Последние достижения в MEMS-датчиках для носимых технологий

MEMS-датчики существуют давно, но запросы рынка на новые приложения движут обновления технологий. Благодаря малому размеру, точности и надежности MEMS-датчики отлично подходят для носимых устройств.

Барометрические датчики давления, например, идеальны для встраивания в часы, фитнес-браслеты, наушники или смартфоны для поддержки фитнес-параметров, способных определять, идете ли вы по ровной поверхности, вверх по склону или по лестнице. Они добавляют третье (Z) измерение к стандартным двумерным (X, Y) навигационным устройствам. Фактически, некоторые достаточно чувствительны и точны, чтобы экстренный вызов мог сигнализировать спасателю, на каком этаже вы находитесь в небоскребе. Bosch Sensortec теперь представила на рынок носимых устройств надежный барометрический датчик давления BMP384. Он усилен гелевым корпусом, что является инновацией для барометрического датчика давления. Это делает его устойчивым к воде и различным суровым средам. Кроме того, благодаря малому размеру — 2,0 × 2,0 × 1,0 мм — его легко интегрировать в смартфоны, носимые и слышимые устройства.

Bosch также представила самобучающийся ИИ-датчик BHI260AP, который можно научить отслеживать индивидуальные тренировочные рутины, включающие различные движения. И поскольку у него водостойкий корпус, он также может отслеживать гребки, Züge и периоды отдыха при плавании.

Внутри MEMS барометрического датчика давления

Механизм серии барометрических датчиков давления Bosch BMP — это мембрана толщиной 10-20 микрон в кремниевом кристалле. В мембране четыре пьезорезистивных элемента, так что когда она изгибается под давлением, изменение сопротивления пьезорезисторов меняет выход вахтеновского моста, тем самым создавая сигнал давления.

Это хорошо проверенная технология, используемая на автомобильном рынке более 20 лет и доказавшая свою стабильность даже в суровых условиях. Теперь она входит в потребительскую электронику с успешным репутацией. Наш последний вход на этот рынок — модель BMP384, которая не только надежна, но и устойчива к среде благодаря гелевому корпусу.

Точность

Относительная точность — функция наклона выходной кривой; это точность изменений высоты, а не абсолютное чтение. Для высокопроизводительного Bosch BMP390 она составляет ±0,03 гПа, что эквивалентно ±25 см.

Абсолютная точность — мера максимальной ошибки в показании точного давления. Для высокопроизводительного BMP390 она составляет ±0,50 гПа. Другие спецификации, релевантные для абсолютной точности, включают RMS-шум: ±0,02 гПа; температурный коэффициент смещения: (25 °C – 40°C, при 900 Па); 12-месячная стабильность: ±0,16 гПа; и пайковый дрейф: <±0,8 гПа.

(Пайковый дрейф, хотя редко упоминается, может быть значительным фактором. При пайке устройства на печатную плату создается температурный градиент, вызывающий механическое напряжение, включая изгиб. Такое напряжение на MEMS-датчике может вызывать изменения в электрическом выходе.)

Навигация

MEMS барометрические датчики давления могут оптимизироваться для разных приложений. Например, BMP390, разработанный для точного измерения высоты, имеет достаточное разрешение для измерения изменений высоты менее 10 см. С размером корпуса 2 мм × 2 мм × 0,75 мм его легко интегрировать в смартфон или часы. Bosch в сотрудничестве с NextNav LLC (Саннивейл, штат Калифорния) разработала систему внутренней навигации, использующую BMP390 для предоставления Z-компоненты внутренней локации для трехмерного позиционирования, достаточно точного для улучшенных экстренных вызовов (E911).

Для экстренного вызова абсолютная точность критична. Допустим, вы живете в квартире на 14-м этаже, для спасателей, чтобы быстро вас найти, Z-информация, как и X и Y, все должны быть точными и точными.

Для достижения наиболее точных абсолютных показаний необходимо начать с калибровки, учитывающей высоту вашего местоположения, например, находитесь ли вы у моря или на вершине горы. Затем есть несколько дополнительных факторов, влияющих на абсолютную точность датчика давления. Например, корреляция между давлением и высотой меняется при изменении внешнего барометрического давления. Это обычно незначительно для быстрых изменений высоты, но, например, если ваш телефон со встроенным датчиком находится в одном месте 10 часов, окружающее давление, вероятно, изменится за этот период. Значит, необходимо привлечь внешний корректирующий сигнал. Это можно достичь сенсорным фьюженом, комбинируя информацию от нескольких типов датчиков, таких как инерциальные и магнитные.

Фитнес — измерение давления

Для отслеживания тренировочных рутин достаточно относительной точности — вас интересует только изменение высоты, а не абсолютное значение. Экологические факторы, однако, значимы для фитнес-трекеров, особенно для носимых, таких как умные часы, особенно если вы хотите отслеживать плавание.

Гелевый BMP384 можно использовать для фитнес-трекинга, особенно когда речь идет об изменении высоты или фитнесе в суровых средах, как вода.

Чтобы датчик работал в суровых средах, механизм чувствительности и встроенный ASIC должны быть изолированы. В BMP384 это делается путем нанесения слоя геля между мембраной и корпусом. Требуется специальное ноу-хау для создания и нанесения геля с правильными механическими и тепловыми свойствами. Гель должен передавать давление на мембрану, не блокируя её изгиб. Он также должен хорошо проводить тепло, чтобы датчик работал в широком температурном диапазоне, и, наконец, не должен жестеть за рабочую жизнь датчика.

Фитнес — искусственный интеллект

MEMS-датчик BHI260AP, представленный Bosch на CES 2021, предназначен для интеграции в носимые устройства на запястье, такие как умные часы и фитнес-браслеты; или слышимые устройства. Он не только содержит 6-степенную IMU с 16-битным 3-осевым акселерометром и 16-битным 3-осевым гироскопом, но и 32-битный пользовательски программируемый микроконтроллер. Эта комбинация аппаратного обеспечения плюс встроенное самобучающееся ИИ-программное обеспечение поддерживает очень сложное фитнес-устройство.

Плавание. Bosch Sensortec разработала программное обеспечение для отслеживания плавания для BHI260AP. Используя данные датчиков IMU в реальном времени и плавающий микроконтроллер, оно может предоставлять как необработанные данные датчиков, так и запускать ИИ-функции, генерирующие релевантные результаты для прямого использования прикладным процессором. Встроенный датчик движения определяет, когда пользователь начал плавать, не требуя никаких действий от пловца. Затем он классифицирует тип гребка из четырех возможных категорий — на спине, вольный стиль, баттерфляй и брасс — и записывает количество гребков, гребков и перерывов между ними.

Домашняя тренировка. Этот «умный» датчик можно обучить быть персональным помощником для вашей домашней тренировки — он может распознавать и отслеживать детали вашей личной тренировочной рутины. Хотя он поставляется с 15 предпрограммированными фитнес-активностями, дополнительные активности можно загрузить.

Датчик достаточно умен, чтобы распознавать новые упражнения и адаптироваться под вашу специфическую тренировку. Учась на вашем поведении, он может распознавать сотни различных движений и паттернов, не только те, что предварительно запрограммировал производитель устройства.

Для каждого упражнения вы можете получить подробную и мгновенную обратную связь, например: тип активности, требуемое время, количество подходов и повторений. Это затем преобразуется в конкретную информацию об интенсивности и частоте упражнений. Когда пользователи следуют предопределенному плану тренировок, они могут быть информированы о том, насколько близки они к достижению личных целей, таких как похудение, тонус или уровень фитнеса.

Для высокоинтенсивных тренировок, где пользователь быстро переключается между разными активностями, например, упражняется 20-30 секунд, затем 20-30 секунд отдыха. Устройство ИИ-трекинга может автоматически и надежно распознавать каждое новое упражнение при переходе от одного к другому.

Обработка на краю (Edge Processing). Есть несколько преимуществ в том, чтобы обработка данных была встроена в датчик, а не передавать сырые данные в центральный процессор, возможно, в облако. Во-первых, передача больших объемов данных требует гораздо больше энергии, чем сигнал, уже использовавший данные для вычисления значимого выходного сообщения. Энергию также можно сократить, если локальный процессор может агрегировать данные и передавать их только через фиксированные интервалы, а не постоянно. Это особенно важно для максимизации срока службы батареи. Также есть вопрос приватности: домашние пользователи, но особенно профессиональные спортсмены, не хотят, чтобы у других был доступ к их записям. И для быстрых движений вы не хотите задержки, вызванной отправкой данных в другое место вместо обработки прямо на датчике.

Подведение итогов

Разработка всё более сложных MEMS-датчиков открывает приложения для носимых устройств, ограниченные только воображением дизайнеров. Два примера ключевых достижений на данном этапе включают гелевый барометрический датчик давления Bosch BMP384, высокоустойчивый к жидкостям, и BHI260AP, включающий IMU и краевой процессор для запуска приложений искусственного интеллекта.

Статью написал доктор Стефан Финкбайнер, CEO, Bosch Sensortec (Ройтлинген, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с Константином Шмаудером по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.; или посетите сайт .