Últimos Avanços em Sensores MEMS para Tecnologia Vestível

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

Sensores de pressão barométrica, por exemplo, são ideais para incorporação em relógios, pulseiras de fitness, fones de ouvido ou smartphones para suportar parâmetros de fitness que podem detectar se você está caminhando em área plana, subindo uma inclinação ou escadas. Eles adicionam uma terceira dimensão (Z) a dispositivos de navegação bidimensionais padrão (X, Y). Na verdade, alguns são sensíveis e precisos o suficiente para que uma chamada de emergência possa sinalizar a um socorrista em que andar você está em um arranha-céu. A Bosch Sensortec lançou agora o sensor de pressão barométrica robusto BMP 384 no mercado de vestíveis. Ele foi robustecido com um pacote preenchido com gel, uma inovação para um sensor de pressão barométrica. Isso o torna resistente à água e a vários ambientes hostis. Além disso, devido ao seu pequeno tamanho — 2,0 × 2,0 × 1,0 mm — é fácil de integrar em smartphones, vestíveis e hearables.

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

Dentro de um Sensor MEMS de Pressão Barométrica

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

Esta é uma tecnologia bem comprovada, usada no mercado automotivo há mais de 20 anos e mostrou-se bastante estável mesmo sob condições robustas. Agora está entrando na indústria de eletrônicos de consumo com um histórico de sucesso. Nossa última entrada neste mercado é o modelo BMP384, que não é apenas robusto, mas é resistente a meios devido ao seu pacote preenchido com gel.

Precisão

Precisão relativa é uma função da inclinação da curva de saída; é a precisão de mudanças de altitude, em vez de uma leitura absoluta. Para o BMP 390 de alto desempenho da Bosch, é de +/- 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 de +/- 0,50 hPa. Outras especificações relevantes à precisão absoluta incluem ruído RMS: +/- 0,02 hPa; coeficiente de temperatura de offset: (25 °C – 40°C, a 900Pa); estabilidade de 12 meses: +/- 0,16 hPa; e deriva de solda: <+/- 0,8 hPa.

(Deriva de solda, embora não frequentemente mencionada, pode ser um fator significativo. Ao soldar um dispositivo a uma placa de circuito impresso, você cria um gradiente de temperatura, que pode causar estresse mecânico, incluindo dobra. Esse tipo de estresse no sensor MEMS pode causar mudanças na saída elétrica.)

Navegação

Sensores MEMS de pressão barométrica podem ser otimizados para diferentes aplicações. Por exemplo, o BMP390, projetado para medição precisa de elevação, tem resolução suficiente para medir mudanças de altura de menos de 10 cm. Com tamanho de caixa de 2 mm × 2 mm × 0,75 mm, pode ser facilmente integrado em um smartphone ou relógio. A Bosch, em conjunto com a NextNav LLC (Sunnyvale, CA), desenvolveu um sistema de navegação indoor 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 em chamadas de emergência aprimoradas (E911).

Para uma chamada de emergência, a precisão absoluta é crítica. Digamos que você more em um apartamento no 14º andar; para que os socorristas o encontrem rapidamente, a informação do eixo z, bem como x e y, todas têm que ser precisas e exatas.

Para atingir as leituras absolutas mais precisas, você teria que começar com uma calibração que leve em conta a altitude de sua localização, por exemplo, se você está no nível do mar ou no topo de uma montanha. Então, há 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 seu telefone com seu sensor embutido está em um local particular 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 fusão de sensores, combinando informações de vários tipos diferentes de sensores, como inerciais e magnéticos.

Fitness — Detecção de Pressão

Para rastrear rotinas de treino, a precisão relativa é suficiente — você só está interessado na mudança de altitude, não no valor absoluto. Fatores ambientais, no entanto, são significativos para rastreadores de fitness, especialmente para vestíveis, como smartwatches, especialmente se você quiser rastrear natação.

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

Para que o sensor opere em ambientes hostis, o mecanismo de detecção, bem como o ASIC embutido, deve ser isolado. No BMP 384, isso é feito aplicando uma camada de gel entre o diafragma e a caixa. Requer know-how especial para fabricar e aplicar um gel com as propriedades mecânicas e térmicas certas. O gel tem que transmitir pressão para a membrana, sem bloqueá-la de dobrar. Também tem que conduzir calor bem o suficiente para que o sensor funcione em uma ampla faixa de temperatura e, finalmente, não deve endurecer durante a vida útil do sensor.

Fitness — Inteligência Artificial

O sensor MEMS BHI260AP, introduzido pela Bosch na CES 2021, é projetado para ser integrado em vestíveis de pulso, como smartwatches e pulseiras de fitness; ou hearables. Ele não apenas contém uma IMU de seis graus de liberdade com acelerômetro de 16 bits de 3 eixos e giroscópio de 16 bits de 3 eixos, mas também um microcontrolador programável pelo cliente de 32 bits. Esta combinação de hardware mais software de IA autoaprendiz incluído suporta um dispositivo de fitness muito sofisticado.

Natação. A Bosch Sensortec desenvolveu software de rastreamento de natação para o BHI260AP. Usando dados de sensor em tempo real da IMU e do microcontrolador de ponto flutuante, ele pode fornecer tanto dados brutos do sensor quanto executar funções de IA que geram resultados relevantes para uso direto por um processador de aplicação. O sensor de movimento embutido determina quando o usuário começou a nadar, sem exigir nenhuma ação do nadador. Ele então classifica o tipo de braçada de quatro categorias possíveis — costas, livre, borboleta e 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 seu treino em casa — Ele pode reconhecer e rastrear os detalhes de sua rotina de exercícios pessoal. 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 treino específico. Aprendendo 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 frequência dos exercícios. Quando os usuários seguem um plano de treino pré-definido, eles podem ser informados sobre o quão perto estão de alcançar seus objetivos pessoais, como perda de peso, tonificação ou nível de condicionamento.

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

Processamento na Ponta. 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. Primeiro, consome muito mais energia 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 especialmente atletas profissionais, não querem que outros tenham acesso aos seus registros. E para movimentos rápidos, você não quer a latência causada por enviar dados para outro lugar em vez de processá-los direto no sensor.

Resumo

O desenvolvimento de sensores MEMS cada vez mais sofisticados está permitindo aplicações para vestíveis limitadas apenas pela imaginação dos projetistas. Dois exemplos de avanços-chave neste momento incluem o sensor de pressão barométrica BMP384 preenchido com gel da Bosch, altamente resistente a líquidos, e o BHI260AP, que inclui uma IMU e um processador de ponta para executar aplicações de inteligência artificial.

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