O que há de novo em sensores MEMS para wearables

Os sensores MEMS existem há muito tempo, mas as solicitações do mercado para novas aplicações estão gerando atualizações na tecnologia. Devido ao seu pequeno tamanho, precisão e confiabilidade, os sensores MEMS são adequados para dispositivos vestíveis.

Os sensores de pressão barométrica, por exemplo, são ideais para serem incorporados em relógios, pulseiras de fitness, fones de ouvido ou smartphones para suportar parâmetros de condicionamento físico que podem detectar se você está caminhando em uma área plana, em um declive ou em escadas. Eles adicionam uma terceira dimensão (Z) aos dispositivos de navegação bidimensionais padrão (X, Y). Na verdade, alguns são sensíveis e precisos o suficiente para que uma chamada de emergência possa sinalizar ao socorrista em que andar você está em um arranha-céu. A Bosch Sensortec introduziu agora o robusto sensor de pressão barométrica BMP 384 no mercado de wearables. Ele foi reforçado com um pacote cheio de gel, que é uma inovação para um sensor de pressão barométrica. Isso o torna resistente à água e a vários ambientes agressivos. Além disso, devido ao seu tamanho pequeno – 2,0 × 2,0 × 1,0 mm – é fácil de integrar em smartphones, wearables e audíveis.

A Bosch também introduziu o sensor de IA de autoaprendizagem BHI260AP, ​​que pode ser ensinado para rastrear rotinas de treino individualizadas que incluem uma variedade de movimentos diferentes. E, como possui um estojo resistente à água, também pode rastrear voltas, braçadas e tempos de descanso para um treino de natação.

Dentro de um sensor de pressão barométrica MEMS

O mecanismo da série Bosch BMP de sensores de pressão é uma membrana de 10 a 20 mícrons de espessura em uma matriz de silício. Existem quatro elementos piezoresistivos na membrana de modo que quando ela se dobra em resposta à pressão, a mudança de resistência dos piezoresistores varia a saída de uma ponte de Wheatstone, produzindo assim o sinal de pressão.

Esta é uma tecnologia comprovada, que tem sido usada no mercado automotivo há mais de 20 anos e tem se mostrado bastante estável mesmo em condições adversas. Agora está entrando na indústria de eletrônicos de consumo com um histórico de sucesso por trás disso. A nossa mais recente entrada neste mercado é o modelo BMP384, que não só é robusto, como também resistente aos meios devido à sua embalagem cheia de gel

Precisão

Precisão relativa é uma função da inclinação da curva de produto; é a precisão das mudanças de altitude, em vez de uma leitura absoluta. Para o Bosch BMP 390 de alto desempenho, é +/- 0,03 hPa., o que equivale a +/- 25 cm.

Precisão absoluta é uma medida do erro máximo na leitura da pressão exata. Para o BMP390 de alto desempenho, é +/- 0,50 hPa. Outras especificações relevantes para a precisão absoluta incluem ruído RMS:+/- 0,02 hPa; deslocamento do coeficiente de temperatura:(25°C – 40°C, a 900Pa); estabilidade de 12 meses:+/- 0,16 hPa; e desvio de solda:<+/- 0,8 hPa.

(O desvio de solda, embora não seja mencionado com frequência, pode ser um fator significativo. Ao soldar um dispositivo em uma placa de circuito impresso, você cria um gradiente de temperatura, que pode causar um estresse mecânico, incluindo flexão. Esse tipo de estresse no sensor MEMS pode causar alterações na saída elétrica.)

Navegação

Os sensores de pressão barométrica MEMS podem ser otimizados para diferentes aplicações. Por exemplo, o BMP390, projetado para medição de elevação precisa, tem resolução boa o suficiente para medir mudanças de altura de menos de 10 cm. Com um tamanho de caixa de 2 mm × 2 mm × 0,75 mm, pode ser facilmente integrado a um smartphone ou relógio. A Bosch, em conjunto com a NextNav LLC (Sunnyvale, CA), desenvolveu um sistema de navegação interna que usa o BMP390 para fornecer o componente de localização do eixo z interno para localização e posicionamento tridimensional, bom o suficiente para ser usado para chamadas de emergência aprimoradas ( E911).

Para uma chamada de emergência, a precisão absoluta é fundamental. Digamos que você more em um apartamento no 14º andar, para que os socorristas o encontrem rapidamente, as informações do eixo z, assim como o x e o y, precisam ser precisas e precisas.

Para obter as leituras absolutas mais precisas, você teria que começar com uma calibração que levasse em conta a altitude de sua localização, por exemplo, se você está à beira-mar ou no topo de uma montanha. Então, existem vários fatores adicionais que podem afetar a precisão absoluta do sensor de pressão. Por exemplo, a correlação entre pressão e altitude varia conforme a pressão barométrica externa muda. Isso geralmente não é significativo para mudanças rápidas de altitude, mas, por exemplo, se o telefone com seu sensor embutido estiver em um local específico por 10 horas, a pressão ambiental provavelmente mudará nesse período. Então isso significa que é necessário trazer um sinal corretivo externo. Isso pode ser alcançado com a fusão de sensores, combinando informações de diversos tipos de sensores, como inerciais e magnéticos.

Fitness — Sensor de pressão

Para rastrear rotinas de treino, a precisão relativa é boa - você está interessado apenas na mudança de altitude, não no valor absoluto. Os fatores ambientais, no entanto, são significativos para rastreadores de fitness, especialmente para wearables, como relógios inteligentes, especialmente se você deseja rastrear natação.

O BMP384 preenchido com gel pode ser usado para rastreamento de condicionamento físico, especialmente quando se trata de mudanças de altitude ou condicionamento físico em ambientes agressivos, como a água.

Para que o sensor opere em ambientes agressivos, o mecanismo de detecção, bem como o ASIC incorporado, deve ser isolado. No BMP 384 isso é feito aplicando uma camada de gel entre o diafragma e a caixa. Requer um know-how especial para fazer e aplicar um gel com as propriedades mecânicas e térmicas corretas. O gel deve transmitir pressão à membrana, sem impedir que ela se dobre. Ele também deve conduzir o calor o suficiente para que o sensor funcione em uma ampla faixa de temperatura e, finalmente, não deve endurecer ao longo da vida útil do sensor.

Fitness — Inteligência Artificial

O sensor BHI260AP MEMS, que foi apresentado pela Bosch na CES 2021, foi projetado para ser integrado a wearables de pulso, como relógios inteligentes e pulseiras de fitness; ou audíveis. Ele não apenas contém uma IMU de seis graus de liberdade com um acelerômetro de 3 eixos de 16 bits e um giroscópio de 3 eixos de 16 bits, mas também um microcontrolador programável pelo cliente de 32 bits. Essa combinação de hardware e software de IA de autoaprendizagem incluído oferece suporte a um dispositivo de condicionamento físico muito sofisticado.

Natação. A Bosch Sensortec desenvolveu um software de rastreamento de natação para o BHI260AP. Usando dados do sensor em tempo real da IMU e do microcontrolador de ponto flutuante, ele pode fornecer dados brutos do sensor, bem como executar funções de IA que geram resultados relevantes para uso direto por um processador de aplicativos. O sensor de movimento integrado determina quando o usuário começou a nadar, sem exigir nenhuma ação do nadador. Em seguida, ele classifica o tipo de braçada em quatro categorias possíveis — costas, estilo livre, borboleta e nado peito — e registra o número de braçadas, voltas e quaisquer pausas entre as voltas.

Treino em casa. Este sensor “inteligente” pode ser treinado para ser um assistente pessoal para o seu treino em casa – ele pode reconhecer e rastrear os detalhes de sua rotina de exercícios pessoais. Embora venha com 15 atividades de fitness pré-programadas, atividades adicionais podem ser carregadas.

O sensor é inteligente o suficiente para reconhecer novos exercícios e pode se adaptar para corresponder ao seu próprio treino específico. Ao aprender com seu comportamento, ele pode reconhecer centenas de movimentos e padrões diferentes, não apenas aqueles que o fabricante do dispositivo pré-programou.

Para cada exercício, você pode obter feedback detalhado e instantâneo, por exemplo:o tipo de atividade, o tempo necessário e o número de séries e repetições que precisam ser feitas. Isso é então convertido em informações específicas sobre a intensidade e a frequência dos exercícios. Quando os usuários seguem um plano de treino predefinido, eles podem ser informados sobre o quão perto estão de alcançar seus objetivos pessoais, como perda de peso, tonificação ou nível de condicionamento físico.

Para treinos de alta intensidade, onde o usuário alterna rapidamente entre diferentes atividades, por exemplo, exercitar-se por 20 a 30 segundos, seguido de 20 a 30 segundos de descanso. O dispositivo de rastreamento de IA pode reconhecer de forma automática e confiável cada novo exercício na transição de um para o outro.

Processamento de borda. Existem várias vantagens em ter o processamento de dados embutido no sensor, em vez de transmitir dados brutos para um processador central, talvez na nuvem. Em primeiro lugar, é preciso muito mais energia para transmitir grandes quantidades de dados, em vez de um sinal que já usou os dados para calcular uma mensagem de saída significativa. A energia também pode ser reduzida se o processador local puder agregar dados e apenas transmiti-los em intervalos fixos em vez de continuamente. Isso é especialmente importante para maximizar a vida útil da bateria. Há também a questão da privacidade:usuários domésticos, mas principalmente atletas profissionais, não querem que outras pessoas tenham acesso aos seus registros. E para movimentos rápidos, você não quer a latência causada pelo envio de dados para outro lugar, em vez de processá-los diretamente no sensor.

Resumindo

O desenvolvimento de sensores MEMS cada vez mais sofisticados está permitindo aplicações para wearables limitadas apenas pela imaginação dos designers. Dois exemplos de avanços importantes neste momento incluem o sensor de pressão barométrica Bosch BMP384 preenchido com gel, que é altamente resistente a líquidos e o BHI260AP, ​​que inclui uma IMU e um processador de borda para executar aplicativos de inteligência artificial.

Este artigo foi escrito pelo Dr. Stefan Finkbeiner, CEO, Bosch Sensortec (Reutlingen, Alemanha). Para mais informações, entre em contato com Constantin Schmauder em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo.; ou visite aqui .