CN114166376A - 一种一次性体温检测芯片及测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一次性体温检测芯片及测温系统，检测芯片包括并联的N组感温子电路，每组感温子电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第一PNP管，第一MOS管的源极连接电源电压，第一MOS管的栅极输入第一开关电压，第一MOS管的漏极连接第二MOS管的源极；第二MOS管的栅极输入第二开关电压，第二MOS管的漏极连接第三MOS管的漏极和第四MOS管的漏极；第三MOS管的栅极输入第一开关信号，第三MOS管的源极连接第四MOS管的源极、第一PNP管的发射极；第四MOS管的栅极输入第二开关信号；第一PNP管的集电极连接其基极。该芯片用PNP管作为一次性感温元件，不仅测温精度、灵敏度、效率均较高，而且不会产生交叉感染，安全系数较高，保证了工作人员的安全。
Description
技术领域
本发明属于测温技术领域，具体涉及一种一次性体温检测芯片及测温系统。
背景技术
随着科学技术的进步，体温检测技术以及数据处理技术的发展较为迅速，但仍然具有较大的局限性。
目前体温检测可以使用接触式或者非接触式体温检测技术，但都存在一些局限性；其中，接触性的皮肤测温，如红外耳温枪测温时都必须将其传感器贴伏于人体表面各待测部位，需要定期消毒，不仅费时费事，而且容易交叉感染；而非接触性皮肤测温，测温时无需与人体接触，仅通过接受人体的红外辐射或微波辐射来测定皮温，如微波热像仪和红外热像仪等，其易受环境温度影响，且在此种情况下误差较大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种一次性体温检测芯片及测温系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种一次性体温检测芯片，包括并联设置的N(N≥2)组感温子电路，每组感温子电路包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第一PNP管，其中，
所述第一MOS管的源极连接电源电压，所述第一MOS管的栅极输入第一开关电压，所述第一MOS管的漏极连接所述第二MOS管的源极；
所述第二MOS管的栅极输入第二开关电压，所述第二MOS管的漏极连接所述第三MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极；
所述第三MOS管的栅极输入第一开关信号，所述第三MOS管的源极连接所述第四MOS管的源极、所述第一PNP管的发射极；
所述第四MOS管的栅极输入第二开关信号；
所述第一PNP管的集电极连接其基极。
在本发明的一个实施例中，所述第1组感温子电路的偏置电流为Ibias，所述第N组感温子电路的偏置电流为P*Ibias。
在本发明的一个实施例中，所述第i(i＝1、2…N)组感温子电路输出具有绝对温度成互补关系特性的目标电压量VBE：
其中，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷量，IC为集电极电流，IS为PNP管的饱和电流；
所述第1组感温子电路与所述第N组感温子电路之间输出具有绝对温度成正比特性的目标电压差ΔVBE：
其中，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷量，p为Ibias电流。
本发明的另一个实施例提供了一种基于一次性体温检测芯片的测温系统，包括：感温电路、温度转化电路、控制电路和显示终端，其中，
所述感温电路用于采集人体温度，并将所述温度转化为目标电压量和目标电压差，所述感温电路采用如权利要求1～3任一项所述的一次性体温检测芯片；
所述温度转化电路与所述感温电路连接，用于根据控制信号对所述目标电压量和所述目标电压差进行计算，得到温度信息；
所述控制电路与所述温度转化电路连接，用于产生所述控制信号；
所述显示终端与所述温度转化电路连接，用于显示所述温度信息。
在本发明的一个实施例中，所述温度信息的计算过程为：
将所述目标电压量和所述目标电压差按增益系数相加，得到与温度无关的基准电压VREF：
VREF＝VBE+α·ΔVBE
其中，α为增益系数，VBE为目标电压量，ΔVBE为目标电压差；
根据所述基准电压VREF计算αΔVBE电压与所述基准电压VREF的比值μ：
其中，μ是PTAT数字量；
对所述比值μ进行线性变换，得到所述温度信息Dout：
Dout＝A·μ+B
其中，A、B是固定常数。
在本发明的一个实施例中，所述温度信息的精度为±0.1℃。
在本发明的一个实施例中，还包括无线传输电路，所述无线传输电路连接在所述显示终端和所述温度转化电路之间，用于传输所述温度信息。
在本发明的一个实施例中，还包括后端数据中心，所述后端数据中心与所述无线传输电路连接，用于对所述温度信息进行整合分析处理。
在本发明的一个实施例中，还包括偏置电路、动态元件匹配电路、复位电路、时钟电路，其中，
所述偏置电路与所述温度转化电路、所述控制电路和所述动态元件匹配电路连接，所述动态元件匹配电路与所述感温电路、所述控制电路连接，所述复位电路与所述控制电路连接，所述时钟电路与所述控制电路连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的一次性体温检测芯片利用PNP管作为一次性感温元件，利用PNP管的温度特性得到代表温度的电压，不仅测温精度、灵敏度、效率均较高，而且由于芯片为一次性的，不会产生交叉感染，安全系数较高，保证了工作人员的安全。
2、本发明的测温系统中，感温电路采用一次性体温检测芯片，测温精度、灵敏度、效率均较高，保证了系统的可靠性，保证了工作人员的安全。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种一次性体温检测芯片的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的再一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种一次性体温检测芯片的电路结构示意图。该一次性体温检测芯片包括并联设置的N(N≥2)组感温子电路11，每组感温子电路11均包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第一PNP管PNP1。
其中，第一MOS管M1的源极连接电源电压VDD，第一MOS管M1的栅极输入第一开关电压VB1，第一MOS管M1的漏极连接第二MOS管M2的源极；第二MOS管M2的栅极输入第二开关电压VB2，第二MOS管M2的漏极连接第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极；第三MOS管M3的栅极输入第一开关信号S1，第三MOS管M3的源极连接第四MOS管M4的源极、第一PNP管PNP1的发射极；第四MOS管M4的栅极输入第二开关信号S1B；第一PNP管PNP1的集电极连接其基极。
具体的，N组感温子电路并联设置，N组感温子电路11中第一MOS管M1的源极均连接电源电压VDD，且N组感温子电路11中的第一PNP管PNP1的集电极均和基极相互连接。
本实施例的一次性体温检测芯片在使用时PNP管贴在人体皮肤上，利用PNP管作为一次性感温元件，PNP管在人体温度范围内35℃-45℃，对温度的灵敏度很高，线性度强，因此，利用PNP管感知人体温度，利用PNP管的温度特性得到代表人体温度的电压。
进一步的，第1组感温子电路输入偏置电流Ibias，第N组感温子电路输入偏置电流P*Ibias；当接收到启动信号后，MOS管M1、M2、M3、M4在开关电压VB1、VB2和开关信号S1、SB1的作用下开启，输出电压模拟量信号；每一组感温子电路均输出目标电压量VBE，第i(i＝1、2…N)组感温子电路输出目标电压量VBE；任意两组感温子电路之间均具有电压差，本实施例选取电压差最大的第1组感温子电路与第N组感温子电路输出目标电压差ΔVBE。
具体的，采用比例为1:P的电流分别偏置两个相同PNP晶体管，PNP晶体管的基极-发射极电压VBE具有绝对温度成互补关系(comtareplementary to absolutetemperature，简称CTAT)特性，因此，对于每组感温子电路，其均输出具有CTAT特性的目标电压量VBE：
其中，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷量，IC为集电极电流，IS为PNP管的饱和电流。
上述目标电压量VBE中，由于饱和电流IS具有较强的正温度特性，因此VBE呈现出CTAT特性。
而两个PNP晶体管的基极-发射极电压之差ΔVBE具有绝对温度成正比(proportional to absolute temperature，简称PTAT)特性，因此，第1组感温子电路与第N组感温子电路之间输出具有PTAT特性的目标电压差ΔVBE：
其中，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷量，p为Ibias电流。
因此，本实施例的一次性体温检测芯片输出目标电压量VBE和目标电压差ΔVBE以代表人体温度。
本实施例的一次性体温检测芯片利用PNP管作为一次性感温元件，利用PNP管的温度特性得到代表温度的电压，不仅测温精度、灵敏度、效率均较高，而且由于芯片为一次性使用的，不会产生交叉感染，安全系数较高，保证了工作人员的安全。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图。该测温系统包括感温电路1、温度转化电路2、控制电路3和显示终端5。
其中，感温电路1用于采集人体温度，并将温度转化为目标电压量和目标电压差。
具体的，感温电路1采用实施例一的一次性体温检测芯片采集人体温度，并输出电压模拟量以代表人体温度，其输出的电压模拟量包括目标电压量VBE和目标电压差ΔVBE，感温电路1的具体结构和输出请参见实施例一，此处不再赘述。
温度转化电路2与感温电路1连接，用于根据控制信号对目标电压量和目标电压差进行计算，得到温度信息，其中，温度信息为数字量。
具体的，温度转化电路2可以利用逐次逼近性模数转换器(successiveapproximation ADC，简称SAR ADC)对接收到的电压模拟量进行粗量化，并用Σ-Δ型模数转换器(Σ-ΔADC)进行细量化，从而对电压模拟量进行线性放大，进而将感温电路1产生的温度对应的电压模拟量转化为温度对应的数字量；接着，温度转化电路2再将数字量转化为对应的温度值。
本实施例中，温度转化电路采用SAR ADC和Σ-ΔADC一同实现粗量化和细量化，可以进一步提高转化精度。
具体的，温度转化电路2将感温电路1产生的目标电压量VBE和目标电压差ΔVBE按一定比例系数例如增益系数相加，得到与温度无关的基准电压VREF：
VREF＝VBE+α·ΔVBE (3)
其中，α为增益系数，可以通过线性拟合得到；VBE为目标电压量，ΔVBE为目标电压差。
因此，可以根据基准电压VREF计算αΔVBEPTAT电压与基准电压VREF的比值μ：
其中，μ是PTAT数字量，其为模数转换器对电压模拟量进行线性放大后得到。
再通过对比值μ进行线性变换，得到温度信息Dout：
Dout＝A·μ+B (5)
其中，A、B是固定常数，可以根据华氏温度、摄氏温度以及μ值之间的线性与非线性关系计算得到。
综上，感温电路1输出的电压模拟量经过温度转化电路2的量化得到数字量μ，然后再转化为对应的温度信息Dout。
本实施例的测温系统通过准确的温度感知和温度转化，使得测温系统可以实现较高的精度要求，最终输出的温度信息的精度为±0.1℃。
本实施例中，控制电路3与温度转化电路2连接，用于产生控制信号，协调各个电路模块的工作。
具体的，控制电路3用于协调各个电路模块的工作，其产生控制信号以控制温度转化电路2对电压模拟量的处理，同时，控制电路3为温度转化电路2提供工作时钟。
显示终端5与温度转化电路2连接，用于显示温度信息。
本实施例中，温度转化电路2将输出的温度信息Dout直接输出至显示终端5进行精确显示。具体的，显示终端5可以为手持式阅读设备。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图。该测温系统包括感温电路1、温度转化电路2、控制电路3、无线传输电路4、显示终端5。
感温电路1、温度转化电路2、控制电路3、显示终端5的具体结构请参见上述描述。
无线传输电路4连接在显示终端5和温度转化电路2之间，用于将温度转化电路2输出的温度信息进行调制调解后传输至显示终端5进行显示，从而实现非接触式远程数据处理，满足无线传输和后端数据处理的目的。
无线传输电路4还与控制电路3连接，控制电路3向无线传输电路4提供工作时钟，以控制无线传输电路4的工作。
具体的，无线传输电路4可以采用蓝牙技术或者RFID技术。
可以理解的是，该测温系统中温度转化电路2可以直接与显示终端5进行连接；也可以通过无线传输电路4进行连接，显示终端5直接读取蓝牙或者RFID电路传输的温度数据；相应的，显示终端5可以是手机或RFID阅读器。
进一步的，当无线传输电路4采用蓝牙技术传输时，感温电路1用电池供电；当无线传输电路采用RFID技术传输时，感温电路1可以采用电池供电，也可以不采用电池供电。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的又一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图。该测温系统包括感温电路1、温度转化电路2、控制电路3、无线传输电路4、显示终端5和后端数据中心6。
感温电路1、温度转化电路2、控制电路3、无线传输电路4、显示终端5的具体结构请参见上述描述。
后端数据中心6与无线传输电路4连接，用于将温度转化电路2输出的温度信息进行整合分析处理。
具体的，无线传输电路4将接收的温度信息传输至后端数据中心6，后端数据中心6将接收到的温度信息存储到动态数据库中，实现对数据的增删改查，以便进一步的后端分析处理。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的再一种基于一次性体温检测芯片的测温系统的结构示意图。该测温系统包括感温电路1、温度转化电路2、控制电路3、无线传输电路4、显示终端5、后端数据中心6、偏置电路7、动态元件匹配电路8、复位电路9、时钟电路10。
感温电路1、温度转化电路2、控制电路3、无线传输电路4、显示终端5、后端数据中心6的实施方式请参见上述描述，此处不再赘述。
偏置电路7与温度转化电路2、控制电路3和动态元件匹配电路8连接。偏置电路7通过动态元件匹配电路8向感温电路1提供工作所需的偏置电流，为温度转化电路2、控制电路3、动态元件匹配电路8提供相应的工作电压。
动态元件匹配电路8与感温电路1、控制电路3连接。动态元件匹配电路8向感温电路1提供动态元件匹配功能来减小测温误差。
具体的，可以在动态元件匹配电路8中的控制电路中设计P+1位循环移位寄存器，从而产生比例为1:P的偏置电流，并且循环选择一路偏置电流作为感温电路1输入的Ibias电流，另外P路作为P*Ibias电流。
本实施例利用动态匹配电路可以减小由第一开关S1和第二开关S1B形成的电流镜失配所造成的误差，通过循环选择单位偏置电流，达到消除误差的效果，提高测温的精确度。
复位电路9与控制电路3连接，时钟电路10与控制电路3连接。
具体的，复位电路9向控制电路3提供复位信号，时钟电路10向控制电路3提供时钟信号，以为温度转化电路2提供工作时钟。复位电路和时钟电路均与控制电路连接，可以通过控制电路3产生相应的控制信号、时钟信号、复位信号等信号，从而协调各个模块的工作，实现电路工作状态的控制，进而提高电路工作的稳定度和可靠性能，提高系统的可靠性和工作能力。
上述测温系统的工作过程为：感温电路1贴合在人体皮肤上，温度转化电路2接触感温电路1，给感温电路1提供启动信号，从而感温电路1接收动态元件匹配电路8产生的比例为1:P的偏置电流并采集人体温度，然后将采集到的温度转化为模拟电压量输出；温度转化电路2对接收到的模拟电压量进行处理，得到人体的温度信息；然后温度转化电路2直接或者通过无线传输电路4将温度信息传输到显示终端5上进行显示，从而得到代表人体温度值的数字量，实现温度检测；控制电路3根据接收到复位信号、时钟信号等信号产生相应的控制信号，协调各个模块的工作。测温完成后，将感温电路1舍弃处理。无线传输电路4还可以将温度信息传送到后端数据中心6，以进行数据的整合分析处理。
本发明的测温系统在进行体温检测时，只需将感温芯片贴在皮肤上即可实现测温，感温芯片直接与人体皮肤接触，不易受环境影响，感温灵敏度较高，测试精度较高；并且将感温芯片贴在皮肤上即可实现测温，无需测量特定部位的温度，对工作人员要求较低，保证了工作人员的安全；同时还具备数据的自动收集和数据处理功能，提升了系统的可靠性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种一次性体温检测芯片，其特征在于，包括并联设置的N(N≥2)组感温子电路(11)，每组感温子电路(11)包括：第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)和第一PNP管(PNP1)，其中，
所述第一MOS管(M1)的源极连接电源电压(VDD)，所述第一MOS管(M1)的栅极输入第一开关电压(VB1)，所述第一MOS管(M1)的漏极连接所述第二MOS管(M2)的源极；
所述第二MOS管(M2)的栅极输入第二开关电压(VB2)，所述第二MOS管(M2)的漏极连接所述第三MOS管(M3)的漏极和所述第四MOS管(M4)的漏极；
所述第三MOS管(M3)的栅极输入第一开关信号(S1)，所述第三MOS管(M3)的源极连接所述第四MOS管(M4)的源极、所述第一PNP管(PNP1)的发射极；
所述第四MOS管(M4)的栅极输入第二开关信号(S1B)；
所述第一PNP管(PNP1)的集电极连接其基极。
2.根据权利要求1所述的一次性体温检测芯片，其特征在于，所述第1组感温子电路的偏置电流为Ibias，所述第N组感温子电路的偏置电流为P*Ibias。
3.根据权利要求1所述的一次性体温检测芯片，其特征在于，所述第i(i＝1、2…N)组感温子电路输出具有绝对温度成互补关系特性的目标电压量VBE：
其中，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷量，IC为集电极电流，IS为PNP管的饱和电流；
所述第1组感温子电路与所述第N组感温子电路之间输出具有绝对温度成正比特性的目标电压差ΔVBE：
其中，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷量，p为Ibias电流。
4.一种基于一次性体温检测芯片的测温系统，其特征在于，包括：感温电路(1)、温度转化电路(2)、控制电路(3)和显示终端(5)，其中，
所述感温电路(1)用于采集人体温度，并将所述温度转化为目标电压量和目标电压差，所述感温电路(1)采用如权利要求1～3任一项所述的一次性体温检测芯片；
所述温度转化电路(2)与所述感温电路(1)连接，用于根据控制信号对所述目标电压量和所述目标电压差进行计算，得到温度信息；
所述控制电路(3)与所述温度转化电路(2)连接，用于产生所述控制信号；
所述显示终端(5)与所述温度转化电路(2)连接，用于显示所述温度信息。
5.根据权利要求4所述的基于一次性体温检测芯片的测温系统，其特征在于，所述温度信息的计算过程为：
将所述目标电压量和所述目标电压差按增益系数相加，得到与温度无关的基准电压VREF：
VREF＝VBE+α·ΔVBE
其中，α为增益系数，VBE为目标电压量，ΔVBE为目标电压差；
根据所述基准电压VREF计算αΔVBE(PTAT)电压与所述基准电压VREF的比值μ：
其中，μ是PTAT数字量；
对所述比值μ进行线性变换，得到所述温度信息Dout：
Dout＝A·μ+B
其中，A、B是固定常数。
6.根据权利要求4所述的基于一次性体温检测芯片的测温系统，其特征在于，所述温度信息的精度为±0.1℃。
7.根据权利要求4所述的基于一次性体温检测芯片的测温系统，其特征在于，还包括无线传输电路(4)，所述无线传输电路(4)连接在所述显示终端(5)和所述温度转化电路(2)之间，用于传输所述温度信息。
8.根据权利要求7所述的基于一次性体温检测芯片的测温系统，其特征在于，还包括后端数据中心(6)，所述后端数据中心(6)与所述无线传输电路(4)连接，用于对所述温度信息进行整合分析处理。
9.根据权利要求4所述的基于一次性体温检测芯片的测温系统，其特征在于，还包括偏置电路(7)、动态元件匹配电路(8)、复位电路(9)、时钟电路(10)，其中，
所述偏置电路(7)与所述温度转化电路(2)、所述控制电路(3)和所述动态元件匹配电路(8)连接，所述动态元件匹配电路(8)与所述感温电路(1)、所述控制电路(3)连接，所述复位电路(9)与所述控制电路(3)连接，所述时钟电路(10)与所述控制电路(3)连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN114879808A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-08-09 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 温度检测芯片及其ptat电路、温度传感器 |
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2021
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| CN114879808B (zh) * | 2022-04-08 | 2024-01-23 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 温度检测芯片及其ptat电路、温度传感器 |
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