智能手錶和可穿戴設備通常用於惡劣的環境中，並且其運動和活動跟蹤等功能要求具有高精度、快讀取和低功耗的特性。為了實現精確的高程增益、垂直速率和運動檢測，氣壓傳感器因此而被集成在這些設備中。
英飛凌新型DPS368氣壓傳感器非常適合這些應用，因為與其他防水壓力傳感器相比，該器件可以節省多達80%的空間。另外，與壓阻技術相比，DPS368氣壓傳感器的精度為±2 cm，可以節省多達50%的功率。這款數字式氣壓傳感器堅固耐用，其膠墊和隔膜均有凝膠保護(圖1)，可防止水、溼氣和灰塵進入。DPS368通過了IPx8認證，可以在水下50 米環境承受長達一小時。DPS368壓力傳感器組件採用電容傳感原理，可在溫度變化期間保證高精度。它基於久經考驗的DPS310器件，並且帶有非常堅固且防水的封裝，因此非常適合惡劣環境下的各種應用(圖2)。目標應用是智能手錶、可穿戴設備和智慧型手機(例如健身追蹤、步數統計、跌倒檢測、導航、高度檢測)；家用電器(例如暖通空調/真空吸塵器中的氣流控制、洗衣機中的水位檢測、入侵檢測)；無人機(例如飛行穩定性、高度控制)和醫療保健(例如跌倒檢測、氣流監測)。
DPS368氣壓傳感器具有出色的解析度、溫度穩定性、能效和耐用性。這些優點使它特別適用於需要檢測壓力變化很小的電池供電應用，即使在惡劣的環境下也是如此。該傳感器將大氣壓和溫度感應(圖3)功能集成到單一且非常緊湊的8引腳LGA封裝中，尺寸僅為2.0 mm × 2.5 mm × 1.1 mm。壓力測量的平均電流消耗為1.7μA(待機模式下僅為0.5μA)。
圖1：DPS368的ASIC和MEMS晶片在非常堅固的封裝中受到凝膠保護。
圖2：DPS368非常適合經常在惡劣環境中使用的各種行動裝置和可穿戴設備中的精確壓力感測。
圖3：DPS368架構框圖
DPS368氣壓傳感器的精度可達±0.002 hPa(等於±2 cm)，可以在–40至+ 85°C溫度範圍測量300 hPa至1200 hPa之間的氣壓，並且具有低於0.5 Pa/°C的溫度敏感度。溫度讀數精確到±0.5°C。該傳感器能夠檢測單樓梯、身體動作或手勢。在生產過程中，每個單一組件都經過單獨校準，校準係數存儲在一次性可編程(OTP)存儲器中。可以使用I2C或SPI接口傳輸原始數據，並且在主機設備中計算補償壓力值。
全速運行時，該器件的功耗相比競爭對手產品低50%，這歸功於其電容技術(交流偏置)，從而可以延長電池使用壽命。集成的FIFO可以存儲32個測量值，並允許主機處理器在兩次讀取之間的長間隔進入睡眠模式，從而進一步節省了系統功耗。
圖4：其電容式傳感器的單元結構可實現溫度漂移極低的差分測量。
高測量速率(高達200 Hz)和快速讀取可實現快速的傳感器反饋。
典型的小尺寸MEMS(微機電系統)壓力傳感器圍繞壓阻測量技術而構建。在這些情況下，通過應變傳感器來檢測膜片相對於壓力變化的撓曲。但是，壓阻式傳感組件特別容易隨溫度改變而變化，而且它們對於溫度變化沒有線性響應。因此，與電容組件相比，這些傳感器需要更複雜的校準。此外，電阻測量會帶來相對較高的電流消耗，在目標應用設備由電池供電且使用壽命至關重要的情況下，這是一個特別重要的考慮因素。
由於壓阻技術的局限性，英飛凌為其壓力傳感器開發了一種電容式MEMS技術。圖4顯示了所開發的單元結構和電容式電橋配置。這個氣壓傳感器由四個傳感和參比單元陣列組成。傳感單元具有柔性膜，該膜片可對壓力變化做出反應並提供氣壓測量值。參比單元則具有堅硬的膜，該膜片對壓力變化無反應，並提供穩定的測量參比。這種結構的好處是壓力測量是可以差分的，並且傳感單元和參比單元都暴露在相同的溫度變化下，從而消除了溫度漂移的影響。單元尺寸針對高靈敏度和機械可靠性進行了優化。它基於小型MEMS電池，沒有重力效應。除了在寬溫度和壓力範圍內具有非常好的溫度穩定性之外，其他關鍵特性還包括低噪聲和低功耗。
為實現靈活的系統設計，這個傳感器可以針對不同的使用案例配置，以便在平衡能耗的情況下優化解析度。不同的操作模式(高精度、標準、低功耗和超低功耗 ) 協調了不同的精度(2至50 cm)和測量速率(單脈衝和高達200 Hz)。例如，可以針對GPS高度精度配置一次性測量操作，或者使用每秒進行多次測量的選項來滿足手勢識別或跌倒檢測的需求。可配置模式(圖5)還可以優化效率，因為功耗與測量頻率成正比。
圖5：不同的操作模式能夠實現優化的能耗和精度，以滿足相關應用的需要。
(本文作者系 Rutronik產品線經理Ralf Kern和英飛凌科技壓力傳感器產品營銷經理Theresa Möhrle)