使用先进的压力传感器提升紧凑型物联网设计的精度和分辨率

作者:Majeed Ahmad

投稿人:Digi-Key 北美编辑

压力传感器广泛应用于物联网应用,例如无人机和工业自动化。但是,设计人员始终面临挑战,必须不断改进设备的精度、分辨率、抗噪能力和温度稳定性,同时降低成本,缩短产品的上市时间。

为了应对这些挑战,高级供应商引入了创新的功能、外形尺寸、集成电子设备和灵活的接口选项,这些都有力地促进了设计和集成的简化。

本文将对现代化集成压力传感器进行剖析,讨论它们如何处理温度补偿和输出精度等问题。此外还将讨论一些关键的设计注意事项,同时介绍合适的解决方案,阐述开发人员如何才能快速启动开发并让设备投入运行。

压力传感器的演进

压力传感器最初作为机电装置推向市场,但这些产品很快就让位于基于半导体且成本更低的设备,这类设备使用 MEMS,能够测量 ±1 帕斯卡的极小压力差。利用板载接口,它们能够通过 I2C 或 SPI 链路,将数据发送到微控制器,而且功耗要低得多。

在 MEMS 压力传感器中,压力被施加到柔性薄膜上,使得检测元件发生偏转,诱发失衡,进而转化为输出。基于 MEMS 的传感器可测量绝对和差分压力范围,并且分为补偿和无补偿版本。

适用于物联网设计的压力传感器

最新的技术进步让压力传感器变得更精确、重量更轻、成本更低,并且实现了更大的测量范围。这些创新是物联网和可穿戴式设备设计领域的新型应用所必需的。

例如,基于 MEMS 的压力传感器可应用于力求实现更高精度的卡路里消耗测量的新一代运动腕带。跑步者和骑行者十分讲究提高运动的监控精度。事实上,压力检测正在成为可穿戴式设备和物联网设计中的重要卖点之一,而这意味着压力传感器的尺寸还要继续缩小。

体积更小、功耗更低的新型 MEMS 传感器可以显著节省板空间,同时增强物联网设计的性能和可靠性。这些压力传感器采用超紧凑的薄型封装,也适合电池供电的便携式设计,例如智能手机和平板电脑,以及可穿戴式运动设备。

在一些电池供电的移动设备中,压力传感器能够在活动识别、精确楼层检测和户外定位等应用中增强甚至取代 GPS 功能。这些基于 MEMS 的压力传感器还能实现更精确的航位推算,在医疗保健和气候监测领域开创新型应用。

STMicroelectronics 提供的 LPS22HB 就是此类新型 MEMS 传感器一个很好的例子(图 1)。它是一款 MEMS 纳米压力传感器,绝对压力测量范围为 260 至 1260 百帕 (hPa),可提供数字输出。它的重要特性包括:2.0 x 2.0 x 0.76 毫米 (mm) 的超小尺寸;采用 LGA 封装;功耗低,仅消耗 3 微安 (µA) 电流;使用 1.7 伏至 3.6 伏电源。

STMicroelectronics 的 LPS22HB MEMS 气压计的图片

图 1:STMicroelectronics 的 LPS22HB MEMS 气压计的尺寸为 2 x 2 x 0.76 mm,仅消耗 3 µA 电流,使用 1.7 伏至 3.6 伏电源。(图片来源:STMicroelectronics)

LGA 封装带孔,允许外部压力到达传感元件。该传感器为压阻式传感器,包括检测元件和一个通过 I2C 或 SPI 将检测元件连接到应用的 IC 接口。

LPS22HB 提供温度和压力补偿,包含内置的 FIFO,能够在数字逻辑中高效地处理压力和温度数据(图 2)。

STMicroelectronics LPS22HB 的 FIFO 功能示意图

图 2:LPS22HB 的 FIFO 功能包含在数字逻辑部分,并提供温度和压力补偿。(图片来源:STMicroelectronics)

FIFO 缓冲器包括 32 个 40 位数据槽,用于存储压力和温度输出值。这样可以实现持续节电,因为主机不需要持续轮询传感器。相反,主机只需从中断唤醒,然后从 FIFO 输出需要的数据便可。

FIFO 具有七种不同的工作模式:旁通模式、FIFO 模式、流模式、动态流模式、流到 FIFO 模式、旁通到流模式,以及旁通到 FIFO 模式。它们提供了不同级别的可操作性。例如,在旁通模式下,FIFO 是不可操作的,并且为空,而动态流模式则可确保 FIFO 中可用的新数据量与前一个读数无关。

使用 LPS22HB 时,引脚 10 (VDD) 为供电引脚。建议在尽可能接近电源焊盘的位置放置一个 100 纳法 (nF) 的去耦电容器(图 3)。

STMicroelectronics LPS22HB 的 PC 板布局示意图

图 3:在 PC 板上布置 LPS22HB 时,将引脚 10 连接到 VDD 以获取电源,并在尽可能接近电源焊盘的位置贴放一个 100 nF 的去耦电容器。(图片来源:STMicroelectronics)

另外,使用 I2C 接口时,CS(引脚 6)必须连接到 VDD_IO(引脚 1)。

滤除噪声和突变

要在智能手表和运动腕带等复杂设计中使用压力传感器,保持超低噪声至关重要。鉴于存在发生突发事件导致大气压力骤然、快速升高的可能性,这一点显得尤其重要。

为了应对噪声,Bosch Sensortec 的 BMP388 大气压力传感器采用了无限脉冲响应 (IIR) 滤波器(图 4)。这使得压力传感器能够滤除因环境事件导致的压力突变。

Bosch Sensortec 的 BMP388 传感器图片

图 4:Bosch Sensortec 的 BMP388 传感器中的 IIR 滤波器有利于对关门或射击等事件做出低噪声响应。(图片来源:Bosch Sensortec)

BMP388 专为在智能手机、智能手表和消费型无人机中提供高度跟踪而设计。这款低噪声 24 位绝对大气压力传感器具有 300 hPa 到 1,250 hPa 的宽测量范围,相对精度为 ±0.66 m(图 5)。

Bosch-Sensortec 的 BMP388 数字 MEMS 大气压力传感器的示意图

图 5:Bosch-Sensortec 的 BMP388 数字 MEMS 大气压力传感器的尺寸为 2 x 2 x 0.8 mm,专为在导航仪器中提供高度信息而设计,精度为 ±0.66 m。

如果大气压力传感器在动态环境下(例如突然的温度变化)无法提供高度稳定性,则可以将气压数据与加速计数据及互补滤波器进行组合。针对这类需要采用传感器融合技术以实现最佳性能的实例,Bosch Sensortec 提供了 BMI088 惯性测量装置 (IMU) 来实现精确转向,以及 BMM150 地磁传感器用于提供航向数据。

在极端温度下测量压力

在压力传感器设计中,必须兼顾精度和分辨率。但是,压力传感器必须能够在矿井深处到山顶的不同高度下提供精确的响应,而这些环境中存在着极端的温度变化。同时,压力传感器还要保持湿介质兼容性。

在无人机等应用中,高度信息对于无人机的稳定性和着陆精度至关重要,无论环境如何变化,压力传感器都必须以很高的精度和分辨率提供这些高度信息。使用专利算法进行温度补偿,有助于 MEMS 器件达到 ±1 Pa 的精度,相当于不到 5 cm 的高度变化。

在可穿戴式设备等始终在线的运动检测应用中,温度会随着用户从一个环境进入另一个环境快速发生变化,此时温度稳定性显得尤其重要。NXP SemiconductorsMPL3115A2 提供了实现这一目标的良好范例(图 6)。

NXP 的 MPL3115A2 紧凑型压阻式绝对压力传感器的示意图

图 6:在 NXP 的 MPL3115A2 紧凑型压阻式绝对压力传感器中,压力和温度检测操作的互补示意图。(图片来源:NXP Semiconductors)

MPL3115A2 具有从 20 kPa 到 110 kPa 的广泛工作范围,这是 NXP 专为覆盖地球上所有表面海拔高度而精心设计的。它使用片上温度传感器进行温度补偿,之后将压力和温度信号进行多路复用、放大和滤波,并馈送到模数转换器 (ADC)。然后使用等式 1 中的公式来计算高度:

等式 1

其中:

h = 高度,以米或米的更小单位表示

p0 = 海平面气压 (101,326 Pa)

OFF_H = 用户输入的根据当地气候条件和美国标准大气压 1976 (NASA)

进行补偿后的等效海平面气压

p = 压力,以 Pa 或 Pa 的更小单位表示。

MPL3115A2 的核心规范包括片上处理(以避免对主机处理器造成负担),以及逐秒测量的 40 µA 典型有源供电电流(以提供稳定的输出分辨率)。它使用 1.95 伏至 3.6 伏电源供电(具有内部稳压),工作温度范围为 -40˚C 至 +85˚C。

传感器供应商全面考虑到了应用场景和条件的多样性。我们以 Honeywell 的 TBF 系列为例。它们是基本的力传感器,包括一个专为介质兼容性和低截流量为重要因素的应用而设计的平面膜片式压力传感器。它们适用于输液泵、可穿戴式设备、给药系统和机器人等应用,并具有内部温度补偿和校准。

值得注意的是,它们不进行内部信号放大,因此具有无限分辨率。相反,设计人员可充分利用这种未放大的信号,在 100 kPa 至 1 MPa 范围内获取应用所需的最高分辨率。

其他设计注意事项

虽然压力传感器的设计目的是满足物联网的新型设计要求,但它们仍然需要解决传统的问题,例如耐用性以及对氯气、溴、海水等化学物品的耐受性。湿气敏感性等级是除压力传感器电子设备保护之外的另一重大挑战。此外,压力传感器还应该易于安装和维护。

Amphenol 的 NovaSensor NPA 系列表面贴装式压力传感器正是参照这些标准设计而成,并采用 14 引脚 SOIC 封装(图 7)。

Amphenol 提供的表面贴装式 NPA 系列的图片

图 7:Amphenol 的表面贴装式 NPA 系列提供了灵活的输出选项。(图片来源:Amphenol)

NPA 系列提供标准、绝对、差分压力范围,以及毫伏、放大模拟或数字输出。其压力测试范围为 10 英寸水柱 (H20)(1 英寸 H20 = 249.0889 Pa)至 30 psi(1 psi = 6894.7529 Pa)。

总结

压力传感器是很多物联网应用的重要构件。随着物联网设备成本的降低,外形尺寸的缩小和上市时间压力的增大,为应对这些趋势,传感器制造商提供了经过改进、具有更强适应性的检测和补偿功能,以及简化的接口。

免责声明:各个作者和/或论坛参与者在本网站发表的观点、看法和意见不代表 Digi-Key Electronics 的观点、看法和意见,也不代表 Digi-Key Electronics 官方政策。

关于此作者

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad 是一名电子工程师,在 B2B 技术媒体方面拥有 20 多年的经验。他是《EE Times》姊妹刊物《EE Times Asia》的前主编。

Majeed 撰写了六本关于电子学书籍。他还经常为电子设计出版物撰稿,包括《All About Circuits》、《Electronic Products》和《Embedded Computing Design》。

关于此出版商

Digi-Key 北美编辑