堅(jiān)固且敏感的氣壓傳感器來滿足可穿戴設(shè)備的需求

英飛凌新型 DPS368 氣壓傳感器非常適合這些應(yīng)用，因?yàn)榕c其他防水壓力傳感器相比，該器件可以節(jié)省多達(dá) 80%的空間。另外，與壓阻技術(shù)相比，DPS368 氣壓傳感器的精度為±2 cm，可以節(jié)省多達(dá) 50%的功率。這款數(shù)字式氣壓傳感器堅(jiān)固耐用，其膠墊和隔膜均有凝膠保護(hù)（圖 1），可防止水、濕氣和灰塵進(jìn)入。DPS368 通過了 IPx8 認(rèn)證，可以在水下 50 米環(huán)境承受長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)。DPS368 壓力傳感器組件采用電容傳感原理，可在溫度變化期間保證高精度。它基于久經(jīng)考驗(yàn)的 DPS310 器件，并且?guī)в蟹浅?jiān)固且防水的封裝，因此非常適合惡劣環(huán)境下的各種應(yīng)用（圖 2）。目標(biāo)應(yīng)用是智能手表、可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)（例如健身追蹤、步數(shù)統(tǒng)計(jì)、跌倒檢測(cè)、導(dǎo)航、高度檢測(cè)）；家用電器（例如暖通空調(diào) / 真空吸塵器中的氣流控制、洗衣機(jī)中的水位檢測(cè)、入侵檢測(cè)）；無人機(jī)（例如飛行穩(wěn)定性、高度控制）和醫(yī)療保?。ɡ绲箼z測(cè)、氣流監(jiān)測(cè)）。

堅(jiān)固且敏感

DPS368 氣壓傳感器具有出色的分辨率、溫度穩(wěn)定性、能效和耐用性。這些優(yōu)點(diǎn)使它特別適用于需要檢測(cè)壓力變化很小的電池供電應(yīng)用，即使在惡劣的環(huán)境下也是如此。該傳感器將大氣壓和溫度感應(yīng)（圖 3）功能集成到單一且非常緊湊的 8 引腳 LGA 封裝中，尺寸僅為 2.0 mm × 2.5 mm × 1.1 mm。壓力測(cè)量的平均電流消耗為 1.7μA（待機(jī)模式下僅為 0.5μA）。

圖 1：DPS368 的 ASIC 和 MEMS 芯片在非常堅(jiān)固的封裝中受到凝膠保護(hù)。

圖 2：DPS368 非常適合經(jīng)常在惡劣環(huán)境中使用的各種移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備中的精確壓力感測(cè)。

圖 3：DPS368 架構(gòu)框圖

DPS368 氣壓傳感器的精度可達(dá)±0.002 hPa（等于±2 cm），可以在–40 至+ 85°C 溫度范圍測(cè)量 300 hPa 至 1200 hPa 之間的氣壓，并且具有低于 0.5 Pa/°C 的溫度敏感度。溫度讀數(shù)精確到±0.5°C。該傳感器能夠檢測(cè)單樓梯、身體動(dòng)作或手勢(shì)。在生產(chǎn)過程中，每個(gè)單一組件都經(jīng)過單獨(dú)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器中?？梢允褂?I2C 或 SPI 接口傳輸原始數(shù)據(jù)，并且在主機(jī)設(shè)備中計(jì)算補(bǔ)償壓力值。

全速運(yùn)行時(shí)，該器件的功耗相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品低 50%，這歸功于其電容技術(shù)（交流偏置），從而可以延長(zhǎng)電池使用壽命。集成的 FIFO 可以存儲(chǔ) 32 個(gè)測(cè)量值，并允許主機(jī)處理器在兩次讀取之間的長(zhǎng)間隔進(jìn)入睡眠模式，從而進(jìn)一步節(jié)省了系統(tǒng)功耗。

圖 4：其電容式傳感器的單元結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)溫度漂移極低的差分測(cè)量。

高測(cè)量速率（高達(dá) 200 Hz）和快速讀取可實(shí)現(xiàn)快速的傳感器反饋。

電容技術(shù)

典型的小尺寸 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）壓力傳感器圍繞壓阻測(cè)量技術(shù)而構(gòu)建。在這些情況下，通過應(yīng)變傳感器來檢測(cè)膜片相對(duì)于壓力變化的撓曲。但是，壓阻式傳感組件特別容易隨溫度改變而變化，而且它們對(duì)于溫度變化沒有線性響應(yīng)。因此，與電容組件相比，這些傳感器需要更復(fù)雜的校準(zhǔn)。此外，電阻測(cè)量會(huì)帶來相對(duì)較高的電流消耗，在目標(biāo)應(yīng)用設(shè)備由電池供電且使用壽命至關(guān)重要的情況下，這是一個(gè)特別重要的考慮因素。

由于壓阻技術(shù)的局限性，英飛凌為其壓力傳感器開發(fā)了一種電容式 MEMS 技術(shù)。圖 4 顯示了所開發(fā)的單元結(jié)構(gòu)和電容式電橋配置。這個(gè)氣壓傳感器由四個(gè)傳感和參比單元陣列組成。傳感單元具有柔性膜，該膜片可對(duì)壓力變化做出反應(yīng)并提供氣壓測(cè)量值。參比單元?jiǎng)t具有堅(jiān)硬的膜，該膜片對(duì)壓力變化無反應(yīng)，并提供穩(wěn)定的測(cè)量參比。這種結(jié)構(gòu)的好處是壓力測(cè)量是可以差分的，并且傳感單元和參比單元都暴露在相同的溫度變化下，從而消除了溫度漂移的影響。單元尺寸針對(duì)高靈敏度和機(jī)械可靠性進(jìn)行了優(yōu)化。它基于小型 MEMS 電池，沒有重力效應(yīng)。除了在寬溫度和壓力范圍內(nèi)具有非常好的溫度穩(wěn)定性之外，其他關(guān)鍵特性還包括低噪聲和低功耗。

優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這個(gè)傳感器可以針對(duì)不同的使用案例配置，以便在平衡能耗的情況下優(yōu)化分辨率。不同的操作模式（高精度、標(biāo)準(zhǔn)、低功耗和超低功耗 ） 協(xié)調(diào)了不同的精度（2 至 50 cm）和測(cè)量速率（單脈沖和高達(dá) 200 Hz）。例如，可以針對(duì) GPS 高度精度配置一次性測(cè)量操作，或者使用每秒進(jìn)行多次測(cè)量的選項(xiàng)來滿足手勢(shì)識(shí)別或跌倒檢測(cè)的需求。可配置模式（圖 5）還可以優(yōu)化效率，因?yàn)楣呐c測(cè)量頻率成正比。

圖 5：不同的操作模式能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化的能耗和精度，以滿足相關(guān)應(yīng)用的需要。