- 如何使用壓力傳感器解決物聯(lián)網設計的精度問題
- 來源：互聯(lián)網 發(fā)表于 2020/6/2
壓力傳感器廣泛應用于物聯(lián)網應用，例如無人機和工業(yè)自動化。但是，設計人員始終面臨挑戰(zhàn)，必須不斷改進設備的精度、分辨率、抗噪能力和溫度穩(wěn)定性，同時降低成本，縮短產品的上市時間。
為了應對這些挑戰(zhàn)，高級供應商引入了創(chuàng)新的功能、外形尺寸、集成電子設備和靈活的接口選項，這些都有力地促進了設計和集成的簡化。
本文將對現代化集成壓力傳感器進行剖析，討論它們如何處理溫度補償和輸出精度等問題。此外還將討論一些關鍵的設計注意事項，同時介紹合適的解決方案，闡述開發(fā)人員如何才能快速啟動開發(fā)并讓設備投入運行。
壓力傳感器的演進
壓力傳感器最初作為機電裝置推向市場，但這些產品很快就讓位于基于半導體且成本更低的設備，這類設備使用 MEMS，能夠測量 ±1 帕斯卡的極小壓力差。利用板載接口，它們能夠通過 I2C 或 SPI 鏈路，將數據發(fā)送到微控制器，而且功耗要低得多。
在 MEMS 壓力傳感器中，壓力被施加到柔性薄膜上，使得檢測元件發(fā)生偏轉，誘發(fā)失衡，進而轉化為輸出�；� MEMS 的傳感器可測量絕對和差分壓力范圍，并且分為補償和無補償版本。
適用于物聯(lián)網設計的壓力傳感器
最新的技術進步讓壓力傳感器變得更精確、重量更輕、成本更低，并且實現了更大的測量范圍。這些創(chuàng)新是物聯(lián)網和可穿戴式設備設計領域的新型應用所必需的。
例如，基于 MEMS 的壓力傳感器可應用于力求實現更高精度的卡路里消耗測量的新一代運動腕帶。跑步者和騎行者十分講究提高運動的監(jiān)控精度。事實上，壓力檢測正在成為可穿戴式設備和物聯(lián)網設計中的重要賣點之一，而這意味著壓力傳感器的尺寸還要繼續(xù)縮小。
體積更小、功耗更低的新型 MEMS 傳感器可以顯著節(jié)省板空間，同時增強物聯(lián)網設計的性能和可靠性。這些壓力傳感器采用超緊湊的薄型封裝，也適合電池供電的便攜式設計，例如智能手機和平板電腦，以及可穿戴式運動設備。
在一些電池供電的移動設備中，壓力傳感器能夠在活動識別、精確樓層檢測和戶外定位等應用中增強甚至取代 GPS 功能。這些基于 MEMS 的壓力傳感器還能實現更精確的航位推算，在醫(yī)療保健和氣候監(jiān)測領域開創(chuàng)新型應用。
由 STMicroelectronics 提供的 LPS22HB 就是此類新型 MEMS 傳感器一個很好的例子（圖 1）。它是一款 MEMS 納米壓力傳感器，絕對壓力測量范圍為 260 至 1260 百帕 (hPa)，可提供數字輸出。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 封裝；功耗低，僅消耗 3 微安 (μA) 電流；使用 1.7 伏至 3.6 伏電源。
圖 1：STMicroelectronics 的 LPS22HB MEMS 氣壓計的尺寸為 2 x 2 x 0.76 mm，僅消耗 3 μA 電流，使用 1.7 伏至 3.6 伏電源。（圖片來源：STMicroelectronics）
LGA 封裝帶孔，允許外部壓力到達傳感元件。該傳感器為壓阻式傳感器，包括檢測元件和一個通過 I2C 或 SPI 將檢測元件連接到應用的 IC 接口。
LPS22HB 提供溫度和壓力補償，包含內置的 FIFO，能夠在數字邏輯中高效地處理壓力和溫度數據（圖 2）。
圖 2：LPS22HB 的 FIFO 功能包含在數字邏輯部分，并提供溫度和壓力補償。（圖片來源：STMicroelectronics）
FIFO 緩沖器包括 32 個 40 位數據槽，用于存儲壓力和溫度輸出值。這樣可以實現持續(xù)節(jié)電，因為主機不需要持續(xù)輪詢傳感器。相反，主機只需從中斷喚醒，然后從 FIFO 輸出需要的數據便可。
FIFO 具有七種不同的工作模式：旁通模式、FIFO 模式、流模式、動態(tài)流模式、流到 FIFO 模式、旁通到流模式，以及旁通到 FIFO 模式。它們提供了不同級別的可操作性。例如，在旁通模式下，FIFO 是不可操作的，并且為空，而動態(tài)流模式則可確保 FIFO 中可用的新數據量與前一個讀數無關。
使用 LPS22HB 時，引腳 10 (VDD) 為供電引腳。建議在盡可能接近電源焊盤的位置放置一個 100 納法 (nF) 的去耦電容器（圖 3）。
圖 3：在 PC 板上布置 LPS22HB 時，將引腳 10 連接到 VDD 以獲取電源，并在盡可能接近電源焊盤的位置貼放一個 100 nF 的去耦電容器。（圖片來源：STMicroelectronics）
另外，使用 I2C 接口時，CS（引腳 6）必須連接到 VDD_IO（引腳 1）。
濾除噪聲和突變
要在智能手表和運動腕帶等復雜設計中使用壓力傳感器，保持超低噪聲至關重要。鑒于存在發(fā)生突發(fā)事件導致大氣壓力驟然、快速升高的可能性，這一點顯得尤其重要。
為了應對噪聲，Bosch Sensortec 的 BMP388 大氣壓力傳感器采用了無限脈沖響應 (IIR) 濾波器（圖 4）。這使得壓力傳感器能夠濾除因環(huán)境事件導致的壓力突變。
圖 4：Bosch Sensortec 的 BMP388 傳感器中的 IIR 濾波器有利于對關門或射擊等事件做出低噪聲響應。（圖片來源：Bosch Sensortec）
BMP388 專為在智能手機、智能手表和消費型無人機中提供高度跟蹤而設計。這款低噪聲 24 位絕對大氣壓力傳感器具有 300 hPa 到 1,250 hPa 的寬測量范圍，相對精度為 ±0.66 m（圖 5）。
圖 5：Bosch-Sensortec 的 BMP388 數字 MEMS 大氣壓力傳感器的尺寸為 2 x 2 x 0.8 mm，專為在導航儀器中提供高度信息而設計，精度為 ±0.66 m。
如果大氣壓力傳感器在動態(tài)環(huán)境下（例如突然的溫度變化）無法提供高度穩(wěn)定性，則可以將氣壓數據與加速計數據及互補濾波器進行組合。針對這類需要采用傳感器融合技術以實現最佳性能的實例，Bosch Sensortec 提供了 BMI088 慣性測量裝置 (IMU) 來實現精確轉向，以及 BMM150 地磁傳感器用于提供航向數據。
在極端溫度下測量壓力
在壓力傳感器設計中，必須兼顧精度和分辨率。但是，壓力傳感器必須能夠在礦井深處到山頂的不同高度下提供精確的響應，而這些環(huán)境中存在著極端的溫度變化。同時，壓力傳感器還要保持濕介質兼容性。
在無人機等應用中，高度信息對于無人機的穩(wěn)定性和著陸精度至關重要，無論環(huán)境如何變化，壓力傳感器都必須以很高的精度和分辨率提供這些高度信息。使用專利算法進行溫度補償，有助于 MEMS 器件達到 ±1 Pa 的精度，相當于不到 5 cm 的高度變化。
在可穿戴式設備等始終在線的運動檢測應用中，溫度會隨著用戶從一個環(huán)境進入另一個環(huán)境快速發(fā)生變化，此時溫度穩(wěn)定性顯得尤其重要。NXP Semiconductors 的 MPL3115A2 提供了實現這一目標的良好范例（圖 6）。
圖 6：在 NXP 的 MPL3115A2 緊湊型壓阻式絕對壓力傳感器中，壓力和溫度檢測操作的互補示意圖。（圖片來源：NXP Semiconductors）
MPL3115A2 具有從 20 kPa 到 110 kPa 的廣泛工作范圍，這是 NXP 專為覆蓋地球上所有表面海拔高度而精心設計的。它使用片上溫度傳感器進行溫度補償，之后將壓力和溫度信號進行多路復用、放大和濾波，并饋送到模數轉換器 (ADC)。然后使用等式 1 中的公式來計算高度：
其中：
h = 高度，以米或米的更小單位表示
p0 = 海平面氣壓 (101,326 Pa)
OFF_H = 用戶輸入的根據當地氣候條件和美國標準大氣壓 1976 (NASA)
進行補償后的等效海平面氣壓
p = 壓力，以 Pa 或 Pa 的更小單位表示。
MPL3115A2 的核心規(guī)范包括片上處理（以避免對主機處理器造成負擔），以及逐秒測量的 40 μA 典型有源供電電流（以提供穩(wěn)定的輸出分辨率）。它使用 1.95 伏至 3.6 伏電源供電（具有內部穩(wěn)壓），工作溫度范圍為 -40?C 至 +85?C。
傳感器供應商全面考慮到了應用場景和條件的多樣性。我們以 Honeywell 的 TBF 系列為例。它們是基本的力傳感器，包括一個專為介質兼容性和低截流量為重要因素的應用而設計的平面膜片式壓力傳感器。它們適用于輸液泵、可穿戴式設備、給藥系統(tǒng)和機器人等應用，并具有內部溫度補償和校準。
值得注意的是，它們不進行內部信號放大，因此具有無限分辨率。相反，設計人員可充分利用這種未放大的信號，在 100 kPa 至 1 MPa 范圍內獲取應用所需的最高分辨率。
其他設計注意事項
雖然壓力傳感器的設計目的是滿足物聯(lián)網的新型設計要求，但它們仍然需要解決傳統(tǒng)的問題，例如耐用性以及對氯氣、溴、海水等化學物品的耐受性。濕氣敏感性等級是除壓力傳感器電子設備保護之外的另一重大挑戰(zhàn)。此外，壓力傳感器還應該易于安裝和維護。
Amphenol 的 NovaSensor NPA 系列表面貼裝式壓力傳感器正是參照這些標準設計而成，并采用 14 引腳 SOIC 封裝（圖 7）。
圖 7：Amphenol 的表面貼裝式 NPA 系列提供了靈活的輸出選項。（圖片來源：Amphenol）
NPA 系列提供標準、絕對、差分壓力范圍，以及毫伏、放大模擬或數字輸出。其壓力測試范圍為 10 英寸水柱 (H20)（1 英寸 H20 = 249.0889 Pa）至 30 psi（1 psi = 6894.7529 Pa）。
總結
壓力傳感器是很多物聯(lián)網應用的重要構件。隨著物聯(lián)網設備成本的降低，外形尺寸的縮小和上市時間壓力的增大，為應對這些趨勢，傳感器制造商提供了經過改進、具有更強適應性的檢測和補償功能，以及簡化的接口。
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