Что нового в датчиках MEMS для носимых устройств

МЭМС-датчики существуют уже давно, но запросы рынка на новые приложения стимулируют модернизацию технологии. Благодаря небольшому размеру, точности и надежности МЭМС-датчики хорошо подходят для носимых устройств.

Датчики барометрического давления, например, идеально подходят для встраивания в часы, фитнес-браслеты, наушники или смартфоны для поддержки параметров фитнеса, которые могут определить, идете ли вы по ровной поверхности, по склону или по лестнице. Они добавляют третье (Z) измерение к стандартным двумерным (X, Y) навигационным устройствам. На самом деле, некоторые из них достаточно чувствительны и точны, поэтому экстренный вызов может сообщить спасателям, на каком этаже небоскреба вы находитесь. Компания Bosch Sensortec представила надежный датчик барометрического давления BMP 384 на рынке носимых устройств. Он был усилен наполненным гелем корпусом, что является инновацией для датчика барометрического давления. Это делает его устойчивым к воде и различным агрессивным средам. Кроме того, благодаря небольшому размеру — 2,0 × 2,0 × 1,0 мм — его легко интегрировать в смартфоны, носимые и слуховые устройства.

Bosch также представила самообучающийся датчик искусственного интеллекта BHI260AP, ​​который можно научить отслеживать индивидуальные программы тренировок, включающие различные движения. А поскольку у него водостойкий корпус, он также может отслеживать круги, гребки и время отдыха во время тренировки по плаванию.

Внутри МЭМС-датчика барометрического давления

Механизм датчиков давления Bosch серии BMP представляет собой мембрану толщиной от 10 до 20 микрон в кремниевой матрице. В мембране есть четыре пьезорезистивных элемента, поэтому, когда она изгибается в ответ на давление, изменение сопротивления пьезорезисторов изменяет выходной сигнал моста Уитстона, тем самым создавая сигнал давления.

Это хорошо зарекомендовавшая себя технология, которая используется на автомобильном рынке уже более 20 лет и показала свою стабильность даже в суровых условиях. В настоящее время он входит в индустрию бытовой электроники с успешным послужным списком. Наша последняя новинка на этом рынке — модель BMP384, которая не только надежна, но и устойчива к средам благодаря наполнению гелем.

Точность

Относительная точность является функцией наклона кривой выпуска; это точность изменения высоты, а не абсолютное показание. Для высокопроизводительного Bosch BMP 390 оно составляет +/- 0,03 гПа, что эквивалентно +/- 25 см.

Абсолютная точность является мерой максимальной ошибки при считывании точного давления. Для высокопроизводительного BMP390 оно составляет +/- 0,50 гПа. Другие характеристики, относящиеся к абсолютной точности, включают среднеквадратичное значение шума:+/- 0,02 гПа; Смещение температурного коэффициента:(25 °C – 40 °C, при 900 Па); 12-месячная стабильность:+/- 0,16 гПа; дрейф припоя:<+/- 0,8 гПа.

(Дрейф припоя, хотя и не часто упоминаемый, может быть существенным фактором. При пайке устройства к печатной плате вы создаете температурный градиент, который может вызвать механическое напряжение, в том числе изгиб. вызвать изменения в электрической мощности.)

Навигация

Датчики барометрического давления MEMS можно оптимизировать для различных применений. Например, BMP390, предназначенный для точного измерения высоты, имеет достаточно хорошее разрешение, чтобы измерять изменения высоты менее 10 см. Размер корпуса 2 мм × 2 мм × 0,75 мм позволяет легко интегрировать его в смартфон или часы. Компания Bosch совместно с компанией NextNav LLC (Саннивейл, Калифорния) разработала внутреннюю навигационную систему, в которой используется BMP390 для обеспечения внутреннего компонента определения местоположения по оси Z для трехмерного определения местоположения и позиционирования, достаточно хорошего для использования для расширенных экстренных вызовов ( E911).

Для экстренного вызова абсолютная точность имеет решающее значение. Допустим, вы живете в квартире на 14-м этаже. Чтобы службы экстренного реагирования могли быстро вас найти, информация по оси Z, а также по осям X и Y должна быть точной и точной.

Чтобы получить наиболее точные абсолютные показания, вам придется начать с калибровки, учитывающей высоту вашего местоположения, например, находитесь ли вы на берегу моря или на вершине горы. Кроме того, существует несколько дополнительных факторов, которые могут повлиять на абсолютную точность датчика давления. Например, корреляция между давлением и высотой меняется по мере изменения внешнего барометрического давления. Обычно это не имеет значения для быстрых изменений высоты, но, например, если ваш телефон со встроенным датчиком находится в одном конкретном месте в течение 10 часов, давление окружающей среды, вероятно, изменится за этот период. Значит, необходимо подать внешний корректирующий сигнал. Этого можно достичь с помощью объединения датчиков, объединяющего информацию от нескольких различных типов датчиков, таких как инерционные и магнитные.

Фитнес — измерение давления

Для отслеживания тренировок относительная точность хороша — вас интересует только изменение высоты, а не абсолютное значение. Однако факторы окружающей среды имеют большое значение для фитнес-трекеров, особенно для носимых устройств, таких как смарт-часы, особенно если вы хотите отслеживать плавание.

Наполненный гелем BMP384 можно использовать для отслеживания физической активности, особенно когда речь идет об изменении высоты над уровнем моря или физической активности в суровых условиях, таких как вода.

Чтобы датчик работал в суровых условиях, чувствительный механизм, а также встроенная ASIC должны быть изолированы. В BMP 384 это делается путем нанесения слоя геля между диафрагмой и корпусом. Для изготовления и нанесения геля с нужными механическими и термическими свойствами требуется особое ноу-хау. Гель должен передавать давление на мембрану, при этом не препятствуя ее изгибу. Он также должен достаточно хорошо проводить тепло, чтобы датчик работал в широком диапазоне температур, и, наконец, он не должен затвердевать в течение срока службы датчика.

Фитнес — искусственный интеллект

МЭМС-датчик BHI260AP, ​​представленный Bosch на выставке CES 2021, предназначен для интеграции в наручные устройства, такие как смарт-часы и фитнес-браслеты; или слуховые аппараты. Он не только содержит IMU с шестью степенями свободы с 16-битным 3-осевым акселерометром и 16-битным 3-осевым гироскопом, но также 32-битный микроконтроллер, программируемый пользователем. Это сочетание аппаратного обеспечения и самообучающегося программного обеспечения искусственного интеллекта поддерживает очень сложное фитнес-устройство.

Плавание. Bosch Sensortec разработала программное обеспечение для отслеживания плавания для BHI260AP. Используя данные датчика в реальном времени от IMU и микроконтроллера с плавающей запятой, он может предоставлять как необработанные данные датчика, так и запускать функции искусственного интеллекта, которые генерируют соответствующие результаты для непосредственного использования процессором приложения. Встроенный датчик движения определяет, когда пользователь начал плавание, не требуя от пловца никаких действий. Затем он классифицирует тип гребка из четырех возможных категорий — плавание на спине, вольный стиль, баттерфляй и брасс — и записывает количество гребков, кругов и любых перерывов между кругами.

Домашняя тренировка. Этот «умный» датчик можно превратить в личного помощника для домашних тренировок — он может распознавать и отслеживать детали вашей личной тренировки. Несмотря на то, что он поставляется с 15 предварительно запрограммированными фитнес-упражнениями, можно загрузить дополнительные занятия.

Датчик достаточно умен, чтобы распознавать новые упражнения и может адаптироваться к вашей конкретной тренировке. Изучая ваше поведение, он может распознавать сотни различных движений и паттернов, а не только те, которые запрограммированы производителем устройства.

Для каждого упражнения вы можете получить подробную и мгновенную обратную связь, например:тип активности, необходимое время и количество подходов и повторений, которые необходимо выполнить. Затем она преобразуется в конкретную информацию об интенсивности и частоте упражнений. Когда пользователи следуют предварительно определенному плану тренировок, они могут быть проинформированы о том, насколько они близки к достижению своих личных целей, таких как потеря веса, тонус или уровень физической подготовки.

Для тренировок высокой интенсивности, когда пользователь быстро переключается между различными видами деятельности, например, 20–30 секунд упражнений, а затем 20–30 секунд отдыха. Устройство отслеживания AI может автоматически и надежно распознавать каждое новое упражнение при переходе от одного к другому.

Пограничная обработка. Есть несколько преимуществ встроенной в датчик обработки данных по сравнению с передачей необработанных данных на центральный процессор, возможно, в облаке. Во-первых, для передачи больших объемов данных требуется гораздо больше энергии, чем для сигнала, который уже использовал данные для вычисления значимого выходного сообщения. Мощность также может быть снижена, если локальный процессор может агрегировать данные и просто передавать их с фиксированными интервалами, а не непрерывно. Это особенно важно для увеличения срока службы батареи. Существует также вопрос конфиденциальности:домашние пользователи, особенно профессиональные спортсмены, не хотят, чтобы другие имели доступ к их записям. А для быстрых движений вам не нужна задержка, вызванная отправкой данных в другое место, а не их обработкой прямо на датчике.

Подводя итоги

Разработка все более сложных МЭМС-датчиков позволяет использовать носимые устройства, возможности которых ограничены только воображением дизайнеров. Два примера ключевых достижений на данный момент включают заполненный гелем датчик барометрического давления Bosch BMP384, обладающий высокой устойчивостью к жидкостям, и BHI260AP, ​​который включает в себя IMU и пограничный процессор для запуска приложений искусственного интеллекта.

Эта статья была написана доктором Стефаном Финкбайнером, генеральным директором Bosch Sensortec (Ройтлинген, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с Константином Шмаудером по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.; или посетите здесь .