cè)評(píng)和總結(jié)。

值得一提的是，在小米[敏感詞]款Xiaomi Watch S2手表上，也已配備了2顆納芯微的溫度傳感器。 

圖：小米手表

先來(lái)看一下納芯微的NST112X溫度傳感器到底有多迷你：外形尺寸在BGA的封裝下只有的0.75*0.75mm。這是NST112X和一元硬幣放在一起的對(duì)比圖，可以說(shuō)是幾乎小到看不見(jiàn)。

是不是大大突破了以往你對(duì)溫度傳感器尺寸的印象呢？

圖：納芯微NST112X與1元硬幣對(duì)比圖

NST112X性能和參數(shù)：

從芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)中我們可以看出，在采用WLCSP封裝的情況下，在最常用的25到45度的溫度測(cè)量區(qū)間內(nèi)，它的典型測(cè)試誤差只有正負(fù)0.1度。NST112X的測(cè)溫范圍為：-40 到85度。在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)，[敏感詞]測(cè)量誤差不超過(guò)1度。

優(yōu)勢(shì)：

NST112X支持總線上掛多達(dá)4個(gè)NST112測(cè)溫IC，可以提供集成化的多點(diǎn)測(cè)量，其優(yōu)勢(shì)包括：

?  集成度高：幾乎不需要額外的電路

?  高線性度：可減少軟件線性化工作量精度高

?  精度高：可達(dá)±0.1℃，幾乎沒(méi)有漂移低功耗

?  低功耗：4種測(cè)溫技術(shù)中功耗[敏感詞]成本低

?  成本低：芯片成本、方案成本相對(duì)較低

這是NST112X的典型應(yīng)用電路：

圖6：NST112X的典型應(yīng)用電路

可以看到，電路非常簡(jiǎn)單，不再需要高精度電阻，也不需要MCU做模數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣工作。只需要MCU提供I2C總線或者利用GPIO管腳來(lái)接收數(shù)字化的溫度信息即可。

局限：

BGA封裝過(guò)小，焊接一般需要借助顯微鏡，焊接難度較大。

我們基于智能穿戴的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一款嵌入了NST112x的測(cè)溫手環(huán)，來(lái)評(píng)估一下它體表溫度測(cè)量方面的性能。

在手環(huán)中我們?cè)O(shè)計(jì)了4顆傳感器位置，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)將傳感器的接口引出到一個(gè)連接器，通過(guò)外接帶藍(lán)牙的處理模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。在手環(huán)的外形設(shè)計(jì)中，我們利用FPC本身的結(jié)構(gòu)做成了一個(gè)表帶。為了方便穿戴在一側(cè)做了一排開(kāi)孔，在另一側(cè)做了尖扣。當(dāng)然，在實(shí)際的穿脫體驗(yàn)上仍待改進(jìn)。

表盤(pán)部分正常敷銅，表帶部分采用網(wǎng)格敷銅，芯片位置不敷銅保證溫度不會(huì)快速耗散。

圖：NST112x的測(cè)溫手環(huán)實(shí)物圖

手環(huán)的電路圖、PCB圖等已附在電子森林測(cè)評(píng)頁(yè)面中，可點(diǎn)擊閱讀原文獲取。

NST112x測(cè)溫手環(huán)使用KiCad設(shè)計(jì)完成，KiCad是一款免費(fèi)、開(kāi)源、企業(yè)級(jí)應(yīng)用的PCB設(shè)計(jì)工具，有豐富的開(kāi)源庫(kù)和案例。未來(lái)KiCad也將被越來(lái)越多的企業(yè)使用，初學(xué)者建議可以選擇它作為PCB設(shè)計(jì)工具，在電子森林有很多相關(guān)的介紹和課程方便學(xué)習(xí)。下圖為使用KiCad軟件設(shè)計(jì)NST112x測(cè)溫手環(huán)的界面截圖。

圖：使用KiCad設(shè)計(jì)的NST112x測(cè)溫手環(huán)

下面我們進(jìn)入NST112x測(cè)溫手環(huán)的測(cè)試環(huán)節(jié)，來(lái)看看這款溫度傳感器IC在響應(yīng)速度、分辨率、功耗、一致性等方面的表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)1：響應(yīng)速度測(cè)試

室溫25度，將NST112x測(cè)溫手環(huán)放入有一定溫度的礦物油（或水）中，采集溫度變化曲線。將手環(huán)浸入礦物油中，我們可以看到溫度迅速上升到了45度，響應(yīng)速度是非常快的。

圖：NST112x測(cè)溫手環(huán)的響應(yīng)速度測(cè)試1

圖：NST112x測(cè)溫手環(huán)的響應(yīng)速度測(cè)試2

實(shí)驗(yàn)2：多從機(jī)一致性驗(yàn)證：在總線上掛多個(gè)傳感器，同時(shí)采集溫度

圖：在總線上掛多個(gè)NST112x傳感器，同時(shí)采集溫度

實(shí)驗(yàn)3：工作功耗驗(yàn)證

我們使用一個(gè)高精度的電流表來(lái)測(cè)量一下它的工作電流，在FPC軟板上串接一個(gè)電流表測(cè)試，工作狀態(tài)下，測(cè)量平均電流。

傳感器設(shè)置為工作和休眠交替，采樣時(shí)間設(shè)置為0.02s，可以看到2個(gè)芯片在同時(shí)工作時(shí)電流在40uA左右。

圖：2顆NST112x傳感器同時(shí)工作的電流

實(shí)驗(yàn)4：休眠"低功耗"特性

與實(shí)驗(yàn)3的環(huán)境相同，傳感器設(shè)置為工作和休眠交替，采樣時(shí)間設(shè)置為0.02s，可以看到不工作時(shí)2個(gè)芯片電流在0.8uA左右。

圖：2顆NST112x傳感器同時(shí)不工作的電流

實(shí)驗(yàn)5：高分辨率特性驗(yàn)證

此項(xiàng)驗(yàn)證的是高分辨率模式下長(zhǎng)時(shí)間采集的噪聲情況，我們將測(cè)溫手環(huán)放到盒子里進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，可以看到溫度曲線比較平穩(wěn)，中間有波動(dòng)是因?yàn)榇蜷_(kāi)了空調(diào)和過(guò)了一會(huì)打開(kāi)了屋門(mén)。

圖：NST112x的測(cè)溫手環(huán)溫度時(shí)間序列曲線

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

以上測(cè)試實(shí)驗(yàn)均使用我們制作的評(píng)估板完成，我們?cè)賮?lái)看一下這顆IC官方的設(shè)計(jì)建議。

在智能穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，Layout以及熱設(shè)計(jì)都是重點(diǎn)：建議合理運(yùn)用鏤空和芯片周邊覆銅設(shè)計(jì)，這樣有助于控制傳熱效率和隔熱效果。我們的目標(biāo)是利用測(cè)溫傳感器精確測(cè)量腕部皮膚溫度，同時(shí)隔絕其他發(fā)熱源。那么在測(cè)溫傳感器周圍不鋪銅，可以有效降低傳熱和測(cè)溫部分的熱容。

圖：在NST112x官方設(shè)計(jì)指導(dǎo)下畫(huà)的PCB和3D效果圖

這張圖顯示了溫度從手腕皮膚傳導(dǎo)至傳感器芯片的熱傳導(dǎo)路徑：

圖：溫度從手腕皮膚傳導(dǎo)至傳感器芯片的熱傳導(dǎo)路徑

一般建議選用導(dǎo)熱系數(shù)高，材質(zhì)堅(jiān)固的不銹鋼或藍(lán)寶石作為智能穿戴設(shè)備的外殼，考慮到絕緣因素，可以用導(dǎo)熱硅膠等材料將其與傳感器隔開(kāi)。隔熱墊片的作用是為了隔離其他發(fā)熱源對(duì)測(cè)量的影響。

封裝方面：NST112x 采用 DSBGA 封裝，適用于工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)中的對(duì)結(jié)構(gòu)集成有嚴(yán)苛要求的產(chǎn)品，如智能手表、IoT 節(jié)點(diǎn)傳感器、藍(lán)牙體溫貼等。

選型方面：NST112x和同類芯片的一個(gè)對(duì)比如下

可以看到，無(wú)論是溫度范圍，工作電壓，測(cè)量精度和分辨率，以及功耗方面，它都具備了國(guó)外同類產(chǎn)品的性能和參數(shù)，提供了高精度，高性價(jià)比的解決方案。

當(dāng)然，除了NST112x，納芯微還提供一系列不同參數(shù)和封裝的溫度傳感器，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。

圖：納芯微不同參數(shù)和封裝的溫度傳感器介紹

以上就是本期NST112x溫度傳感器的全部介紹，可以看到這顆國(guó)產(chǎn)IC在參數(shù)性能上已經(jīng)能完全達(dá)到國(guó)外的相同水平，在設(shè)計(jì)可穿戴類產(chǎn)品的時(shí)候，這類芯片都是非常合適的選擇。

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