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坚固而精确的气压传感器 可穿戴设备的理想选择

Created by 儒卓力产品线经理Ralf Kern和英飞凌科技压力传感器产品营销经理Theresa Möhrle |   Asia Knowledge Rutronik

智能手表和可穿戴设备通常用于恶劣的环境中,并且其运动和活动跟踪等功能要求具有高精度、快读取和低功耗的特性。为了实现精确的高程增益、垂直速率和运动检测,气压传感器因此而被集成在这些设备中了。

英飞凌新型DPS368气压传感器非常适合这些应用,因为与其他防水压力传感器相比,该器件可以节省多达80%的空间。另外,与压阻技术相比,DPS368气压传感器的精度为±2 cm,可以节省多达50%的功率。这款数字式气压传感器坚固耐用,其胶垫和隔膜均有凝胶保护(图1),可防止水、湿气和灰尘进入。DPS368通过了IPx8认证,可以在水下50 米环境承受长达一小时。DPS368压力传感器组件采用电容传感原理,可在温度变化期间保证高精度。它基于久经考验的DPS310器件,并且带有非常坚固且防水的封装,因此非常适合恶劣环境下的各种应用(图2)。目标应用是智能手表、可穿戴设备和智能手机(例如健身追踪、步数统计、跌倒检测、导航、高度检测);家用电器(例如暖通空调/真空吸尘器中的气流控制、洗衣机中的水位检测、入侵检测);无人机(例如飞行稳定性、高度控制)和医疗保健(例如跌倒检测、气流监测)。

 

坚固且敏感

DPS368气压传感器具有出色的分辨率、温度稳定性、能效和耐用性。这些优点使它特别适用于需要检测压力变化很小的电池供电应用,即使在恶劣的环境下也是如此。该传感器将大气压和温度感应(图3)功能集成到单一且非常紧凑的8引脚LGA封装中,尺寸仅为2.0 mm × 2.5 mm × 1.1 mm。压力测量的平均电流消耗为1.7μA(待机模式下仅为0.5μA)。

DPS368气压传感器的精度可达±0.002 hPa(等于±2 cm),可以在–40至+ 85°C温度范围测量300 hPa至1200 hPa之间的气压,并且具有低于0.5 Pa/°C的温度敏感度。温度读数精确到±0.5°C。该传感器能够检测单楼梯、身体动作或手势。在生产过程中,每个单一组件都经过单独校准,校准系数存储在一次性可编程(OTP)存储器中。可以使用I2C或SPI接口传输原始数据,并且在主机设备中计算补偿压力值。

全速运行时,该器件的功耗相比竞争对手产品低50%,这归功于其电容技术(交流偏置),从而可以延长电池使用寿命。集成的FIFO可以存储32个测量值,并允许主机处理器在两次读取之间的长间隔进入睡眠模式,从而进一步节省了系统功耗。

高测量速率(高达200 Hz)和快速读取可实现快速的传感器反馈。

 

电容技术

典型的小尺寸MEMS(微机电系统)压力传感器围绕压阻测量技术而构建。在这些情况下,通过应变传感器来检测膜片相对于压力变化的挠曲。但是,压阻式传感组件特别容易随温度改变而变化,而且它们对于温度变化没有线性响应。因此,与电容组件相比,这些传感器需要更复杂的校准。此外,电阻测量会带来相对较高的电流消耗,在目标应用设备由电池供电且使用寿命至关重要的情况下,这是一个特别重要的考虑因素。

由于压阻技术的局限性,英飞凌为其压力传感器开发了一种电容式MEMS技术。图4显示了所开发的单元结构和电容式电桥配置。这个气压传感器由四个传感和参比单元阵列组成。传感单元具有柔性膜,该膜片可对压力变化做出反应并提供气压测量值。参比单元则具有坚硬的膜,该膜片对压力变化无反应,并提供稳定的测量参比。这种结构的好处是压力测量是可以差分的,并且传感单元和参比单元都暴露在相同的温度变化下,从而消除了温度漂移的影响。单元尺寸针对高灵敏度和机械可靠性进行了优化。它基于小型MEMS电池,没有重力效应。除了在宽温度和压力范围内具有非常好的温度稳定性之外,其他关键特性还包括低噪声和低功耗。

 

优化的系统设计

为实现灵活的系统设计,这个传感器可以针对不同的使用案例配置,以便在平衡能耗的情况下优化分辨率。不同的操作模式(高精度、标准、低功耗和超低功耗 ) 协调了不同的精度(2至50 cm)和测量速率(单脉冲和高达200 Hz)。例如,可以针对GPS高度精度配置一次性测量操作,或者使用每秒进行多次测量的选项来满足手势识别或跌倒检测的需求。可配置模式(图5)还可以优化效率,因为功耗与测量频率成正比。

DPS368
DPS368的ASIC和MEMS芯片在非常坚固的封装中受到凝胶保护