Recentste Voortgang In MEMS Sensoren Voor Draagbare Technologie

MEMS-sensoren bestaan al langere tijd, maar vragen van de markt voor nieuwe toepassingen drijven upgrades in de technologie. Vanwege hun kleine formaat, hun nauwkeurigheid en betrouwbaarheid, zijn MEMS-sensoren een goede match voor draagbare apparaten.

Barometrische druksensoren zijn bijvoorbeeld ideaal voor integratie in horloges, fitnessbanden, oordopjes of smartphones om fitnessparameters te ondersteunen die kunnen voelen of je op een vlak gebied loopt, op een helling of op een trap. Ze voegen een derde (Z) dimensie toe aan standaard tweedimensionale (X, Y) navigatieapparaten. Sommige zijn zelfs gevoelig en accuraat genoeg zodat een noodoproep kan signaleren aan een redder op welke verdieping je bent in een wolkenkrabber. Bosch Sensortec heeft nu de BMP 384 robuuste barometrische druksensor op de markt voor wearables gebracht. Deze is robuust gemaakt met een gel-gevulde behuizing, wat een innovatie is voor een barometrische druksensor. Dit maakt het bestendig tegen water en diverse harde omgevingen. Daarnaast, vanwege het kleine formaat — 2,0 × 2,0 × 1,0 mm — is het gemakkelijk te integreren in smartphones, wearables en hearables.

Bosch heeft ook de BHI260AP zelflerende AI-sensor geïntroduceerd, die geleerd kan worden om geïndividualiseerde trainingsroutines te volgen die een verscheidenheid aan verschillende bewegingen omvatten. En aangezien het een waterbestendige behuizing heeft, kan het ook ronden, slagen en rusttijden voor een zwemworkout bijhouden.

Binnenkijken In Een MEMS Barometrische Druksensor

Het mechanisme van de Bosch BMP-serie druksensoren is een 10-tot-20-micron dikke membraan in een silicium-die. Er zijn vier piezoresistieve elementen in de membraan zodat wanneer deze buigt als reactie op druk, de weerstandsverandering van de piezoresistoren de uitgang van een Wheatstone-brug varieert, waarmee het druksignaal wordt geproduceerd.

Dit is een bewezen technologie, die meer dan 20 jaar in de automobielmarkt is gebruikt en is gebleken vrij stabiel te zijn, zelfs onder harde omstandigheden. Het treedt nu de consumentenelektronica markt binnen met een succesvolle track record achter de rug. Onze laatste toevoeging aan deze markt is het model BMP384, wat niet alleen robuust is, maar ook media-bestendig door zijn gel-gevulde behuizing.

Nauwkeurigheid

Relatieve nauwkeurigheid is een functie van de helling van de uitgangscurve; het is de nauwkeurigheid van veranderingen in hoogte, in plaats van een absolute meting. Voor de hoge-prestatie Bosch BMP 390 is dit +/- 0,03 hPa., wat equivalent is aan +/- 25 cm.

Absoluut nauwkeurigheid is een maat voor de maximale fout in de weergave van de exacte druk. Voor de hoge-prestatie BMP390 is dit +/- 0,50 hPa. Andere specificaties relevant voor absolute nauwkeurigheid omvatten RMS ruis: +/- 0,02 hPa; temperatuurcoëfficiënt offset: (25 °C – 40°C, bij 900 Pa); 12-maanden stabiliteit: +/- 0,16 hPa; en soldeerdrift: <+/- 0,8 hPa.

(Soldeerdrift, hoewel niet vaak genoemd, kan een significante factor zijn. Bij het solderen van een apparaat op een printplaat creëer je een temperatuurgradiënt, wat mechanische spanning kan veroorzaken, inclusief buigen. Dit soort spanning op de MEMS-sensor kan veranderingen in de elektrische uitgang veroorzaken.)

Navigatie

MEMS barometrische druksensoren kunnen geoptimaliseerd worden voor verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, de BMP390, ontworpen voor accurate hoogtemeting, heeft een voldoende resolutie om hoogteveranderingen van minder dan 10 cm te meten. Met een behuizing van 2 mm × 2 mm × 0,75 mm kan het gemakkelijk in een smartphone of horloge geïntegreerd worden. Bosch, in samenwerking met NextNav LLC (Sunnyvale, CA), heeft een indoor-navigatiesysteem ontwikkeld dat de BMP390 gebruikt om de indoor z-as locatiecomponent te bieden voor driedimensionale locatie en positionering, goed genoeg voor verbeterde noodoproepen (E911).

Voor een noodoproep is absolute nauwkeurigheid cruciaal. Stel je woont in een appartement op de 14e verdieping, voor eerste hulpverleners om je snel te vinden, moet de z-as informatie, evenals de x en y, allemaal precies en accuraat zijn.

Om de meest accurate absolute metingen te bereiken, moet je beginnen met een kalibratie die rekening houdt met de hoogte van je locatie, bijvoorbeeld of je aan zee bent of op een bergtop. Dan zijn er diverse additionele factoren die de absolute nauwkeurigheid van de druksensor kunnen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, de correlatie tussen druk en hoogte varieert als de buitenlandse barometrische druk verandert. Dit is doorgaans niet significant voor snelle veranderingen in hoogte, maar bijvoorbeeld, als je telefoon met de ingebouwde sensor 10 uur op één bepaalde locatie blijft, zal de omgevingsdruk waarschijnlijk over die periode veranderen. Dat betekent dat het nodig is om een extern correctiesignaal binnen te halen. Dat kan bereikt worden met sensorfusie, het combineren van informatie van verschillende typen sensoren, zoals inertiële en magnetische.

Fitness — Drukmeting

Voor het bijhouden van trainingsroutines is relatieve nauwkeurigheid prima — je bent alleen geïnteresseerd in de verandering in hoogte, niet de absolute waarde. Omgevingsfactoren zijn echter significant voor fitness trackers, vooral voor wearables zoals slimme horloges, vooral als je zwemmen wilt bijhouden.

De gel-gevulde BMP384 kan gebruikt worden voor fitness tracking, vooral wanneer het gaat om veranderingen in hoogte of fitness in harde omgevingen zoals water.

Om de sensor in harde omgevingen te laten functioneren, moet het meetmechanisme alsook de ingebouwde ASIC geïsoleerd worden. In de BMP384 wordt dit gedaan door een laag gel tussen de membraan en de behuizing aan te brengen. Het vereist speciale know-how om een gel met de juiste mechanische en thermische eigenschappen te maken en aan te brengen. Het gel moet druk doorgeven aan de membraan, zonder het te blokkeren van buigen. Het moet ook goed genoeg warmte geleiden zodat de sensor over een breed temperatuurbereik werkt en ten slotte, het mag niet stijver worden over de werklevensduur van de sensor.

Fitness — Kunstmatige Intelligentie

De BHI260AP MEMS-sensor, die door Bosch op CES 2021 is geïntroduceerd, is ontworpen om geïntegreerd te worden in pols-wearables, zoals slimme horloges en fitnessbanden; of hearables. Het bevat niet alleen een zes-vrijheidsgraden IMU met een 16-bit 3-as versnellingsmeter en een 16-bit 3-as gyroscoop, maar ook een 32-bit klant-programmeerbare microcontroller. Deze combinatie van hardware plus inbegrepen zelflerende AI-software ondersteunt een zeer geavanceerd fitnessapparaat.

Zwemmen. Bosch Sensortec heeft zwemtracker-software ontwikkeld voor de BHI260AP. Met realtime sensordata van de IMU en de drijvende-komma microcontroller, kan het zowel ruwe sensordata leveren als AI-functies draaien die relevante resultaten genereren voor direct gebruik door een applicatieprocessor. De ingebouwde bewegingssensor bepaalt wanneer de gebruiker begint te zwemmen, zonder enige actie van de zwemmer vereist. Het klassificeert dan de slagssoort uit vier mogelijke categorieën — rugcrawl, vrije slag, vlinderslag, en schoolslag — en registreert het aantal slagen, ronden, en eventuele pauzes tussen de ronden.

Thuisworkout. Deze "slimme" sensor kan getraind worden om een persoonlijke assistent voor je thuisworkout te zijn — Het kan de details van je persoonlijke oefenroutine herkennen en bijhouden. Hoewel het met 15 voorgeprogrammeerde fitnessactiviteiten komt, kunnen additionele activiteiten geüpload worden.

De sensor is slim genoeg om nieuwe oefeningen te herkennen en kan zich aanpassen aan je eigen specifieke workout. Door te leren van je gedrag, kan het honderden verschillende bewegingen en patronen herkennen, niet alleen degene die de apparaatfabrikant voorgeprogrammeerd heeft.

Voor elke oefening kun je gedetailleerde en direct feedback krijgen, bijvoorbeeld: het type activiteit, de benodigde tijd, en het aantal sets en herhalingen die gedaan moeten worden. Dit wordt dan omgezet in specifieke informatie over de intensiteit en frequentie van de oefeningen. Wanneer gebruikers een voorgedefinieerd trainingsplan volgen, kunnen ze geïnformeerd worden over hoe dicht ze bij het bereiken van hun persoonlijke doelen zijn zoals gewichtsverlies, spieropbouw, of fitnessniveau.

Voor high-intensity workouts, waar de gebruiker snel schakelt tussen verschillende activiteiten, bijvoorbeeld oefenen voor 20 tot 30 seconden, gevolgd door 20 tot 30 seconden rust. Het AI-tracking apparaat kan automatisch en betrouwbaar elke nieuwe oefening herkennen bij overgang van de ene naar de andere.

Edge Processing. Er zijn verschillende voordelen aan het hebben van dataverwerking in de sensor ingebouwd, in plaats van ruwe data naar een centrale processor te sturen, misschien in de cloud. Allereerst kost het veel meer energie om grote hoeveelheden data te transmitteren, dan een signaal dat al de data heeft gebruikt om een significante uitgangsboodschap te berekenen. Energie kan ook gereduceerd worden als de lokale processor data kan aggregeren en het alleen op vaste intervallen transmitteert in plaats van continu. Dit is vooral belangrijk voor het maximaliseren van de batterijlevensduur. Er is ook de kwestie van privacy: thuisklantelen, maar vooral professionele atleten, willen niet dat anderen toegang hebben tot hun records. En voor snelle bewegingen wil je niet de latentie veroorzaakt door data elders te sturen in plaats van het direct bij de sensor te verwerken.

Samenvattend

De ontwikkeling van steeds meer geavanceerde MEMS-sensoren maakt toepassingen voor wearables mogelijk, beperkt alleen door de verbeelding van ontwerpers. Twee voorbeelden van belangrijke vooruitgang op dit moment zijn de Bosch BMP384 gel-gevulde barometrische druksensor, die hoogst bestendig is tegen vloeistoffen, en de BHI260AP, die een IMU en een edge processor bevat voor het draaien van kunstmatige intelligentie toepassingen.

Dit artikel is geschreven door Dr. Stefan Finkbeiner, CEO, Bosch Sensortec (Reutlingen, Duitsland). Voor meer informatie, neem contact op met Constantin Schmauder via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist); of bezoek hier.