Quoi de neuf dans les capteurs MEMS pour les appareils portables

Les capteurs MEMS existent depuis longtemps, mais les demandes du marché pour de nouvelles applications entraînent des mises à niveau de la technologie. En raison de leur petite taille, de leur précision et de leur fiabilité, les capteurs MEMS conviennent parfaitement aux appareils portables.

Les capteurs de pression barométrique, par exemple, sont idéaux pour être intégrés dans des montres, des bracelets de fitness, des écouteurs ou des smartphones pour prendre en charge des paramètres de fitness qui peuvent détecter si vous marchez sur une surface plane, sur une pente ou dans des escaliers. Ils ajoutent une troisième dimension (Z) aux appareils de navigation standard à deux dimensions (X, Y). En fait, certains sont suffisamment sensibles et précis pour qu'un appel d'urgence puisse signaler à un sauveteur à quel étage vous vous trouvez dans un gratte-ciel. Bosch Sensortec a maintenant introduit le capteur de pression barométrique robuste BMP 384 sur le marché des wearables. Il a été renforcé avec un boîtier rempli de gel, ce qui est une innovation pour un capteur de pression barométrique. Cela le rend résistant à l'eau et à divers environnements difficiles. De plus, en raison de sa petite taille (2,0 × 2,0 × 1,0 mm), il est facile à intégrer dans les smartphones, les appareils portables et les appareils auditifs.

Bosch a également introduit le capteur d'IA à auto-apprentissage BHI260AP, ​​qui peut être enseigné pour suivre des routines d'entraînement individualisées qui incluent une variété de mouvements différents. Et comme il a un boîtier résistant à l'eau, il peut également suivre les tours, les coups et les temps de repos pour un entraînement de natation.

À l'intérieur d'un capteur de pression barométrique MEMS

Le mécanisme de la série de capteurs de pression Bosch BMP est une membrane de 10 à 20 microns d'épaisseur dans une matrice en silicone. Il y a quatre éléments piézorésistifs dans la membrane de sorte que lorsqu'elle se plie en réponse à la pression, le changement de résistance des piézorésistances fait varier la sortie d'un pont de Wheatstone, produisant ainsi le signal de pression.

Il s'agit d'une technologie éprouvée, utilisée sur le marché automobile depuis plus de 20 ans et qui s'est avérée assez stable même dans des conditions difficiles. Il entre maintenant dans l'industrie de l'électronique grand public avec une feuille de route réussie derrière lui. Notre dernière entrée sur ce marché est le modèle BMP384, qui est non seulement robuste, mais aussi résistant aux fluides grâce à son boîtier rempli de gel

Précision

Précision relative est fonction de la pente de la courbe de sortie; c'est la précision des changements d'altitude, plutôt qu'une lecture absolue. Pour le Bosch BMP 390 haute performance, il est de +/- 0,03 hPa., ce qui équivaut à +/- 25 cm.

Précision absolue est une mesure de l'erreur maximale dans la lecture de la pression exacte. Pour le BMP390 performant, il est de +/- 0,50 hPa. D'autres spécifications relatives à la précision absolue incluent le bruit RMS :+/- 0,02 hPa; décalage du coefficient de température :(25 °C – 40 °C, à 900 Pa); Stabilité à 12 mois :+/- 0,16 hPa; et dérive de soudure :<+/- 0,8 hPa.

(La dérive de la soudure, bien qu'elle ne soit pas souvent mentionnée, peut être un facteur important. Lors de la soudure d'un appareil sur une carte de circuit imprimé, vous créez un gradient de température, qui peut provoquer une contrainte mécanique, y compris une flexion. Ce type de contrainte sur le capteur MEMS peut provoquer des changements dans la sortie électrique.)

Navigation

Les capteurs de pression barométrique MEMS peuvent être optimisés pour différentes applications. Par exemple, le BMP390, conçu pour une mesure d'altitude précise, a une résolution suffisamment bonne pour mesurer des changements de hauteur de moins de 10 cm. Avec une taille de boîtier de 2 mm × 2 mm × 0,75 mm, il peut être facilement intégré dans un smartphone ou une montre. Bosch, en collaboration avec NextNav LLC (Sunnyvale, Californie), a développé un système de navigation intérieure qui utilise le BMP390 pour fournir le composant de localisation intérieure de l'axe z pour la localisation et le positionnement en trois dimensions, suffisamment bon pour être utilisé pour les appels d'urgence améliorés ( E911).

Pour un appel d'urgence, une précision absolue est essentielle. Disons que vous vivez dans un appartement au 14ème étage, pour que les premiers intervenants vous trouvent rapidement, les informations sur l'axe z, ainsi que les x et y, doivent tous être précis et exacts.

Pour obtenir les lectures absolues les plus précises, vous devez commencer par un étalonnage qui prend en compte l'altitude de votre emplacement, par exemple, que vous soyez au bord de la mer ou au sommet d'une montagne. Ensuite, plusieurs facteurs supplémentaires peuvent affecter la précision absolue du capteur de pression. Par exemple, la corrélation entre la pression et l'altitude varie lorsque la pression barométrique extérieure change. Ce n'est généralement pas significatif pour les changements rapides d'altitude, mais par exemple, si votre téléphone avec son capteur intégré se trouve à un endroit particulier pendant 10 heures, la pression environnementale changera probablement au cours de cette période. Cela signifie donc qu'il est nécessaire d'apporter un signal correctif externe. Cela peut être réalisé avec la fusion de capteurs, combinant les informations de plusieurs types de capteurs différents, tels que les capteurs inertiels et magnétiques.

Fitness – Détection de la pression

Pour le suivi des routines d'entraînement, la précision relative est bonne - vous n'êtes intéressé que par le changement d'altitude, pas par la valeur absolue. Les facteurs environnementaux, cependant, sont importants pour les trackers de fitness, en particulier pour les appareils portables, tels que les montres intelligentes, surtout si vous souhaitez suivre la natation.

Le BMP384 rempli de gel peut être utilisé pour le suivi de la condition physique, en particulier lorsqu'il s'agit de changements d'altitude ou de condition physique dans des environnements difficiles comme l'eau.

Pour que le capteur fonctionne dans des environnements difficiles, le mécanisme de détection ainsi que l'ASIC intégré doivent être isolés. Dans le BMP 384, cela se fait en appliquant une couche de gel entre le diaphragme et le boîtier. Il nécessite un savoir-faire particulier pour fabriquer et appliquer un gel aux bonnes propriétés mécaniques et thermiques. Le gel doit transmettre la pression à la membrane, sans l'empêcher de se plier. Il doit également conduire suffisamment bien la chaleur pour que le capteur fonctionne sur une large plage de températures et enfin, il ne doit pas se raidir pendant la durée de vie du capteur.

Fitness — Intelligence Artificielle

Le capteur MEMS BHI260AP, ​​qui a été présenté par Bosch au CES 2021, est conçu pour être intégré dans les dispositifs portables au poignet, tels que les montres intelligentes et les bracelets de fitness; ou audibles. Il contient non seulement une IMU à six degrés de liberté avec un accéléromètre 3 axes 16 bits et un gyroscope 3 axes 16 bits, mais également un microcontrôleur programmable client 32 bits. Cette combinaison de matériel et de logiciel d'IA d'auto-apprentissage inclus prend en charge un appareil de fitness très sophistiqué.

Natation. Bosch Sensortec a développé un logiciel de suivi de natation pour le BHI260AP. En utilisant les données de capteur en temps réel de l'IMU et du microcontrôleur à virgule flottante, il peut fournir à la fois des données de capteur brutes et exécuter des fonctions d'IA qui génèrent des résultats pertinents pour une utilisation directe par un processeur d'application. Le capteur de mouvement intégré détermine le moment où l'utilisateur a commencé à nager, sans nécessiter aucune action de la part du nageur. Il classe ensuite le type de nage à partir de quatre catégories possibles :dos, nage libre, papillon et brasse, et enregistre le nombre de nages, de tours et de pauses entre les tours.

Entraînement à domicile. Ce capteur "intelligent" peut être formé pour être un assistant personnel pour votre entraînement à domicile - Il peut reconnaître et suivre les détails de votre routine d'exercice personnelle. Bien qu'il soit livré avec 15 activités de fitness préprogrammées, des activités supplémentaires peuvent être téléchargées.

Le capteur est suffisamment intelligent pour reconnaître de nouveaux exercices et peut s'adapter à votre propre entraînement spécifique. En apprenant de votre comportement, il peut reconnaître des centaines de mouvements et de schémas différents, pas seulement ceux que le fabricant de l'appareil a préprogrammés.

Pour chaque exercice, vous pouvez obtenir des commentaires détaillés et instantanés, par exemple :le type d'activité, le temps requis et le nombre de séries et de répétitions à effectuer. Ceci est ensuite converti en informations spécifiques sur l'intensité et la fréquence des exercices. Lorsque les utilisateurs suivent un plan d'entraînement prédéfini, ils peuvent être informés de leur degré d'avancement par rapport à leurs objectifs personnels tels que la perte de poids, la tonification ou le niveau de forme physique.

Pour les entraînements à haute intensité, où l'utilisateur passe rapidement d'une activité à l'autre, par exemple, s'entraîner pendant 20 à 30 secondes, suivi de 20 à 30 secondes de repos. Le dispositif de suivi de l'IA peut reconnaître automatiquement et de manière fiable chaque nouvel exercice lors du passage de l'un à l'autre.

Traitement des bords. Il y a plusieurs avantages à avoir le traitement des données intégré dans le capteur, plutôt que de transmettre des données brutes à un processeur central, peut-être dans le cloud. Tout d'abord, il faut beaucoup plus de puissance pour transmettre de grandes quantités de données, plutôt qu'un signal qui a déjà utilisé les données pour calculer un message de sortie significatif. La puissance peut également être réduite si le processeur local peut agréger les données et simplement les transmettre à intervalles fixes plutôt qu'en continu. Ceci est particulièrement important pour maximiser la durée de vie de la batterie. Il y a aussi la question de la vie privée :les utilisateurs à domicile, mais surtout les sportifs professionnels, ne veulent pas que d'autres aient accès à leurs dossiers. Et pour les mouvements rapides, vous ne voulez pas la latence causée par l'envoi de données ailleurs plutôt que de les traiter directement au niveau du capteur.

Résumer

Le développement de capteurs MEMS de plus en plus sophistiqués permet des applications pour les appareils portables limités uniquement par l'imagination des concepteurs. Deux exemples d'avancées clés à ce stade incluent le capteur de pression barométrique rempli de gel Bosch BMP384, qui est très résistant aux liquides et le BHI260AP, ​​qui comprend une IMU et un processeur de pointe pour exécuter des applications d'intelligence artificielle.

Cet article a été rédigé par le Dr Stefan Finkbeiner, PDG de Bosch Sensortec (Reutlingen, Allemagne). Pour plus d'informations, contactez Constantin Schmauder à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir.; ou visitez ici .