使用先進(jìn)的壓力傳感器提升緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的精度和分辨率

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如無人機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化。但是，設(shè)計(jì)人員始終面臨挑戰(zhàn)，必須不斷改進(jìn)設(shè)備的精度、分辨率、抗噪能力和溫度穩(wěn)定性，同時(shí)降低成本，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，高級(jí)供應(yīng)商引入了創(chuàng)新的功能、外形尺寸、集成電子設(shè)備和靈活的接口選項(xiàng)，這些都有力地促進(jìn)了設(shè)計(jì)和集成的簡化。

本文將對(duì)現(xiàn)代化集成壓力傳感器進(jìn)行剖析，討論它們?nèi)绾翁幚頊囟妊a(bǔ)償和輸出精度等問題。此外還將討論一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，同時(shí)介紹合適的解決方案，闡述開發(fā)人員如何才能快速啟動(dòng)開發(fā)并讓設(shè)備投入運(yùn)行。

壓力傳感器的演進(jìn)

壓力傳感器最初作為機(jī)電裝置推向市場，但這些產(chǎn)品很快就讓位于基于半導(dǎo)體且成本更低的設(shè)備，這類設(shè)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)，誘發(fā)失衡，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為輸出。基于 MEMS 的傳感器可測量絕對(duì)和差分壓力范圍，并且分為補(bǔ)償和無補(bǔ)償版本。

適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的壓力傳感器

最新的技術(shù)進(jìn)步讓壓力傳感器變得更精確、重量更輕、成本更低，并且實(shí)現(xiàn)了更大的測量范圍。這些創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴式設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新型應(yīng)用所必需的。

例如，基于 MEMS 的壓力傳感器可應(yīng)用于力求實(shí)現(xiàn)更高精度的卡路里消耗測量的新一代運(yùn)動(dòng)腕帶。跑步者和騎行者十分講究提高運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控精度。事實(shí)上，壓力檢測正在成為可穿戴式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的重要賣點(diǎn)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(shí)增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，例如智能手機(jī)和平板電腦，以及可穿戴式運(yùn)動(dòng)設(shè)備。

在一些電池供電的移動(dòng)設(shè)備中，壓力傳感器能夠在活動(dòng)識(shí)別、精確樓層檢測和戶外定位等應(yīng)用中增強(qiáng)甚至取代 GPS 功能。這些基于 MEMS 的壓力傳感器還能實(shí)現(xiàn)更精確的航位推算，在醫(yī)療保健和氣候監(jiān)測領(lǐng)域開創(chuàng)新型應(yīng)用。

由STMicroelectronics提供的LPS22HB就是此類新型 MEMS 傳感器一個(gè)很好的例子（圖 1）。它是一款 MEMS 納米壓力傳感器，絕對(duì)壓力測量范圍為 260 至 1260 百帕 (hPa)，可提供數(shù)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(jì)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(dá)傳感元件。該傳感器為壓阻式傳感器，包括檢測元件和一個(gè)通過 I2C 或 SPI 將檢測元件連接到應(yīng)用的 IC 接口。

LPS22HB提供溫度和壓力補(bǔ)償，包含內(nèi)置的 FIFO，能夠在數(shù)字邏輯中高效地處理壓力和溫度數(shù)據(jù)（圖 2）。

圖 2：LPS22HB 的 FIFO 功能包含在數(shù)字邏輯部分，并提供溫度和壓力補(bǔ)償。（圖片來源：STMicroelectronics）

FIFO 緩沖器包括 32 個(gè) 40 位數(shù)據(jù)槽，用于存儲(chǔ)壓力和溫度輸出值。這樣可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)節(jié)電，因?yàn)橹鳈C(jī)不需要持續(xù)輪詢傳感器。相反，主機(jī)只需從中斷喚醒，然后從 FIFO 輸出需要的數(shù)據(jù)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(dòng)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(jí)別的可操作性。例如，在旁通模式下，F(xiàn)IFO 是不可操作的，并且為空，而動(dòng)態(tài)流模式則可確保 FIFO 中可用的新數(shù)據(jù)量與前一個(gè)讀數(shù)無關(guān)。

使用 LPS22HB 時(shí)，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(gè) 100 納法 (nF) 的去耦電容器（圖 3）。

圖 3：在 PC 板上布置 LPS22HB 時(shí)，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(gè) 100 nF 的去耦電容器。（圖片來源：STMicroelectronics）

另外，使用 I2C 接口時(shí)，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(yùn)動(dòng)腕帶等復(fù)雜設(shè)計(jì)中使用壓力傳感器，保持超低噪聲至關(guān)重要。鑒于存在發(fā)生突發(fā)事件導(dǎo)致大氣壓力驟然、快速升高的可能性，這一點(diǎn)顯得尤其重要。

為了應(yīng)對(duì)噪聲，Bosch Sensortec 的?BMP388大氣壓力傳感器采用了無限脈沖響應(yīng) (IIR) 濾波器（圖 4）。這使得壓力傳感器能夠?yàn)V除因環(huán)境事件導(dǎo)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(duì)關(guān)門或射擊等事件做出低噪聲響應(yīng)。（圖片來源：Bosch Sensortec）

BMP388 專為在智能手機(jī)、智能手表和消費(fèi)型無人機(jī)中提供高度跟蹤而設(shè)計(jì)。這款低噪聲 24 位絕對(duì)大氣壓力傳感器具有 300 hPa 到 1,250 hPa 的寬測量范圍，相對(duì)精度為 ±0.66 m（圖 5）。

圖 5：Bosch-Sensortec 的 BMP388 數(shù)字 MEMS 大氣壓力傳感器的尺寸為 2 x 2 x 0.8 mm，專為在導(dǎo)航儀器中提供高度信息而設(shè)計(jì)，精度為 ±0.66 m。

如果大氣壓力傳感器在動(dòng)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(shù)據(jù)與加速計(jì)數(shù)據(jù)及互補(bǔ)濾波器進(jìn)行組合。針對(duì)這類需要采用傳感器融合技術(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳性能的實(shí)例，Bosch Sensortec 提供了BMI088慣性測量裝置 (IMU) 來實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向，以及BMM150地磁傳感器用于提供航向數(shù)據(jù)。

在極端溫度下測量壓力

在壓力傳感器設(shè)計(jì)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?shù)牟煌叨认绿峁┚_的響應(yīng)，而這些環(huán)境中存在著極端的溫度變化。同時(shí)，壓力傳感器還要保持濕介質(zhì)兼容性。

在無人機(jī)等應(yīng)用中，高度信息對(duì)于無人機(jī)的穩(wěn)定性和著陸精度至關(guān)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(jìn)行溫度補(bǔ)償，有助于 MEMS 器件達(dá)到 ±1 Pa 的精度，相當(dāng)于不到 5 cm 的高度變化。

在可穿戴式設(shè)備等始終在線的運(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用中，溫度會(huì)隨著用戶從一個(gè)環(huán)境進(jìn)入另一個(gè)環(huán)境快速發(fā)生變化，此時(shí)溫度穩(wěn)定性顯得尤其重要。NXP Semiconductors的MPL3115A2提供了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的良好范例（圖 6）。

圖 6：在 NXP 的 MPL3115A2 緊湊型壓阻式絕對(duì)壓力傳感器中，壓力和溫度檢測操作的互補(bǔ)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(shè)計(jì)的。它使用片上溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，之后將壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用、放大和濾波，并饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。然后使用等式 1 中的公式來計(jì)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(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1976 (NASA)

進(jìn)行補(bǔ)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(duì)主機(jī)處理器造成負(fù)擔(dān)），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(nèi)部穩(wěn)壓），工作溫度范圍為 -40?C 至 +85?C。

傳感器供應(yīng)商全面考慮到了應(yīng)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(gè)專為介質(zhì)兼容性和低截流量為重要因素的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的平面膜片式壓力傳感器。它們適用于輸液泵、可穿戴式設(shè)備、給藥系統(tǒng)和機(jī)器人等應(yīng)用，并具有內(nèi)部溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)。

值得注意的是，它們不進(jìn)行內(nèi)部信號(hào)放大，因此具有無限分辨率。相反，設(shè)計(jì)人員可充分利用這種未放大的信號(hào)，在 100 kPa 至 1 MPa 范圍內(nèi)獲取應(yīng)用所需的最高分辨率。

其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

雖然壓力傳感器的設(shè)計(jì)目的是滿足物聯(lián)網(wǎng)的新型設(shè)計(jì)要求，但它們?nèi)匀恍枰鉀Q傳統(tǒng)的問題，例如耐用性以及對(duì)氯氣、溴、海水等化學(xué)物品的耐受性。濕氣敏感性等級(jí)是除壓力傳感器電子設(shè)備保護(hù)之外的另一重大挑戰(zhàn)。此外，壓力傳感器還應(yīng)該易于安裝和維護(hù)。

Amphenol 的NovaSensor NPA 系列表面貼裝式壓力傳感器正是參照這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(xiàng)。（圖片來源：Amphenol）

NPA 系列提供標(biāo)準(zhǔn)、絕對(duì)、差分壓力范圍，以及毫伏、放大模擬或數(shù)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(jié)

壓力傳感器是很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要構(gòu)件。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成本的降低，外形尺寸的縮小和上市時(shí)間壓力的增大，為應(yīng)對(duì)這些趨勢，傳感器制造商提供了經(jīng)過改進(jìn)、具有更強(qiáng)適應(yīng)性的檢測和補(bǔ)償功能，以及簡化的接口。