Novedades en sensores MEMS para tecnología ponible

Los sensores MEMS existen desde hace mucho tiempo, pero las solicitudes del mercado de nuevas aplicaciones están impulsando actualizaciones en la tecnología. Debido a su pequeño tamaño, precisión y confiabilidad, los sensores MEMS son una buena opción para dispositivos portátiles.

Los sensores de presión barométrica, por ejemplo, son ideales para incorporar en relojes, pulseras de actividad física, auriculares o teléfonos inteligentes para respaldar los parámetros de actividad física que pueden detectar si está caminando en un área plana, en una pendiente o en escaleras. Añaden una tercera dimensión (Z) a los dispositivos de navegación bidimensionales (X, Y) estándar. De hecho, algunos son lo suficientemente sensibles y precisos como para que una llamada de emergencia pueda indicarle a un rescatista en qué piso se encuentra en un rascacielos. Bosch Sensortec ahora ha introducido el robusto sensor de presión barométrica BMP 384 en el mercado de dispositivos portátiles. Ha sido reforzado con un paquete relleno de gel, que es una innovación para un sensor de presión barométrica. Esto lo hace resistente al agua y a diversos entornos hostiles. Además, debido a su pequeño tamaño (2,0 × 2,0 × 1,0 mm), es fácil de integrar en teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y dispositivos auditivos.

Bosch también presentó el sensor de IA de autoaprendizaje BHI260AP, ​​al que se le puede enseñar a seguir rutinas de entrenamiento individualizadas que incluyen una variedad de movimientos diferentes. Y dado que tiene un estuche resistente al agua, también puede realizar un seguimiento de vueltas, brazadas y tiempos de descanso para un entrenamiento de natación.

Dentro de un sensor de presión barométrica MEMS

El mecanismo de la serie BMP de sensores de presión de Bosch es una membrana de 10 a 20 micras de espesor en una matriz de silicio. Hay cuatro elementos piezorresistivos en la membrana, de modo que cuando se dobla en respuesta a la presión, el cambio de resistencia de los piezorresistores varía la salida de un puente de Wheatstone, produciendo así la señal de presión.

Esta es una tecnología bien probada, que se ha utilizado en el mercado automotriz durante más de 20 años y ha demostrado ser bastante estable incluso en condiciones difíciles. Ahora está entrando en la industria de la electrónica de consumo con una exitosa trayectoria a sus espaldas. Nuestra última entrada en este mercado es el modelo BMP384, que no solo es robusto, sino también resistente a los medios gracias a su paquete relleno de gel

Precisión

Exactitud relativa es una función de la pendiente de la curva de salida; es la precisión de los cambios de altitud, en lugar de una lectura absoluta. Para el Bosch BMP 390 de alto rendimiento, es de +/- 0,03 hPa., lo que equivale a +/- 25 cm.

Precisión absoluta es una medida del error máximo en la lectura de la presión exacta. Para el BMP390 de alto rendimiento, es +/- 0,50 hPa. Otras especificaciones relevantes para la precisión absoluta incluyen ruido RMS:+/- 0,02 hPa; compensación del coeficiente de temperatura:(25 °C – 40 °C, a 900 Pa); Estabilidad de 12 meses:+/- 0,16 hPa; y deriva de soldadura:<+/- 0,8 hPa.

(La desviación de la soldadura, aunque no se menciona con frecuencia, puede ser un factor importante. Cuando se suelda un dispositivo a una placa de circuito impreso, se crea un gradiente de temperatura que puede provocar una tensión mecánica, incluida la flexión. Este tipo de tensión en el sensor MEMS puede causar cambios en la salida eléctrica.)

Navegación

Los sensores de presión barométrica MEMS se pueden optimizar para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, el BMP390, diseñado para una medición de elevación precisa, tiene una resolución lo suficientemente buena para medir cambios de altura de menos de 10 cm. Con un tamaño de caja de 2 mm × 2 mm × 0,75 mm, se puede integrar fácilmente en un teléfono inteligente o reloj. Bosch, junto con NextNav LLC (Sunnyvale, CA), ha desarrollado un sistema de navegación interior que utiliza el BMP390 para proporcionar el componente de ubicación del eje z interior para ubicación y posicionamiento tridimensionales, lo suficientemente bueno como para usarse para llamadas de emergencia mejoradas ( E911).

Para una llamada de emergencia, la precisión absoluta es fundamental. Supongamos que vive en un apartamento en el piso 14, para que los primeros en responder lo encuentren rápidamente, la información del eje z, así como la x y la y, tienen que ser precisas y exactas.

Para lograr las lecturas absolutas más precisas, debe comenzar con una calibración que tenga en cuenta la altitud de su ubicación, por ejemplo, si se encuentra en la orilla del mar o en la cima de una montaña. Luego, hay varios factores adicionales que pueden afectar la precisión absoluta del sensor de presión. Por ejemplo, la correlación entre la presión y la altitud varía a medida que cambia la presión barométrica exterior. Por lo general, esto no es significativo para los cambios rápidos de altitud, pero, por ejemplo, si su teléfono con su sensor integrado está en un lugar en particular durante 10 horas, es probable que la presión ambiental cambie durante ese período. Eso significa que es necesario traer una señal correctiva externa. Eso se puede lograr con la fusión de sensores, combinando información de varios tipos diferentes de sensores, como inerciales y magnéticos.

Fitness:detección de presión

Para el seguimiento de las rutinas de entrenamiento, la precisión relativa está bien:solo le interesa el cambio de altitud, no el valor absoluto. Sin embargo, los factores ambientales son significativos para los rastreadores de actividad física, especialmente para dispositivos portátiles, como relojes inteligentes, especialmente si desea realizar un seguimiento de la natación.

El BMP384 relleno de gel se puede usar para el seguimiento del estado físico, especialmente cuando se trata de cambios de altitud o estado físico en entornos hostiles como el agua.

Para que el sensor funcione en entornos hostiles, el mecanismo de detección y el ASIC incorporado deben aislarse. En el BMP 384 esto se hace aplicando una capa de gel entre el diafragma y la caja. Se requieren conocimientos especiales para fabricar y aplicar un gel con las propiedades mecánicas y térmicas adecuadas. El gel tiene que transmitir presión a la membrana, sin impedir que se doble. También tiene que conducir el calor lo suficientemente bien para que el sensor funcione en un amplio rango de temperatura y, por último, no debe endurecerse durante la vida útil del sensor.

Fitness:inteligencia artificial

El sensor MEMS BHI260AP, ​​presentado por Bosch en CES 2021, está diseñado para integrarse en dispositivos portátiles de muñeca, como relojes inteligentes y pulseras de actividad física; o audibles. No solo contiene una IMU de seis grados de libertad con un acelerómetro de 3 ejes de 16 bits y un giroscopio de 3 ejes de 16 bits, sino también un microcontrolador programable por el cliente de 32 bits. Esta combinación de hardware más el software de IA de autoaprendizaje incluido es compatible con un dispositivo de fitness muy sofisticado.

Nadar. Bosch Sensortec ha desarrollado un software de seguimiento de natación para el BHI260AP. Al utilizar datos de sensores en tiempo real de la IMU y el microcontrolador de coma flotante, puede proporcionar datos de sensores sin procesar y ejecutar funciones de IA que generan resultados relevantes para uso directo por parte de un procesador de aplicaciones. El sensor de movimiento incorporado determina cuándo el usuario ha comenzado a nadar, sin requerir ninguna acción por parte del nadador. Luego clasifica el tipo de brazada en cuatro categorías posibles (espalda, estilo libre, mariposa y braza) y registra el número de brazadas, vueltas y cualquier descanso entre las vueltas.

Entrenamiento en casa. Este sensor "inteligente" se puede entrenar para que sea un asistente personal para su entrenamiento en casa:puede reconocer y rastrear los detalles de su rutina de ejercicio personal. Aunque viene con 15 actividades físicas preprogramadas, se pueden cargar actividades adicionales.

El sensor es lo suficientemente inteligente como para reconocer nuevos ejercicios y puede adaptarse para que coincida con su propio entrenamiento específico. Al aprender de su comportamiento, puede reconocer cientos de movimientos y patrones diferentes, no solo aquellos que el fabricante del dispositivo ha preprogramado.

Para cada ejercicio, puede obtener comentarios detallados e instantáneos, por ejemplo:el tipo de actividad, el tiempo requerido y la cantidad de series y repeticiones que deben realizarse. Esto luego se convierte en información específica sobre la intensidad y la frecuencia de los ejercicios. Cuando los usuarios siguen un plan de entrenamiento predefinido, pueden recibir información sobre qué tan cerca están de lograr sus objetivos personales, como la pérdida de peso, la tonificación o el nivel de condición física.

Para entrenamientos de alta intensidad, donde el usuario cambia rápidamente entre diferentes actividades, por ejemplo, hacer ejercicio durante 20 a 30 segundos, seguido de 20 a 30 segundos de descanso. El dispositivo de seguimiento de IA puede reconocer de manera automática y confiable cada nuevo ejercicio al pasar de uno a otro.

Procesamiento perimetral. Hay varias ventajas de tener el procesamiento de datos integrado en el sensor, en lugar de transmitir datos sin procesar a un procesador central, quizás en la nube. En primer lugar, se necesita mucha más potencia para transmitir grandes cantidades de datos, en lugar de una señal que ya ha utilizado los datos para calcular un mensaje de salida significativo. La potencia también se puede reducir si el procesador local puede agregar datos y transmitirlos a intervalos fijos en lugar de hacerlo de forma continua. Esto es especialmente importante para maximizar la duración de la batería. También está la cuestión de la privacidad:los usuarios domésticos, pero especialmente los atletas profesionales, no quieren que otros tengan acceso a sus registros. Y para movimientos rápidos, no desea la latencia causada por el envío de datos a otro lugar en lugar de procesarlos directamente en el sensor.

Resumiendo

El desarrollo de sensores MEMS cada vez más sofisticados está permitiendo aplicaciones para dispositivos portátiles limitadas solo por la imaginación de los diseñadores. Dos ejemplos de avances clave en este momento incluyen el sensor de presión barométrica relleno de gel BMP384 de Bosch, que es altamente resistente a los líquidos y el BHI260AP, ​​que incluye una IMU y un procesador de última generación para ejecutar aplicaciones de inteligencia artificial.

Este artículo fue escrito por el Dr. Stefan Finkbeiner, CEO, Bosch Sensortec (Reutlingen, Alemania). Para obtener más información, póngase en contacto con Constantin Schmauder en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo.; o visita aquí .