Практика применения датчиков давления STMicroelectronics

20 октября

медицинапотребительская электроникалабораторные приборыинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьядатчикисредства разработки и материалыдатчик давленияУмный домСенсорбарометр

Александр Калачев (г. Барнаул)

Растет практика применения миниатюрных MEMS-датчиков давления: лабораторные приборы, смартфоны, портативные гаджеты для фитнеса и контроля здоровья. STMicroelectronics производит обширную линейку этих датчиков на базе собственной технологии VENSENS и предлагает экосистему из датчиков разного типа, средств отладки и программных продуктов для работы.

В современных условиях датчики состояния окружающей среды (или климатические датчики) могут использоваться для различных целей.

Первая и очевидная цель – мониторинг и управление микроклиматом здания или отдельных комнат в составе систем вентиляции и кондиционирования. Отдельного внимания заслуживает управление микроклиматом замкнутых объемов, например, транспортных контейнеров, контейнеров рефрижераторов и тому подобного – это может быть критически важным для сохранности грузов.

Не меньший интерес представляют мобильные и носимые устройства. На текущий момент достаточно большое количество мобильных устройств оснащаются климатическими датчиками, позволяющими добавлять новые функции или сервисы в мобильные приложения.

В качестве носимых устройств часто выступают смарт-часы, фитнес браслеты и прочие подобные устройства, ориентированные в основном на спортивные применения и отслеживание физической активности.

От самих датчиков требуются достаточно высокая точность, разрешающая способность, предельно малые габариты и низкое энергопотребление. В ряде случаев требуется также устойчивость к внешним воздействиям.

Датчики давления в системах управления микроклиматом и в мобильных устройствах присутствуют пока нечасто. Тем не менее, налицо явная тенденция к расширению возможных применений. Помимо климатического контроля и отслеживания погодных явлений, сферами применения датчиков давления являются локальное позиционирование – определение высоты, а также учет физической активности.

Датчики давления ST Microelectronics

Сверхмалые кремниевые датчики давления STMicroelectronics используют разработанную ST инновационную технологию VENSENS, позволяющую изготавливать датчик давления на монолитном кремниевом чипе, устраняя в принципе соединения кристалла с сенсорным элементом, повышая тем самым точность и надежность датчика и существенно снижая уровень шумов.

В результате датчики обладают высоким разрешением по давлению и могут быть выполнены в сверхкомпактных и тонких корпусах. Ключевыми особенностями датчиков давления ST MEMS являются:

  • встроенная температурная компенсация, которая позволяет приложениям стабильно работать в изменяющихся условиях;
  • широкий диапазон абсолютного давления от 260 до 1260 ГПа, охватывающий все возможные высоты (от самых глубоких шахт до вершины Эвереста);
  • низкое энергопотребление – менее 4 мкА;
  • низкий уровень шума давления – среднеквадратичное значение шума ниже одного паскаля.

Основные интерфейсы взаимодействия с микроконтроллерами (один из вариантов, в зависимости от настроек) – I2C, SPI, у некоторых моделей – MIPI I3C.

Датчики LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB выполнены в низкопрофильных пластиковых корпусах LGA с вентиляционным (HLGA) отверстием для доступа газа к сенсорному элементу (рисунок 1). Данные серии ориентированы на применения в устройствах, не предназначенных для прямого контакта с водой или сильно загрязненными воздушными средами.

Рис. 1. Внешний вид датчиков давления серий LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB

Рис. 1. Внешний вид датчиков давления серий LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB

Серия LPS25HB способна работать при повышенных температурах – верхний предел ее рабочей температуры 105°C.

LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K выпускаются в керамических корпусах LGA с переходным металлическим кольцом, заполненным специальным гелем для передачи давления среды сенсорному элементу (рисунок 2). Такой барьер позволяет измерять давление не только в воздухе, но и в жидкостях, что открывает широкий спектр применений, от спортивных часов до контроля уровня жидкостей в промышленных емкостях.

Рис. 2. Внешний вид датчиков давления серий LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K

Рис. 2. Внешний вид датчиков давления серий LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K

Основные характеристики датчиков давления представлены в таблице 1.

 Таблица 1. Линейка датчиков давления ST Microelectronics

Наименование Максимальная частота измерений, Гц Диапазон измеряемых давлений (уровень шума, RMS), ГПа Типовой ток потребления, мкА Ток потребления в сберегающем режиме, мкА Ток потребления в режиме ожидания, мкА Размеры, мм
LPS22CH 200 660…1160 (0.0065) 12 4 0,9 2×2×0,76
LPS22HB 75 260…1260 (0.0075) 12 3 1 2×2×0,76
LPS22HH 200 260…1260 (0.0065) 12 4 0,9 2×2×0,73
LPS25HB 25 260…1260 (0.01) 25 4 0,5 2,5×2,5×0,76
LPS27HHTW 200 260…1260 (0.007) 12 4 0,9 2,7×2,7×1,7
LPS27HHW 200 260…1260 (0.007) 12 4 0,9 2,7×2,7×1,7
LPS33HW 75 260…1260 (0.008) 15 3 1 3,3×3,3×2,9
LPS33K 75 260…1260 (0.008) 2 4 3,3×3,3×2,9
LPS33W 75 260…1260 (0.02) 15 3 1 3,3×3,3×2,9
LPS35HW 75 260…1260 (0.008) 15 3 1 3,5×3,5 ×1,85

Особенности интеграции датчиков давления в устройство

Интеграция датчиков давления, равно как и датчика температуры, в мобильные и носимые устройства – смартфоны, смарт/спортивные часы, метеостанции или промышленное оборудование – должна осуществляться без ущерба для производительности датчика и точности его показаний. Это несложно, достаточно учитывать ряд рекомендаций и факторы, влияющие на показания датчика.

Для получения надежных и повторяющихся (при совпадении внешних условий) измерений все элементы, участвующие в механической конструкции, должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить максимальный отклик датчика на изменения во внешней среде и минимизировать время отклика с точки зрения давления и температуры, совместимое с требуемыми техническими характеристиками конструкции.

Каждое изменение условий внешней среды должно отражаться в измерениях, сообщаемых датчиком, особенно критичны быстрые изменения давления и температуры.

На отклонения между тестируемыми условиями и условиями вокруг зоны измерения также влияют источники тепла, поступающие от других устройств, расположенных вблизи зоны измерения, или самонагрев датчика. Критичными являются изменения температуры датчика, так как из-за этого его показания не будут совпадать с температурой среды, а также будут вносить определенный момент инерции.
В соответствии с изложенными соображениями, оптимизация дизайна состоит в следующем:

  1. надлежащее размещение датчика в системе;
  2. вариант выполнения и корпус датчика;
  3. защита датчика.

Для обеспечения максимальной производительности датчика в статических и динамических условиях рекомендуется:

  1. располагать датчик как можно ближе к измеряемой среде;
  2. минимизировать объем, стараясь адаптировать корпус к геометрии датчика, поскольку большой «мертвый объем» увеличит время отклика на изменение давления;
  3. размещать вентиляционное отверстие как можно ближе к датчику;
  4. свести глубину вентиляционного отверстия к минимуму.

Также нежелательны прямые механические воздействия на корпус датчика (см. рисунок 3).

Рис. 3. Примеры размещения датчиков давления в корпусе устройства

Рис. 3. Примеры размещения датчиков давления в корпусе устройства

Еще одним источником возможных систематических ошибок в показаниях датчика является его дополнительный нагрев, вызванный кондуктивной или конвекционной теплопередачей от таких компонентов устройства с повышенным тепловыделением, как:

  • контроллеры питания, преобразователи напряжения, силовые диоды и транзисторы;
  • GPS-модули;
  • процессоры, микроконтроллеры, микросхемы оперативной памяти;
  • ЖК-дисплеи, система подсветки, контроллеры дисплеев.

Рекомендуется по возможности размещать датчики на печатной плате как можно дальше от тепловыделяющих элементов, минимизировать толщину дорожек, идущих к ним. Для защиты от конвекционных потоков желательно применять физические теплоизоляционные барьеры (рисунок 4).

Рис. 4. Рекомендации по размещению датчиков давления относительно тепловыделяющих элементов

Рис. 4. Рекомендации по размещению датчиков давления относительно тепловыделяющих элементов

Пример одного из вариантов расположения в корпусе смартфона представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Один из вариантов расположения датчика давления в корпусе смартфона

Рис. 5. Один из вариантов расположения датчика давления в корпусе смартфона

Для герметичных датчиков в керамических корпусах с металлическим кольцом рекомендации по расположению относительно тепловыделяющих элементов остаются практически аналогичными. За счет герметичности и возможности доступа датчика непосредственно к среде нет необходимости в организации вентилируемого объема – кольцо датчика может быть выведено практически вровень с корпусом (рисунок 6). Единственным требованием остается отсутствие перекоса при монтаже датчика и отсутствие боковых механических нагрузок. Герметичность корпуса может быть обеспечена применением резинового или силиконового уплотнительного кольца (внутренний диаметр 1,15 мм, толщина 1 мм).

Рис. 6. Пример установки датчика с металлическим кольцом в корпус устройства

Рис. 6. Пример установки датчика с металлическим кольцом в корпус устройства

Внутренняя структура, режимы работы и реализация программной части для взаимодействия с датчиком давления

Структурная схема датчиков давления STMicroelectronics представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Структурная схема датчиков давления ST Microelectronics

Рис. 7. Структурная схема датчиков давления ST Microelectronics

Аналоговая часть представлена сенсорными элементами: пьезорезистивный мост, реагирующий на изменения давления, а также температурный датчик – и состоит из малошумящего усилителя, который преобразует дисбаланс сопротивления первичных сенсоров в аналоговое напряжение. Далее с помощью аналого-цифрового преобразователя показания оцифровываются (давление – 24 бита, температура – 16 бит), подвергаются первичной обработке (фильтрация шумов и термокомпенсация), после чего данные о давлении и температуре могут быть доступны через интерфейс I2C/SPI.

Датчик, таким образом, напрямую взаимодействует с микроконтроллером.

Датчики оснащены выводом сигнала готовности к передаче данных, который указывает, когда доступен новый набор данных об измеренном давлении и температуре, что упрощает синхронизацию данных в измерительной системе и освобождает микроконтроллер от необходимости постоянных запросов о готовности.

Все датчики проходят обязательную заводскую калибровку, поправочные данные записываются в энергонезависимую память и копируются в соответствующие регистры датчика при его включении.

Датчики давления имеют три режима работы:

  • режим пониженного потребления: отключены все внутренние блоки, кроме I2C-интерфейса;
  • режим одиночных измерений: измерение запускается по запросу хост-контроллера;
  • непрерывный режим: после запуска данного режима измерения производятся автоматически с заданной частотой и разрешением, также в цепь предварительной обработки данных может быть дополнительно включен встроенный фильтр нижних частот.

Для удобства работы датчики имеют 32-элементный FIFO-буфер для хранения выходных значений давления и температуры. Ячейки буфера 40-битные – соответственно 24 бита под данные давления и 16 под температуру. Это обеспечивает экономию энергии и вычислительных ресурсов для системы: хост-процессору не нужно непрерывно опрашивать данные с датчика, он может просыпаться только при необходимости и извлекать данные из FIFO. FIFO-буфер может работать в нескольких режимах: режим обхода (Bypass mode), режим FIFO (FIFO mode), режим потока (Stream mode), режим динамического потока (Dynamic-Stream mode), режим преобразования потока в FIFO (Stream-to-FIFO mode), режим обхода в поток (Bypass-to-Stream) и режим обхода в FIFO (Bypass-to-FIFO mode).

Дополнительно к FIFO датчики давления могут быть сконфигурированы для генерации прерываний, связанных с изменением давления или статусом FIFO-буфера – по срабатыванию условий изменяется уровень на выводе INT_DRDY.

Режимы прерывания, связанные с давлением:

  • окончание измерения и готовность данных;
  • выход текущего давления за установленные границы

Режимы прерывания, связанные с FIFO:

  • по заданному уровню заполнения FIFO;
  • по заполнению FIFO;
  • по переполнению FIFO.

Средства разработки

Разработчикам для быстрого старта с датчиками давления, а по факту – практически со всеми типами МЭМС-датчиков STMicroelectronics предлагаются оценочные платы XNUCLEOIKS01A3 и XNUCLEOIKS01A2.

X-NUCLEO-IKS01A3 – оценочная плата с датчиками движения и окружающей среды (рисунок 8).

X-NUCLEO-IKS01A3 совместима с компоновкой разъема Arduino UNO R3 и имеет в составе:

  • LSM6DSO: MEMS трехосевой акселерометр (±2/±4/±8/±16 g) + трехосевой гироскоп (±125/±250/±500/±1000/±2000 dps);
  • LIS2MDL: MEMS трехосевой магнитометр (±50 Гс);
  • LIS2DW12: MEMS трехосевой акселерометр (±2/±4/±8/±16 g);
  • LPS22HH: MEMS датчик давления с цифровым выходом (260…1260 Гпа в абсолютных единицах);
  • HTS221: емкостной датчик относительной влажности и температуры с цифровым выходом;
  • STTS751: датчик температуры (-40…125°C);
  • DIL 24-штырьковый разъем для подключения дополнительных MEMS-датчиков и датчиков другого типа.

По умолчанию X-NUCLEO-IKS01A3 взаимодействует с микроконтроллерами STM32 оценочных плат NUCLEO посредством интерфейса I2C. Разработчикам доступна свободная библиотека встроенного ПО для комплексной разработки с примерами кода для всех датчиков в рамках программной экосистемы STM32Cube.

Рис. 8. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A3

Рис. 8. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A3

X-NUCLEO-IKS01A2 (рисунок 9), похожая демонстрационная плата с датчиками движения и окружающей среды, является по факту платой расширения для отладочных микроконтроллерных плат семейства STM32 Nucleo.

Рис. 9. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A2

Рис. 9. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A2

Плата X-NUCLEO-IKS01A2 включает в себя:

  • трехосевой акселерометр/гироскоп LSM6DSL;
  • трехосевой акселерометр/магнетометр LSM303AGR;
  • датчик влажности и температуры HTS221;
  • датчик давления LPS22HB.

Основное взаимодействие с хост-контроллером на плате STM Nucleo осуществляется по интерфейсу I2C.

Заключение

Датчики давления ST все чаще используются в смартфонах, планшетах и персональных гаджетах, таких как спортивные часы, умные часы и фитнес-трекеры, обеспечивая точное определение высоты и дополнительные сервисы на основе определения локального местоположения, позволяя производить более точные расчеты. Это открывает широкое поле для новых приложений и сервисов смартфонов и носимых устройств, таких как анализаторы погоды, мониторы здоровья и спортивной активности.

Литература

  1. Pressure Sensors
  2. Motion MEMS and environmental sensor expansion board for STM32 Nucleo (X-NUCLEO-IKS01A3)
  3. Motion MEMS and environmental sensor expansion board for STM32 Nucleo (X-NUCLEO-IKS01A2)
  4. LPS22HH digital pressure sensor: hardware guidelines for system integration
  5. LPS33HW digital pressure sensor: hardware guidelines for system integration
•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
LPS22HBTR (ST)
LPS22HHTR (ST)
LPS25HBTR (ST)
LPS27HHWTR (ST)
X-NUCLEO-IKS01A3 (ST)
X-NUCLEO-IKS01A2 (ST)