Couverture ElectroniqueS n°127

Les capteurs de température de type Mems combinent la compacité et la précision nécessaires aux systèmes portables sur soi tels que les smartphones, les bracelets de fitness ou encore les appareils médicaux en contact permanent avec le patient. L es smartphones et les moniteurs de santé/fitness portables sur soi, comme les montres et les bracelets connectés, permettent aux gens de capturer de plus en plus de données sur leur vie, leur activité et leur condition physique. De nouveaux services s'appuyant sur ce type de données apparaissent, allant de l'entraînement physique en ligne à la télémédecine et aux soins pour les personnes âgées. Si le suivi de certains signes vitaux, comme le rythme cardiaque, se fait désormais de manière courante, le suivi d'autres paramètres, comme la température corporelle, est moins évident. Les thermomètres qui restent au contact du corps ne sont pas pratiques d'utilisation, et peuvent être difficiles à maintenir en place. D'un autre côté, les capteurs Fir ( far infrared ou infrarouge lointain) sans contact peuvent être parasités par la chaleur rayonnée par d'autres sources à proximité – comme un microprocesseur ou des transistors de puissance – ce qui peut fausser les mesures de température. JORIS ROELS (MELEXIS) Joris Roels est responsable marketing des capteurs de température chez Melexis depuis sept ans, après être entré dans la société en 2010 en tant qu'ingénieur d'application pour les produits optoélectroniques et datacoms. Il est titulaire d'un master et d'un PHD de l'université de Gand en ingénierie électrique. Pour remédier à cela, on utilise des capteurs Fir sans contact à la pointe de la technologie, logés en un boîtier TO-Can qui se présente sous la forme d'un petit cylindre métallique. Le TO-Can offre une masse thermique importante et une conductivité thermique élevée, qui se combinent pour atténuer les effets des gradients et des chocs thermiques. Cependant, les capteurs utilisant ce type de boîtier sont généralement volumineux et lourds ; lents à réagir dans un environnement très dynamique thermiquement. Ils ne conviennent pas vraiment aux bracelets grand public, et peuvent empêcher le suivi de température dans le cas de certains produits émergents, comme les appareils auditifs conçus pour être portés à l'oreille. Petit, stable et réactif On peut désormais fabriquer des capteurs Fir beaucoup plus petits, stables et précis, en combinant la technologie de fabrication des Mems ( micro-electro-mechanical sys-tems , ou microsystèmes électromécaniques) et le traitement avancé des signaux. L'élément de détection comprend une thermopile et une fine membrane, isolées thermiquement et présentant une faible masse thermique. Le rayonnement Fir incident chauffe rapidement la membrane, et génère un différentiel de température que la thermopile peut rapporter comme une différence de température. Une thermistance de référence, incorporée au système Mems, permet au capteur de générer une mesure de température absolue. Un traitement du signal s'appuyant sur la modélisation et la caractérisation minutieuse de plusieurs scénarios de perturbation thermique, ainsi que sur des algorithmes de compensation sophistiqués, est ensuite appliqué pour éliminer les effets thermiques indésirables au niveau de la sortie du capteur. Ainsi, la compensation active mise en œuvre par électronique et par logiciel permet d'effacer les effets passifs dus au boîtier métallique TO-Can. Capteur de température pour « wearables » C'est par exemple l'approche que Melexis a adoptée pour créer le MLX90632, un dispositif en boîtier QFN de 3 x 3 x 1 mm, nettement plus petit que les capteurs TO-Can de pointe actuels. Le MLX90632 contient une solution complète de détection de température sans contact, comprenant la thermopile, le composant pour mesurer la température du capteur lui-même, et quelques éléments optiques essentiels, ainsi qu'un traitement du signal et une interface numérique avec le système hôte. Le MLX90632 est optimisé pour la plage de température normale du corps humain, et il est calibré en usine pour assurer une précision de qualité médicale de ± 0,2 °C. Le signal de tension de la thermopile est amplifié, numérisé et filtré numériquement, avant d'être stocké en mémoire Ram. La lecture du capteur de température de référence embarqué est traitée et stockée de la même manière. Une machine d'état contrôle la synchronisation et la fonctionnalité du capteur, et les résultats de chaque opération de mesure et conversion sont mis à disposition du système hôte par l'intermédiaire d'une connexion I²C. Le processeur hôte peut facilement calculer les températures de la cible et du capteur à partir des données brutes. La figure 1 compare la réponse du MLX90632 et celle d'un capteur TO-Can de pointe, surveillant tous les deux une source de référence dont la température est stable à + 40 °C. Une source de chaleur importante externe a été disposée à proximité des capteurs. La seconde courbe montre que la température du capteur était d'environ + 2 °C au début de l'expérience, et que la source de chaleur externe génère un choc thermique d'environ 60 °C/ min. Les capteurs de température corporelle n'ont plus besoin d'être logés dans de gros boîtiers pour assurer une bonne stabilité thermique. La première courbe montre que, malgré l'inertie thermique du boîtier TO-Can, la sortie du capteur conventionnel se trouve fortement perturbée par la source de chauffage externe. En revanche, la sortie du MLX90632 à compensation active ne s'écarte pas de plus de 0,25 °C, ce qui démontre une stabilité bien supérieure. Grâce à leur petite taille et à leur réponse thermique optimisée numéri-quement, les capteurs de tem-pérature Mems tels que le MLX90632 s'avèrent bien adaptés aux wearables et aux appareils auditifs. En outre, ils peuvent aussi servir dans les dispositifs médicaux portables permettant de surveiller la température corporelle en continu, que l'on en utilise sou-vent en médecine préventive pour détecter le plus tôt possible les états de santé critiques, ainsi que dans des appareils plus classiques tels que les thermomètres frontaux ou intra-auriculaires. Enfin, ils s'inscrivent parfaitement dans la tendance actuelle qui cherche à rapprocher le diagnostic du patient.

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