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市场情况

2022年可以说是温度传感器开始获得高度关注的一年。业界巨头苹果，三星都分别发布了配备温度传感器的新一代智能手表。目前的微型温度传感器无论是从功耗，体积还是性能方面，都已经可以满足智能穿戴产品的需求。而且随着物联网的快速发展，温度传感器将在个人健康医疗，智能家居等方面迎来需求上的大爆发。

图1 苹果手表

你可能已经知道，苹果手表对体温的实时监测，目前能完成发烧预警，女性生理期监测等功能。但这仅仅是开始。智能穿戴产品上的体温，心率和血压等传感器得到的数据所形成的全面数据库，不仅能帮助人们更加了解自己的身体状况，还使得健康管理更方便，更科学。

比如说，智能穿戴设备如苹果手表，在你睡觉的时候，它也会以5秒的间隔来监测你的体温变化。数据表明，每个人的入睡快慢，睡眠质量好坏，都和室温与体温的温差有很大关系。通常来说室温应该比体温低15度左右。但这个温差因人而异。通过对体温和入睡情况的持续监测和统计，健康管理APP可以得出最合适你的睡眠室温，可以通过物联网直接控制空调来得到最佳入睡温度，甚至可以为你量身定制一个最有利于睡眠的晚间室内温度曲线。

再比如，很多父母可能都经历过这样的折磨：孩子夜里发高烧甚至持续好几天都不见好。很多时候，孩子的情况到底怎样，父母心里是没有底的。设想一下，如果通过体温传感器的持续监测得到的数据告诉你，孩子今晚的体温平均比昨晚低了0.5度，最高温度以及高温持续时间都比昨晚出现了下降，那你是不是就心定了很多？在不远的将来，也许每个人从出生开始，就会佩戴具备体温，心率，血压等传感器的智能设备。它形成的个人健康数据库将极大地帮助个人和社会的健康医疗管理。

所有这一切，无不来自于技术的突破与创新。以前居家必备的水银管状体温计，已经走进了历史的博物馆。当前的温度传感器，已经具备了体积小，精度高，功耗低等完美匹配智能穿戴设备的特点。本期我们从市场上几款温度传感器中选则了一款超小的温度传感器: 纳芯微电子生产的NST112X。我们会对它的性能，参考设计做一个介绍，并提供我们基于参考设计制作的一个温度测试模块的测评和总结。

值得一提的是在小米最新款Xiaomi Watch S2手表上，也已配备了2颗纳芯微的温度传感器。

图2 小米手表

产品特点

温度传感可选方案

图1：常用测温传感器分类

目前常用的测温传感器主要分为四大类：传感器IC，热敏电阻，RTD，热电偶。

目前在温度传感可选方案上最适合智能穿戴场景的是传感器IC方案，它具有高集成度，高线性度的优点。此方案是利用晶体管PN结的温度特性来做测量，它可以做到极小的封装，也几乎不需要额外的电路，大大减少了软件线性化的工作量。它的测温精度可高达正负0.1度，并且能够在提供高精度测量的同时又满足低温度漂移的要求。在功耗方面传感器IC也是四种技术中最低的。

图2：常用四大测温传感器介绍

本次测评的温度传感器IC来自于纳芯微的NST112X，先来看一下这款温度传感器到底有多迷你：外形尺寸在BGA的封装下只有的0.75*0.75mm。这是NST112X和一元硬币放在一起的对比图，可以说是几乎小到看不见。

是不是大大突破了以往你对温度传感器尺寸的印象呢？

图3：纳芯微NST112X与1元硬币对比图

测温原理

温度传感器IC的测温原理，是利用了CMOS电路硅衬底寄生晶体管PN结温度效应来实现的。简单来说，PN结的正向导通电阻是具有一个随着温度升高而减小的特性。

具体来看NST112X这颗温度传感器 IC，下图显示了它在不同的温度环境下二极管正向导通时电流电压的变化特性。在给定导通电流为10uA的情况下，随着温度的升高，电压随之下降。从低温-55度升到150度的过程中，它从0.75V一路下降到了0.37V。

图4：不同温度下二极管正向导通的电流电压变化特性曲线

利用这个特性，将一个CMOS三极管的BC级连接起来，得到一个温度测量二极管。

由半导体理论可以得出，PN结的端电压U与流过它的电流关系是这样的：

而二极管两端的电压UD 和温度T是成正比的。其中， k和q是常数，iD与Is 分别是激励电流与反向饱和电流。这里如果想通过电压测量来得到准确对应的温度T，要求公式中的iD，也就是每次的激励电流不能发生变化。这显然是做不到的。

但是工程师们使用了一个巧妙的方法解决了这个问题：可以利用两次不同的激励电流ic1， ic2 来通过二极管，产生两个Vbe，两个Vbe的差值得到△Vbe。其表达式如下：其中ic1/ ic2的比值，可以由电路设计保证，不随温度改变，那么就可以获得测量的△Vbe 与被测温度T的线性关系。

NST112X性能和参数

NST112X的核心优势是精度高，线性度好。从芯片的数据手册中我们可以看出，在采用WLCSP封装的情况下，在最常用的25到45度的温度测量区间内，它的典型测试误差只有正负0.1度。NST112X的测温范围为：-40 到85度。在整个测温范围内，最大测量误差不超过1度。

而且它出厂已经做好了预校准，省去了测温产品在开发调试过程中最繁琐和头疼的校准环节。

NST112X算是国产里高性价比器件了，而且完全pin to pin 兼容了了TI的 TMP10x，方便产品设计和芯片替代。

它的供电范围为：1.5V~3.6V，在4Hz的采样频率下，功耗电流只有6.5uA，关断模式下只有0.5uA，功耗非常低。

图5：NST112X的性能和参数

设计体验

我们基于智能穿戴的应用场景，设计了一款嵌入了NST112x的测温手环，来评估一下它体表温度测量方面的性能。

在手环中我们设计了4颗传感器位置，为了简化设计将传感器的接口引出到一个连接器，通过外接带蓝牙的处理模块来进行数据采集和发送。在手环的外形设计中，我们利用FPC本身的结构做成了一个表带。为了方便穿戴在一侧做了一排开孔，在另一侧做了尖扣。当然，在实际的穿脱体验上仍待改进。

表盘部分正常敷铜，表带部分采用网格敷铜，芯片位置不敷铜保证温度不会快速耗散。

图7：NST112x的测温手环实物图

手环的电路图、PCB图等已附在电子森林测评页面中，可以在下方获取。

NST112x测温手环使用KiCad设计完成，KiCad是一款免费、开源、企业级应用的PCB设计工具，有丰富的开源库和案例。未来KiCad也将被越来越多的企业使用，初学者建议可以选择它作为PCB设计工具，在电子森林有很多相关的介绍和课程方便学习。下图为使用KiCad软件设计NST112x测温手环的界面截图。

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图8：使用KiCad设计的NST112x测温手环

下面我们进入NST112x测温手环的测试环节，来看看这款温度传感器IC在响应速度、分辨率、功耗、一致性等方面的表现。

实验1：响应速度测试

室温25度，将NST112x测温手环放入有一定温度的矿物油（或水）中，采集温度变化曲线。将手环浸入矿物油中，我们可以看到温度迅速上升到了45度，响应速度是非常快的。

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图9：NST112x测温手环的响应速度测试1

将手环从矿物油中取出，由于手环表面还有矿物油附着，可以看到温度并没有迅速往下降。

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图10：NST112x测温手环的响应速度测试2

实验2：多从机一致性验证：在总线上挂多个传感器，同时采集温度

实验1中，我们测温手环上其实是有多个传感器的，拉出其中两个传感器的曲线，可以看到两个曲线保持一致的变化。

图11：在总线上挂多个NST112x传感器，同时采集温度

实验3：工作功耗验证

我们使用一个高精度的电流表来测量一下它的工作电流，在FPC软板上串接一个电流表测试，工作状态下，测量平均电流。

传感器设置为工作和休眠交替，采样时间设置为0.02s，可以看到2个芯片在同时工作时电流在40uA左右。

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图12：2颗NST112x传感器同时工作的电流

实验4：休眠"低功耗"特性

与实验3的环境相同，传感器设置为工作和休眠交替，采样时间设置为0.02s，可以看到不工作时2个芯片电流在0.8uA左右。

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图13：2颗NST112x传感器同时不工作的电流

实验5：高分辨率特性验证

此项验证的是高分辨率模式下长时间采集的噪声情况，我们将测温手环放到盒子里进行长时间测量，可以看到温度曲线比较平稳，中间有波动是因为打开了空调和过了一会打开了屋门。

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图14：NST112x的测温手环温度时间序列曲线

设计要点：

以上测试实验均使用我们制作的评估板完成，我们再来看一下这颗IC官方的设计建议。

在智能穿戴产品的设计中，Layout以及热设计都是重点：建议合理运用镂空和芯片周边覆铜设计，这样有助于控制传热效率和隔热效果。我们的目标是利用测温传感器精确测量腕部皮肤温度，同时隔绝其他发热源。那么在测温传感器周围不铺铜，可以有效降低传热和测温部分的热容。

图15：在NST112x官方设计指导下画的PCB和3D图

这张图显示了温度从手腕皮肤传导至传感器芯片的热传导路径：

图16：温度从手腕皮肤传导至传感器芯片的热传导路径

一般建议选用导热系数高，材质坚固的不锈钢或蓝宝石作为智能穿戴设备的外壳，考虑到绝缘因素，可以用导热硅胶等材料将其与传感器隔开。隔热垫片的作用是为了隔离其他发热源对测量的影响。

封装方面：NST112x 采用 DSBGA 封装，适用于工业和消费市场中的对结构集成有严苛要求的产品，如智能手表、IoT 节点传感器、蓝牙体温贴等。

选型方面：NST112x和同类芯片的一个对比如下

可以看到，无论是温度范围，工作电压，测量精度和分辨率，以及功耗方面，它都具备了国外同类产品的性能和参数，提供了高精度，高性价比的解决方案。

当然，除了NST112x，纳芯微还提供一系列不同参数和封装的温度传感器，用户可以根据自己的需要进行选择。

图17：纳芯微不同参数和封装的温度传感器介绍

以上就是本期NST112x温度传感器的全部介绍，可以看到这颗国产IC在参数性能上已经能完全达到国外的相同水平，在设计可穿戴类产品的时候，这类芯片都是非常合适的选择。

本期评测来自电子森林最新推出的系列评测栏目，您可随时访问www.eetree.cn查看完整资料。未来，我们将不断为大家推出热门电子产品的评测内容，提供设计参考，期待您的持续关注，同时欢迎您宝贵的意见建议。

优势&局限

优势

纳芯微官方对这颗芯片从技术指标方面给出如下的几点优势：

集成度高：几乎不需要额外的电路
高线性度：可减少软件线性化工作量精度高
精度高：可达±0.1℃，几乎没有漂移低功耗
低功耗：4种测温技术中功耗最低成本低
成本低：芯片成本、方案成本相对较低

硬禾实验室通过使用这颗芯片设计测温手环，我们明确体会到这颗芯片在产品设计中的另外3大优势：

体积小巧 - NST112X是一款专为可穿戴设备设计的超小封装DSBGA-4的温度传感器，芝麻粒一样大小，非常适合对尺寸苛刻的各种可穿戴设备中，并能够用于柔性电路板上；
性价比高 - 作为一颗合格的国产替代器件，无论从性能指标上还是使用体验上都能够达到全球一线大厂的产品规格，但价格低廉、供货充足就成为非常亮眼的优势
NST112X支持一个I²C总线上挂多达4个NST112测温IC，可以提供集成化的多点测量。这是NST112X的典型应用电路：

图6：NST112X的典型应用电路

可以看到，电路非常简单，不再需要高精度电阻，也不需要MCU做模数转换和采样工作。只需要MCU提供I2C总线或者利用GPIO管脚来接收数字化的温度信息即可。

局限：

再好的产品总有其局限性，那我们来说说这颗器件存在的“问题”，那就是它实在太小了。当我们第一眼看到这个器件的实物的时候，连经验丰富的硬件工程师都惊叹，这玩意咋手工焊接、调试啊！所以我们在加工好测温手环的柔性PCB后，“全副武装”（疫情防控刚放开，防护病毒）地来到纳芯微的实验室，在纳芯微工程师的帮助下，借助显微镜焊接好了测温手环，感谢经验丰富的纳芯微工程师，一次上电温度传感器就完美工作。