揭开医疗应用温度传感器的神秘面纱

2020年新冠肺炎来势汹汹，对医疗健康设备的需求也随之增加，小到额温枪大到呼吸机都处在爆发式的增长中。

近年来为了改善患者的舒适度，提高诊断准确性，越来越多的医疗设备开始广泛应用。在这其中，温度传感器是许多医疗设备必不可少的组件，毕竟体温是人体健康状况的最直接反应之一，通过温度可以直观地看出患者是否处于感染或者低温状态。

随着医疗设备市场的增长，温度传感器随之水涨船高。不久前，Global Market Insights发布数据显示，2019年全球温度传感器市场规模超过70亿美元，预计从2020年至2026年将以4％的复合年增长率增长。市场增长的动力来自于汽车、医疗保健和制造业等，其对测量准确度和测量范围有着非常高的要求。

医疗温度传感器的分类

医用温度传感器根据应用分主要有几种，包括一次性医疗应用温度传感器、消融应用温度传感器以及额温枪、耳温枪应用传感器。其中一次性医疗应用温度传感器主要是采用了NTC热敏电阻；消融应用采用的是热电偶；额温枪、耳温枪采用的是热电堆技术。

NTC热敏电阻是一种热敏性半导体电阻器，其电阻值随着温度的升高而下降，电阻温度系数约为金属电阻温度系数的10倍，NTC热敏电阻器电阻值的变化可以由外部环境温度的变化引起，也可以因有电流流过，自身发热而造成。

热电偶的工作原理则是通过将两种不同的金属连接起来形成传感结而形成。 当传感结与自由端的温度不同时，热电偶将在两条线之间产生电压。 电压信号可以转换为温度读数。 医用“微型”热电偶是指用直径较小的电线制成的热电偶，通常直径为38AWG（外径0.10mm）或更小。

额温枪、耳温枪类使用热电堆探头的红外测温仪，是通过测出物体所发射的辐射能量，根据玻耳兹曼定律，辐射能量越大，物体温度越高，将红外辐射信号转变成电信号，再经过放大器和信号处理电路，并按照一定的算法和目标发射率校正后，最终可转变为被测目标的温度值。测温的主要器件就是热电堆，热电堆红外探头由一系列热电偶串联组成的温度传感器，从而提高传感器的探测灵敏度。 

温度传感器的特性对比

我们需要了解不同传感器之间的特性差异，具体的应用领域就是根据不同特性而决定的。

线性度

线性度定义了传感器输出在温度范围内持续变化的程度。NTC热敏电阻是指数非线性的，在低温下比在高温下表现出更高的灵敏度。随着时间的推移，随着微处理器在传感器信号调理电路中的应用越来越广泛，传感器的线性问题变得不那么重要。通电时，热敏电阻和铂电阻式温度检测器都需要仔细考虑传感器元件中耗散的功率，以防止自发热。对于铂电阻式温度检测器传感器，测量电流在适用标准（ASTM、DIN）中规定。NTC热敏电阻没有这样的标准，只需要由设计团队确定合适的电流水平，以确认在提供足够的信噪比时不会出现明显的自热，这些电流通常在微安范围内。

响应时间

响应时间或传感器指示温度的速度取决于传感器元件的大小和质量（假设未使用预测方法）。其中，IC温度传感器的反应最慢，铂热线圈元件是第二慢的，铂膜、热敏电阻和热电偶有小型封装，因此响应时间会快，而玻璃微珠是响应最快的热敏电阻。响应时间本身是一个定义不明确的特征，更好的热响应测量方法通常采用时间常数（TC），即传感器在两个不同温度之间传输时记录63.2%的温度变化所需的时间。顾名思义，这是一个给定介质的恒定值，与起始温度和终止温度无关，它基于传热的基本物理原理。对于被测的不同介质，有不同的时间常数，例如，在静止空气中测得的时间常数比在油中测得的长10倍。

电噪声

由于热电偶的微弱毫伏信号，温度指示中的电噪声引起的误差是一个主要问题，但NTC热敏电阻具有非常高的电阻，电噪声的误差会小很多。

引线电阻

引线电阻可能会导致电阻器件（如热敏电阻或电阻式温度检测器）的误差偏移。这种效应在低电阻器件（如100Ω铂元件或低电阻热敏电阻）中更为明显。铂电阻式温度检测器传感器相对较低的温度系数使问题更加复杂，因此要使用3线或4线引线配置从测量中减去引线电阻。对于热敏电阻，通常选择较高的电阻值会消除这种影响。热电偶必须使用与引线本身材料相同的延长引线和连接器，否则可能会引发错误。

成本

在选择要使用的传感技术类型时，不应主要考虑传感器元件的成本。每种类型，NTC，RTD，热电偶或半导体，都有它的优点和缺点。在每种技术中，都有一个与传感器特性（如精度、稳定性、温度范围和环境电阻）相关的成本。当然最重要的是要了解方案的总体成本，以确定最有效的解决方案。

如图所示，NTC拥有可替代性，体积小，长期稳定性好，精度高等特点，所以非常适合测量成人直肠、儿童直肠和皮肤探针等领域的一次性医疗应用温度传感器。

而热电偶在消融术上的应用主要是其具有测量温度范围广，结构简单,热惯性小,信号能够远距离传送和多点测量等优点，非常适合消融术对于可靠性、精度等严苛要求。

对于热电堆来说，通过串联多个热电偶，从而解决了灵敏度、精度等不足，最重要的是其结构可以做成单芯片形式，通过单独的红外窗口检测物体的红外能来测量温度，这也是目前额温枪的最重要组件。