Utilizzo di sensori di pressione avanzati per aumentare la precisione e la risoluzione in progetti IoT compatti

Di Majeed Ahmad

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

I sensori di pressione sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni IoT, ad esempio sui droni e nell'automazione industriale. Tuttavia, i progettisti si scontrano costantemente con una serie nutrita di requisiti: accuratezza, precisione e risoluzione superiori, immunità al rumore e stabilità in temperatura dei loro dispositivi, a costi inferiori e con tempi di commercializzazione più brevi.

Per affrontare queste sfide, i fornitori di sensori hanno introdotto caratteristiche innovative, tra cui fattori di forma, elettronica integrata e opzioni di interfaccia flessibili che contribuiscono in modo determinante alla semplicità della progettazione e dell'integrazione.

Questo articolo prenderà in esame l'"anatomia" dei moderni sensori di pressione integrati e le tecniche con cui sono affrontati problemi come la compensazione della temperatura e la precisione dell'uscita. Verranno trattati argomenti basilari sulla progettazione e saranno presentate soluzioni appropriate. Verrà inoltre suggerito agli sviluppatori come metterle rapidamente in campo.

L'evoluzione dei sensori di pressione

I sensori di pressione sono nati come dispositivi elettromeccanici, ma hanno lasciato il posto a dispositivi a costo ridotto basati su semiconduttori che utilizzano MEMS per misurare differenze di pressione estremamente piccole dell'ordine di ±1 pascal (Pa). Tramite interfacce integrate, possono inviare dati a un microcontroller attraverso un collegamento I2C o SPI consumando molta meno energia.

In un sensore di pressione MEMS, la forza è applicata a una membrana flessibile che si flette su un elemento sensibile per indurre uno sbilanciamento che viene trasformato in un'uscita. I sensori basati su MEMS misurano sia le pressioni assolute che quelle differenziali e sono disponibili sia in versione compensata che non compensata.

Sensori di pressione per progetti IoT

I recenti progressi hanno reso i sensori di pressione molto più precisi, leggeri ed economici, oltre ad aver ampliato l'intervallo di misurazione. Queste innovazioni sono richieste dalle nuove applicazioni nel campo IoT e dei dispositivi indossabili.

Ad esempio, le applicazioni per i sensori di pressione basati su MEMS includono le fasce cardio di nuova generazione che cercano maggiore precisione nelle misurazioni del consumo calorico. Corridori e ciclisti sono molto pignoli riguardo il miglioramento della precisione di monitoraggio delle loro prestazioni. Il fatto che il rilevamento della pressione stia diventando una caratteristica irrinunciabile nei progetti per indossabili e IoT impone inevitabilmente una riduzione dell'ingombro.

I nuovi sensori MEMS, più piccoli e più parchi nei consumi, possono ridurre significativamente lo spazio sulla scheda e migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei progetti IoT. Questi sensori di pressione in contenitori ultracompatti e sottili si adattano anche a dispositivi portatili a batteria come smartphone e tablet, nonché a indossabili per lo sport.

In alcuni di questi dispositivi mobili alimentati a batteria, i sensori di pressione si stanno diffondendo o vanno a sostituire il GPS in applicazioni quali l'identificazione dell'attività, il rilevamento accurato del livello del suolo e la localizzazione all'aperto. Questi sensori di pressione basati su MEMS consentono anche calcoli più precisi del dead reckoning (navigazione stimata), dando vita a nuove applicazioni nei settori dell'assistenza sanitaria e del monitoraggio meteorologico.

Un buon esempio di questi nuovi sensori MEMS lo troviamo in LPS22HB di STMicroelectronics (Figura 1). Si tratta di un sensore di pressione nano MEMS con un intervallo di pressione assoluta da 260 a 1260 ettopascal (hPa) e un'uscita digitale. Le caratteristiche principali includono dimensioni miniaturizzate di 2x2x0,76 millimetri (mm) in un contenitore LGA e basso consumo energetico, pari a un assorbimento di soli 3 microampere (μA) da un'alimentazione tra 1,7 e 3,6 volt.

Immagine del barometro MEMS LPS22HB di STMicroelectronics

Figura 1: Il barometro MEMS LPS22HB di STMicroelectronics misura 2x2x0,76 mm e assorbe 3 μA da un'alimentazione tra 1,7 e 3,6 volt. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il contenitore LGA è forato per consentire alla pressione esterna di raggiungere l'elemento sensibile. Il sensore è piezoresistivo e comprende l'elemento sensibile e un circuito di interfaccia che lo collega all'applicazione tramite I2C o SPI.

LPS22HB è dotato di compensazione della temperatura e della pressione e contiene un buffer FIFO integrato per gestire in modo efficiente i dati di pressione e temperatura nella logica digitale (Figura 2).

Schema della funzione FIFO integrata in LPS22HB di STMicroelectronics

Figura 2: La funzione FIFO di LPS22HB risiede nella parte logica digitale, insieme alla compensazione della temperatura e della pressione. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il buffer FIFO comprende 32 slot di dati a 40 bit per memorizzare i valori di uscita di pressione e temperatura. Questa tecnica consente risparmi energetici notevoli poiché l'host non deve interrogare il sensore in continuazione, ma è sufficiente che torni attivo dopo un'interruzione ed estragga velocemente i dati richiesti dal FIFO.

Il FIFO ha sette diverse modalità operative: bypass, FIFO, stream, dynamic-stream, da stream a FIFO, da bypass a stream e da bypass a FIFO. Queste modalità forniscono vari livelli di funzionamento e utilizzo. Ad esempio, in modalità bypass rimane non operativo e vuoto, mentre la modalità dynamic-stream garantisce che il numero di nuovi dati disponibili nel FIFO non dipenda dalla lettura precedente.

Quando si utilizza LPS22HB, l'alimentazione viene fornita al pin 10 (VDD). Si consiglia di inserire un condensatore di disaccoppiamento da 100 nanofarad (nF) il più vicino possibile alle piazzole di alimentazione (Figura 3).

Schema del layout della scheda a circuito stampato LPS22HB di STMicroelectronics

Figura 3: Quando si posiziona LPS22HB sulla scheda, collegare il pin 10 a VDD per l'alimentazione e posizionare un condensatore di disaccoppiamento da 100 nF il più vicino possibile alle piazzole di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Inoltre, quando si utilizza l'interfaccia I2C, CS (pin 6) deve essere collegato a VDD_IO (pin 1).

Filtraggio del rumore e di variazioni improvvise

Per utilizzare i sensori di pressione in progetti sofisticati come gli smartwatch e le fasce cardio, è essenziale mantenere un rumore estremamente basso. Ciò è particolarmente vero data la probabilità di eventi improvvisi che causano un aumento rapido e improvviso della pressione barometrica.

Per affrontare il problema del rumore, il sensore di pressione barometrica BMP388 di Bosch Sensortec include un filtro a risposta impulsiva infinita (IIR) (Figura 4). Ciò gli consente di filtrare improvvisi cambiamenti di pressione causati da eventi ambientali.

Grafico del sensore BMP388 di Bosch Sensortec

Figura 4: Il filtro IIR nel sensore BMP388 di Bosch Sensortec facilita la risposta a basso rumore a eventi come la chiusura di una porta o uno sparo. (Immagine per gentile concessione di Bosch Sensortec)

BMP388 è progettato per il monitoraggio dell'altitudine in smartphone, smartwatch e droni consumer. Il sensore di pressione atmosferica assoluta a 24 bit a basso rumore offre un ampio intervallo di misurazione da 300 hPa a 1.250 hPa e una precisione relativa di ±0,66 m (Figura 5).

Schema del sensore di pressione barometrica MEMS digitale BMP388 di Bosch-Sensortec

Figura 5: Il sensore di pressione barometrica MEMS digitale BMP388 di Bosch-Sensortec misura 2x2x0,8 mm ed è progettato per fornire informazioni di altitudine agli strumenti di navigazione con una precisione di ±0,66 m.

Se il sensore barometrico non è in grado di fornire la stabilizzazione dell'altitudine in condizioni dinamiche come improvvise fluttuazioni di temperatura, i dati barometrici possono essere combinati con quelli dell'accelerometro abbinato a un filtro complementare. Per questi casi in cui sono richieste tecniche di Sensor Fusion per ottenere delle prestazioni ottimali, Bosch Sensortec offre l'unità di misura inerziale BMI088 (IMU) per una migliore precisione delle accelerazioni lungo gli assi e il sensore geomagnetico BMM150 per acquisire e fornire i dati di rotta.

Misurazione della pressione a temperature estreme

Precisione e risoluzione vanno di pari passo con il progetto alla base del sensore di pressione. Tuttavia, i sensori di pressione devono essere in grado di rispondere con precisione ad altitudini che vanno dal profondo delle miniere alle cime delle montagne, con le corrispondenti variazioni di temperature estreme. Questo, pur mantenendo la compatibilità con il mezzo umido.

In applicazioni come i droni, le informazioni sull'altitudine sono fondamentali per la stabilità e la precisione di atterraggio, ma i sensori di pressione devono fornire queste informazioni con un alto grado di precisione e risoluzione, nonostante la variabilità dell'ambiente. La compensazione della temperatura mediante algoritmi proprietari aiuta i dispositivi MEMS a raggiungere una precisione di ±1 Pa, vale a dire variazioni di altitudine inferiori a 5 cm.

La stabilità termica è particolarmente importante nelle applicazioni di rilevamento del movimento sempre attivo come nei dispositivi indossabili in cui le temperature variano rapidamente mentre gli utenti passano da un ambiente all'altro. MPL3115A2 di NXP Semiconductors è un buon esempio di come sia stato realizzato (Figura 6).

Schema del sensore di pressione assoluta piezoresistivo compatto MPL3115A2 di NXP

Figura 6: Uno sguardo su come le operazioni di rilevamento della pressione e della temperatura si completino a vicenda nel sensore di pressione assoluta piezoresistivo compatto MPL3115A2 di NXP. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

MPL3115A2 ha un ampio intervallo di funzionamento da 20 kPa a 110 kPa, progettato da NXP per coprire tutte le elevazioni della superficie terrestre. Viene compensato in temperatura utilizzando un sensore di temperatura su chip, con pressione e temperatura che vengono poi multiplate, amplificate, filtrate e inviate a un convertitore analogico/digitale (ADC). Dopodiché viene calcolata l'altitudine utilizzando la formula nell'Equazione 1:

Equazione 1

Dove:

h = altitudine, espressa in metri e frazioni di un metro

p0 = pressione al livello del mare (1.013,25 hPa)

OFF_H = immissione dell'utente relativa alla pressione al livello del mare equivalente per compensare le condizioni meteorologiche locali

e la US Standard Atmosphere 1976 (NASA)

p = pressione in Pa e frazioni di un Pa.

Le specifiche principali per MPL3115A2 comprendono l'elaborazione su chip per evitare di caricare il processore host e una tipica corrente di alimentazione attiva di 40 μA per ogni secondo di misura per una risoluzione di uscita stabile. Funziona con un'alimentazione da 1,95 a 3,6 volt (regolata internamente) e ha un intervallo di temperature di funzionamento da -40 a +85 °C.

La grande varietà di scenari e condizioni di applicazione è coperta in modo piuttosto completo dai fornitori di sensori. Un esempio pertinente è la serie TBF di Honeywell. Si tratta di sensori di forza di base che comprendono un sensore di pressione a membrana piatta progettato per le applicazioni in cui la compatibilità con i mezzi e lo spazio ridotto sono importanti. Sono progettati per applicazioni quali pompe per infusione, dispositivi indossabili, sistemi di somministrazione di farmaci e robotica e sono compensati in temperatura e calibrati internamente.

È interessante notare che non eseguendo internamente l'amplificazione del segnale, la loro risoluzione è infinita. I progettisti possono sfruttare questo segnale non amplificato per ottenere la massima risoluzione richiesta per l'applicazione grazie al loro intervallo da 100 kPa a 1 MPa.

Altre considerazioni sulla progettazione

Se da un lato i sensori di pressione oggi sono progettati per soddisfare i nuovi requisiti ingegneristici dell'IoT, dall'altro devono continuare a far fronte ai problemi tradizionali come la robustezza e la resistenza a sostanze chimiche quali cloro, bromo e acqua salata. Il livello di sensibilità all'umidità è un'altra sfida critica che va oltre la protezione dell'elettronica del sensore di pressione. Inoltre, i sensori di pressione devono anche essere facili da installare e non richiedere manutenzione.

Questi sono i criteri che hanno ispirato il progetto dei sensori di pressione della serie NovaSensor NPA di Amphenol a montaggio superficiale, racchiusi in un contenitore SOIC a 14 pin (Figura 7).

Immagine della serie NPA a montaggio superficiale di Amphenol

Figura 7: La serie NPA a montaggio superficiale di Amphenol offre opzioni di uscita flessibili. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

La serie NPA è disponibile per il rilevamento della pressione relativa, assoluta e differenziale, con uscite in millivolt, analogiche amplificate o digitali. Il loro intervallo di misura della pressione è dato da 254 mm di acqua (H20) (25,4 mm di H20 = 249,0889 Pa) a 30 psi (1 psi = 6894,7529 Pa).

Conclusione

I sensori di pressione sono un componente importante per molte applicazioni IoT. A mano a mano che il costo dei dispositivi IoT diminuisce, i fattori di forma si riducono e l'urgenza di commercializzazione si fa sempre più pressante, i produttori di sensori hanno risposto mettendo in campo capacità di rilevamento e compensazione migliorate e più adattabili, oltre a interfacce semplificate.

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Majeed Ahmad

Majeed Ahmad è un ingegnere elettronico con un'esperienza ultraventennale nel settore della tecnologia multimediale B2B. È stato caporedattore di EE Times Asia, una pubblicazione affiliata di EE Times.

Majeed è autore di sei libri sull'elettronica. I suoi contributi appaiono spesso in pubblicazioni specializzate di progettazione elettronica, tra cui All About Circuits, Electronic Products ed Embedded Computing Design.

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