Dernières avancées des capteurs MEMS pour la technologie portable

Capteurs MEMS : moteurs de l'innovation dans les wearables

Les capteurs MEMS existent depuis longtemps, mais les demandes du marché pour de nouvelles applications poussent à des mises à niveau technologiques. Grâce à leur petite taille, leur précision et leur fiabilité, ils sont idéaux pour les dispositifs portables.

Les capteurs de pression barométrique, par exemple, sont parfaits pour être intégrés dans montres, bracelets fitness, écouteurs ou smartphones afin de prendre en charge des paramètres de fitness détectant si vous marchez sur terrain plat, en pente ou dans les escaliers. Ils ajoutent une troisième dimension (Z) aux dispositifs de navigation bidimensionnels standards (X, Y). Certains sont assez sensibles et précis pour qu'un appel d'urgence puisse indiquer à un sauveteur à quel étage vous vous trouvez dans un gratte-ciel. Bosch Sensortec a lancé le capteur de pression barométrique robuste BMP 384 sur le marché des wearables. Il a été renforcé avec un boîtier rempli de gel — une innovation pour un capteur de pression barométrique — le rendant résistant à l'eau et aux environnements difficiles. De plus, sa petite taille — 2,0 × 2,0 × 1,0 mm — facilite son intégration dans smartphones, wearables et hearables.

Bosch a également introduit le capteur IA auto-apprenant BHI260AP, qui peut être entraîné à suivre des routines d'entraînement individualisées incluant divers mouvements. Et grâce à son boîtier résistant à l'eau, il peut aussi suivre les longueurs, coups et temps de repos pour la natation.

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

Le mécanisme des capteurs de pression de la série BMP de Bosch est une membrane de 10 à 20 microns d'épaisseur dans une puce de silicium. Quatre éléments piézorésistifs dans la membrane font varier la sortie d'un pont de Wheatstone lorsqu'elle se courbe sous l'effet de la pression, produisant le signal de pression.

C'est une technologie bien éprouvée, utilisée dans l'automobile depuis plus de 20 ans et s'étant révélée stable même dans des conditions rudes. Elle entre maintenant dans l'électronique grand public avec un historique réussi. Notre dernière entrée sur ce marché est le modèle BMP384, non seulement robuste mais aussi résistant aux milieux grâce à son boîtier rempli de gel.

Précision

Précision relative : fonction de la pente de la courbe de sortie ; c'est la précision des changements d'altitude, pas une lecture absolue. Pour le BMP 390 haute performance, elle est de ±0,03 hPa, équivalent à ±25 cm.

Précision absolue : mesure de l'erreur maximale sur la lecture de la pression exacte. Pour le BMP390 haute performance, elle est de ±0,50 hPa. Autres spécifications : bruit RMS ±0,02 hPa ; coefficient de dérive thermique (25 °C – 40 °C, à 900 Pa) ; stabilité 12 mois ±0,16 hPa ; dérive de soudure < ±0,8 hPa.

(La dérive de soudure, bien que peu mentionnée, peut être significative. Lors du soudage sur circuit imprimé, un gradient de température crée une contrainte mécanique, dont le pliage, qui peut modifier la sortie électrique du capteur MEMS.)

Navigation

Les capteurs de pression barométrique MEMS peuvent être optimisés pour différentes applications. Le BMP390, conçu pour la mesure précise d'élévation, a une résolution suffisante pour mesurer des changements de hauteur < 10 cm. Avec un boîtier de 2 mm × 2 mm × 0,75 mm, il s'intègre facilement dans un smartphone ou une montre. Bosch, avec NextNav LLC (Sunnyvale, CA), a développé un système de navigation intérieur utilisant le BMP390 pour fournir la composante z-axis de localisation tridimensionnelle, assez précis pour les appels d'urgence améliorés (E911).

Pour un appel d'urgence, la précision absolue est critique. Si vous habitez au 14e étage, les informations sur l'axe Z, ainsi que X et Y, doivent être précises pour que les premiers secours vous trouvent rapidement.

Pour les lectures absolues les plus précises, un étalonnage initial tenant compte de l'altitude du lieu est nécessaire (bord de mer ou sommet de montagne). Plusieurs facteurs affectent ensuite la précision absolue : la corrélation pression-altitude varie avec la pression barométrique extérieure. Ce n'est généralement pas significatif pour des changements rapides d'altitude, mais si votre téléphone avec capteur intégré reste 10 heures au même endroit, la pression environnementale changera probablement. Un signal correctif externe est nécessaire, réalisable par fusion de capteurs combinant informations de plusieurs types (inertiels, magnétiques).

Fitness — Détection de pression

Pour le suivi d'entraînements, la précision relative suffit — on s'intéresse au changement d'altitude, pas à la valeur absolue. Les facteurs environnementaux sont cependant significatifs pour les trackers fitness, surtout les wearables comme les montres connectées, notamment pour la natation.

Le BMP384 rempli de gel peut être utilisé pour le suivi fitness, particulièrement pour les changements d'altitude ou en environnements difficiles comme l'eau.

Pour fonctionner en environnements difficiles, le mécanisme de détection et l'ASIC embarqué doivent être isolés. Dans le BMP384, une couche de gel entre le diaphragme et le boîtier assure cette isolation. Cela requiert 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 courber, bien conduire la chaleur pour un fonctionnement sur large plage de température, et ne pas se raidir sur la durée de vie du capteur.

Fitness — Intelligence artificielle

Le capteur MEMS BHI260AP, introduit par Bosch au CES 2021, est conçu pour s'intégrer dans les wearables poignet (montres connectées, bracelets fitness) ou hearables. Il contient non seulement un IMU à six degrés de liberté avec accéléromètre 16 bits 3 axes et gyroscope 16 bits 3 axes, mais aussi un microcontrôleur programmable 32 bits. Cette combinaison matériel + logiciel IA auto-apprenant supporte un dispositif fitness très sophistiqué.

Natation

Bosch Sensortec a développé un logiciel de suivi natation pour le BHI260AP. Utilisant les données temps réel de l'IMU et du microcontrôleur à virgule flottante, il fournit données brutes et exécute des fonctions IA générant des résultats exploitables directement par le processeur d'application. Le capteur de mouvement détecte automatiquement le début de la natation, classifie le type de nage parmi quatre catégories — dos, crawl, papillon, brasse — et enregistre nombre de coups, longueurs et pauses.

Entraînement à domicile

Ce capteur « intelligent » peut être entraîné comme assistant personnel pour votre entraînement à domicile — il reconnaît et suit les détails de votre routine personnelle. Bien qu'il vienne avec 15 activités préprogrammées, d'autres peuvent être ajoutées. Il reconnaît de nouveaux exercices et s'adapte à votre entraînement spécifique. En apprenant de votre comportement, il peut reconnaître des centaines de mouvements et motifs différents, pas seulement ceux préprogrammés par le fabricant.

Pour chaque exercice, vous obtenez un retour détaillé instantané : type d'activité, temps requis, nombre de séries et répétitions. Converti en informations sur l'intensité et la fréquence. En suivant un plan prédéfini, l'utilisateur est informé de sa progression vers ses objectifs personnels : perte de poids, tonification, niveau de fitness.

Pour les entraînements à haute intensité avec changements rapides d'activités (ex: 20-30 sec exercice, 20-30 sec repos), le dispositif IA reconnaît automatiquement et fiablement chaque nouvel exercice à la transition.

Traitement en périphérie (Edge Processing)

Plusieurs avantages à traiter les données dans le capteur plutôt que transmettre les données brutes vers un processeur central, peut-être dans le cloud. D'abord, transmettre de gros volumes de données consomme bien plus d'énergie que transmettre un signal déjà traité. L'énergie peut aussi être réduite si le processeur local agrège les données et les transmet à intervalles fixes plutôt qu'en continu — crucial pour maximiser l'autonomie. Ensuite, la vie privée : utilisateurs domestiques, et surtout athlètes professionnels, ne veulent pas que d'autres accèdent à leurs données. Enfin, pour les mouvements rapides, on évite la latence due à l'envoi de données ailleurs plutôt que traitement local.

En résumé

Le développement de capteurs MEMS toujours plus sophistiqués permet des applications pour wearables limitées seulement par l'imagination des concepteurs. Deux avancées clés actuelles : le capteur de pression barométrique BMP384 à boîtier gel, hautement résistant aux liquides, et le BHI260AP intégrant IMU et processeur périphérique pour applications IA.

Cet article a été rédigé par le Dr Stefan Finkbeiner, CEO, Bosch Sensortec (Reutlingen, Allemagne). Pour plus d'informations, contactez Constantin Schmauder à l'adresse protégée ; ou visitez le site web.