使用進階壓力感測器提升小型 IoT 設計的準確度和解析度

壓力感測器廣泛應用於無人機和工業自動化等 IoT 應用領域。然而，設計人員卻經常備受挑戰，必須在降低成本和加速上市時間的前提下，提升準確度、精密度、解析度、雜訊耐受性以及溫度穩定性。

為了因應這些挑戰，感測器供應商引進了各種創新功能、尺寸、整合式電子和靈活的介面選項，為設計和整合簡便性帶來莫大貢獻。

本文將對現代整合式壓力感測器進行剖析，並探討其如何處理諸如溫度補償和輸出準確度等問題。此外亦會探討關鍵設計考量，同時介紹適合的解決方案，以及開發人員如何快速著手執行這些解決方案。

壓力感測器的演進

壓力感測器原本是以機電元件推向市場，但後來由採用 MEMS 的更低成本半導體元件取代，其可測量 ±1 Pa 的極小壓差。這些感測器具有板載介面，能以更低的耗電量，透過 I²C 或 SPI 聯結將數據傳送到微控制器。

在 MEMS 壓力感測器中，力施加到彈性薄膜後會在感測元件上產生偏移而引發不均衡，然後再轉換為輸出。MEMS 架構感測器可測量絕對壓力與差壓範圍，且皆有補償式與非補償式兩種版本。

適用於 IoT 設計的壓力感測器

壓力感測器近期的諸多改良使其更為準確、輕巧且成本更低，還支援更廣泛的量測範圍。這些創新是 IoT 與穿戴式設計領域促成新應用的必要元素。

譬如，MEMS 架構壓力感測器的應用就包括新一代的運動手環，在熱量消耗量測方面要求更高的準確度。跑步者與單車騎士尤其注重在運動表現監測準確度上的改善。壓力感測逐漸成為穿戴式與 IoT 設計領域的重要項目，因此勢必追求更小的覆蓋區。

更加小巧且耗電量更低的新款 MEMS 感測器，可大幅節省板空間，並且增進 IoT 設計的效能和可靠度。這些壓力感測器採用超緊湊的薄型封裝，亦適用於電池供電式可攜式設計，例如智慧型手機和平板電腦，以及運動用穿戴式裝置等。

在某些電池供電式行動裝置中，壓力感測器能夠在活動識別、準確樓層偵測和戶外定位等應用中增強或取代 GPS。這些 MEMS 架構壓力感測器亦可達到更準確的航位推算，在健康照護和天氣監測等領域開創新的應用。

譬如 STMicroelectronics 推出的 LPS22HB，就是這些新型 MEMS 感測器的良好範例 (圖 1)。此 MEMS 奈米壓力感測器具備 260 至 1260 hPa 的絕對壓力範圍，可提供數位輸出。主要特點包括 2.0 x 2.0 x 0.76 mm 的超小型 LGA 封裝和低耗電量，在 1.7 V 至 3.6 V 的供電下僅汲取 3 µA 電流。

圖 1：STMicroelectronics 的 LPS22HB MEMS 氣壓計尺寸為 2 x 2 x 0.76 mm，在 1.7 V 至 3.6 V 供電下僅汲取 3 µA 電流。(圖片來源：STMicroelectronics)

LGA 封裝具有孔洞，能讓外界壓力接觸感測元件。此感測器為壓阻式，包含感測元件以及 IC 介面，可透過 I²C 或 SPI 將感測元件連接至應用。

LPS22HB 具備溫度與壓力補償功能，且內建 FIFO，可在數位邏輯中有效處理壓力和溫度數據 (圖 2)。

圖 2：LPS22HB 的 FIFO 功能內建在數位邏輯部分中，並具備溫度與壓力補償功能。(圖片來源：STMicroelectronics)

FIFO 緩衝器包含 32 槽的 40 位元數據，可存放壓力與溫度輸出值。這項特點有助於持續省電，因為主機無須持續輪詢感測器。相反地，主機僅須從中斷狀態喚醒並從 FIFO 快速擷取必要數據。

FIFO 具備七種不同的操作模式：旁路模式、FIFO 模式、串流模式、動態串流模式、串流至 FIFO 模式、旁路至串流模式，以及旁路至 FIFO 模式。這些模式提供不同等級的操作性。譬如在旁路模式中，FIFO 會維持不操作與清空狀態，而在動態串流模式中，則會確保 FIFO 中可用的新數據量與先前的讀數無關。

使用 LPS22HB 時，電力會供應到引腳 10 (V_DD)。建議在盡可能靠近供電墊的位置放置一個 100 nF 解耦電容 (圖 3)。

圖 3：在 PC 板上佈局 LPS22HB 時，將引腳 10 連接至 V_DD 以進行供電，並在盡可能靠近供電墊的位置放置一個 100 nF 解耦電容。(圖片來源：STMicroelectronics)

此外，使用 I²C 介面時，CS (引腳 6) 必須接至 V_DD_IO (引腳 1)。

過濾雜訊與突發變化

為了在智慧型手錶和運動手環等精密設計中使用壓力感測器，維持超低雜訊非常重要。由於突發事件可能會使氣壓快速、突然地上昇，因此這一點尤為重要。

為了處理雜訊問題，Bosch Sensortec 的 BMP388 氣壓感測器包含無限脈衝回應 (IIR) 濾波器 (圖 4)。這可讓壓力感測器過濾掉因環境事件導致的突發壓力變化。

圖 4：Bosch Sensortec 的 BMP388 感測器配備 IIR 濾波器，有助於在關門或槍擊等事件中維持低雜訊回應。(圖片來源：Bosch Sensortec）

BMP388 的設計可在智慧型手機、智慧型手錶和消費性無人機中進行高度追蹤。此低雜訊 24 位元絕對氣壓感測器提供 300 hPa 至 1,250 hPa 的寬廣量測範圍，相對準確度為 ±0.66 m (圖 5)。

圖 5：Bosch-Sensortec 的 BMP388 數位 MEMS 氣壓感測器尺寸為 2 x 2 x 0.8 mm，專為在導航儀器中提供高度資訊所設計，準確度為 ±0.66 m。

如果在溫度突然波動等動態情況下，氣壓感測器無法提供高度穩定性，可將氣壓數據與加速計數據連同輔助濾波器結合使用。針對這類需要採用感測器融合式技術提供最佳效能的情況，Bosch Sensortec 提供可準確轉向的 BMI088 慣性量測單元 (IMU)，以及可提供航向數據的 BMM150 地磁感測器。

在極端溫度下測量壓力

準確度和解析度與壓力感測器的設計息息相關。不過，壓力感測器必須能夠針對上至山巒下至礦井的高度範圍，以及這些環境中對應的極端溫度變化，準確地產生回應。同時還要維持濕媒介相容性。

在無人機等應用中，高度資訊對於穩定度和著陸準確度而言至關緊要，但壓力感測器必須以優異的準確度和解析度來提供此高度資訊，且不受環境變化的影響。溫度補償功能採用自行研發的演算法，可協助 MEMS 裝置達到 ±1 Pa 的準確度，相當於小於 5 cm 的高度變化。

溫度穩定性對於常開式動作感測應用 (例如穿戴式裝置) 而言至關緊要，因為隨著使用者從一個環境移至另一個環境，溫度會快速變動。NXP Semiconductors 的 MPL3115A2 即是實現優異溫度穩定性的良好範例 (圖 6)。

圖 6：一覽壓力和溫度感測操作如何在 NXP 的 MPL3115A2 小型壓阻式絕對壓力感測器中彼此互補。(圖片來源：NXP Semiconductors)

MPL3115A2 具備 20 kPa 至 110 kPa 的寬廣操作範圍，這是 NXP 專為涵蓋所有地面海拔高度而設計。此元件採用晶片上溫度感測器來進行溫度補償，而壓力和溫度會經過多工、放大、濾波處理，然後再饋送至類比數位轉換器 (ADC)。接著再使用方程式 1 中的公式來計算高度：

說明：

h = 高度，以公尺和公尺的分數為單位

p₀ = 海平面壓力 (101,326 Pa)

OFF_H = 使用者輸入的同等海平面壓力，用於補償當地天氣

條件與美國標準大氣層模型 1976 (NASA)

p = 壓力，單位為 Pa 和 Pa 的分數。

MPL3115A2 的核心規格包括晶片上處理功能 (可避免對主機處理器造成負擔)，以及每量測秒 40 µA 的典型主動供應電流 (可達到穩定的輸出解析度)。此元件可在 1.95 V 至 3.6 V 供電 (內部穩壓) 下運作，工作溫度範圍為 -40˚C 至 +85˚C。

感測器供應商完整支援多樣化的應用情境和條件。Honeywell 的 TBF 系列就是良好範例。此系列為基本的力感測器，含有一個平面隔膜式壓力感測器，專為注重媒體相容性以及低受困體積的應用所設計。這些感測器適用於輸液幫浦、穿戴式裝置、投藥系統和機器人等應用，且具備內部溫度補償與校準功能。

最值得一提的是，其不會對訊號進行內部放大，因此可提供無限解析度。相反地，設計人員可運用此未經放大的訊號，在 100 kPa 至 1 MPa 的範圍內針對應用取得需要的最大解析度。

其他設計考量事項

雖然壓力感測器是專為滿足 IoT 的新工程需求所設計，但其仍須解決一些傳統問題，例如堅固性，以及對於氯、溴和鹽水等化學物質的耐受性。濕度敏感等級是超出壓力感測器電子裝置保護能力的另一項重大難題。此外，壓力感測器還應具備可輕鬆安裝且免維護的特點。

Amphenol 的 NovaSensor NPA 系列表面黏著式壓力感測器就是以這些條件為基礎進設計，並採用 14 引腳 SOIC 封裝 (圖 7)。

圖 7：Amphenol 的表面黏著式 NPA 系列提供靈活的輸出選項。(圖片來源：Amphenol)

NPA 系列提供計示壓力、絕對壓力和差壓範圍，以及 mV、經過放大的類比或數位輸出。其壓力量測範圍單位為 10 英吋水柱 (H20) (1 in H20 = 249.0889 Pa) 至 30 psi (1 psi = 6894.7529 Pa)。

結論

壓力感測器是眾多 IoT 應用的重要建構基礎。隨著 IoT 裝置的成本降低、尺寸縮減和上市時間的壓力增加，感測器製造商只好推出改良且適應性更佳的感測與補償功能，以及簡化的介面，來因應上述挑戰。