適用穿戴式裝置的電容式氣壓感測器 - 電子工程專輯

作者 : Ralf Kern、Theresa Möhrle

相較於電容元件，壓阻式感測器需要更複雜的校準。此外，電阻測量帶來相對高的電流消耗，當目標應用由電池供電且運作時間極為重要時，這就成為特別重要的考量因素。

智慧手錶和穿戴式裝置經常用於嚴苛的環境中，其運動及活動追蹤等功能需要最高精度、快速讀取及低功耗；若在這些裝置中整合氣壓感測器，可精確偵測高度變化、垂直速度及運動。

典型的小型微機電系統(MEMS)壓力感測器主要是以壓阻(piezo-resistive)測量技術建構的，可透過應變感測器來感測振膜相對於壓力變化的彎曲程度。但壓阻式感測元件特別容易隨溫度改變而產生變化，而且不會對溫度產生線性的回應。因為這個原因，相較於電容元件，壓阻式感測器需要更複雜的校準。此外，電阻測量帶來相對高的電流消耗，當目標應用由電池供電且運作時間極為重要時，這就成為特別重要的考量因素。

為了克服壓阻技術的限制，英飛凌(Infineon)為其壓力感測器開發了一種電容式MEMS技術；該電容式氣壓感測器由四個感測與參考單元陣列組成。感測單元具有彈性膜，可對壓力變化做出反應並提供空氣壓力測量。而參考單元具有硬式膜，不會對壓力變化產生反應，並可提供穩定的測量參考。

電容式感測器的單元結構可提供差分測量與極低的溫度漂移。

這種結構的優點是壓力測量可以差分，而且感測與參考單元皆暴露於相同的溫度變化，因此可抵銷溫度漂移的效應。單元尺寸經過最佳化，具有高靈敏度和機械可靠性。以小型MEMS單元為基礎，沒有重力效應。除了在大範圍的溫度和壓力內具有極佳的溫度穩定性之外，其他關鍵特性還包括低雜訊和低功耗。

相較於其他防水壓力感測器，英飛凌新型氣壓感測器DPS368號稱可節省高達80%的空間，另外相較於壓阻技術，則可提供±2 cm的精度與50%的省電能力。這款數位式氣壓感測器的銲墊與薄膜均有凝膠保護，可防水、防潮及防塵，並已通過IPx8認證，可承受50公尺深的水壓1小時。

採用電容式感測原理的壓力感測器元件，在溫度發生變化時也可確保高精度。它基於成熟的DPS310元件，並且具有強固、防水的封裝設計，這樣的結合使其成為各種應用的理想選擇，包括智慧手錶、穿戴式裝置和智慧手機(例如運動追蹤、計步、跌倒偵測、導航、海拔偵測)；家用電器(例如冷暖空調/真空吸塵器中的空氣流量控制、洗衣機中的水位偵測、防盜偵測)；無人機(例如飛行穩定性、高度控制)和醫療保健(例如跌倒偵測、氣流監測)。

DPS368的ASIC和MEMS晶片在非常堅固的封裝中受到凝膠保護。

該氣壓感測器提供優異的解析度、溫度穩定性、能源效率和高耐用性，適合需要偵測壓力變化極小的電池供電應用，即使在嚴苛的環境中也是如此。該感測器將氣壓和溫度感測功能整合為單一且極為精巧的8針腳LGA封裝中，尺寸2.0mm×2.5mm×1.1mm。壓力測量的平均電流消耗為1.7μA (待機模式下僅為0.5μA) 。

DPS368氣壓感測器的精度可達±0.002 hPa (相當於±2 cm)，可在-40至+85°C溫度範圍內測量300 hPa至1200 hPa之間的氣壓，壓力溫度靈敏度低於0.5 Pa/°C。溫度讀取精度為±0.5°C。該感測器能夠偵測到一階樓梯、身體動作或手勢。每個感測器在生產過程中皆經過個別校準，並將校準係數儲存於一次性可程式(OTP)記憶體。使用I2C或SPI介面傳輸原始資料，並在主機設備中計算補償壓力值。

由於其電容技術 (交流偏壓) ，這款元件在全速運作時，最多可比競爭產品低50%功耗，因此可延長電池使用時間。整合的FIFO可以儲存32個測量結果，而主機處理器可在兩次讀取之間的長間隔維持睡眠模式，進一步節省系統用電。高測量速率(200Hz)和快速讀取可實現快速的感測器回饋。

為提供靈活的系統設計，此款感測器可根據不同的使用情況進行配置，使解析度與耗電量達到最佳平衡。不同的運作模式(高精度、標準、低功耗及超低功耗)搭配不同的精度(2至50 cm) 及測量速率(單發與最高200Hz)；例如可以針對GPS高度精度配置一次性測量，而每秒進行多次測量的選項則可滿足手勢辨識或跌倒偵測的需求。可配置的模式還可以實現最佳效率，因為功耗與測量頻率成正比。