№3 / 2018 / статья 7

Удивительный датчик давления фитнес-трекера Gear Fit2 Pro

Gear Fit2 Pro, представленный в сентябре 2017-го, является первым водонепроницаемым датчиком давления с диапазоном давлений до 5 атмосфер. Частично это стало возможным благодаря интегральному сенсору от STMicroelectronicsLPS33HW.

Трекер Gear Fit2 Pro получил одобрительные отклики в прессе, поскольку он вобрал в себя все лучшее от предыдущей модели Gear Fit2 (представлена в 2016), а среди новых функций – трекер для плавания, постоянный мониторинг пульса, более надежный ремень. Кроме того, это один из немногих наручных приборов с ярким AMOLED-экраном и встроенным GPS-трекером, который будет полезен для любителей бега.

2017 год можно назвать ключевым для фитнес-трекеров, поскольку экспертами наконец-то была признана точность и надежность их измерений. К примеру, журнал Consumer Reports отмечает, что «фитнес-трекеры сейчас точны как никогда», а Школа медицины Стэндфордского университета (School of Medicine of Stanford University) приходит к заключению, что их монитор сердечного ритма работает очень надежно. Такие прорывы происходят потому что интегральные сенсоры становятся все более точными и мощными, в них появляются функции обработки сигналов и возрастает объем встроенных вычислений. Одним из образцов этого тренда, наряду с другими датчиками ST, такими как LPS25HBTR, LPS22HBTR, LPS25HTR, является LPS33HW, использующий водонепроницаеый корпус, позволяющий применять данный сенсор в таких новых приложениях как отслеживание гребков и преодоленных кругов в бассейне.

Как LPS33HW стал водонепроницаемым?

До недавнего времени сама конструкция интегральных датчиков давления не позволяла им работать под водой. Эти устройства измеряли атмосферное давление, что позволяло определять высоту пользователя над уровнем моря, а также отслеживать его подъемы или спуски. Чтобы определять давление, МЭМС-сенсор использует гибкую мембрану, расположенную внутри корпуса, которая изгибается вверх или вниз относительно подложки в зависимости от изменения давления. Соответственно, корпус имеет отверстие для доступа воздуха, так как полностью герметичный корпус не позволял бы производить это измерение.

Проблемой данного подхода является то, что даже если остальная часть системы измерения давления герметична, вентиляционное отверстие может пропустить воду внутрь корпуса, разрушая мембрану и нанося вред электронике под ней. LPS33HW элегантно решает данную проблему при помощи геля. Гель заполняет внутреннее пространство, не давая проникнуть воде, скрывает проводники, соединяющие мембрану с электроникой внутри корпуса датчика, и при этом не препятствует движению мембраны, позволяя проводить измерения.

Почему LPS33HW более надежный?

LPS33HW – водонепроницаем. Как правило, водонепроницаемость датчика не является достаточным условием, когда инженеры разрабатывают фитнес-трекер для повседневного использования. Люди могут входить в контакт с различными агрессивными средами, экстремальными температурами и химическими веществами, которые могут со временем разрушить защитное покрытие. Во многих аналогичных устройствах гель не может длительное время сопротивляться воздействию внешней среды. Клей размягчается или рассыхается, и гель перестает эффективно защищать внутренние структуры, что приводит к сокращению срока службы устройства в целом, увеличению затрат на обслуживание и снижению производительности.

Рис. 1. Сенсор LPS33HW в Gear Fit2 Pro

Рис. 1. Сенсор LPS33HW в Gear Fit2 Pro

Чтобы избежать этих проблем, в Gear Fit2 Pro используется сенсор LPS33HW (рисунок 1). Гель в LPS33HW устойчив к воздействию хлора, брома, соленой воды, щелочей и детергентов. В результате плавание в общественных бассейнах, в море или просто ежедневный прием душа с Gear Fit2 Pro не будет нарушать его целостность или уменьшать срок его службы. Собственные испытания STMicroelectronics доказали, что характеристики датчика не изменяются со временем при воздействии этих химических веществ. Сенсор LPS33HW настолько надежен, что он может работать, например, в таких промышленных приложениях как газовые счетчики. Кроме того, поскольку компонент работает при температурах -40…85ºC, пользователям Gear Fit2 Pro не стоит опасаться выхода датчика из строя.

Почему LPS33HW более точен?

Точность также является одним из фундаментальных аспектов работы МЭМС-барометра, но не все устройства одинаковы. Как было сказано ранее, мембрана, расположенная в верхней части сенсора, изгибается в зависимости от давления. Чтобы количественно измерить величину изгиба, поверх диафрагмы наносится резистивный мост Уинстона, в зависимости от изгиба система регистрирует на положительные или отрицательные изменения электрического сопротивления, по которым и определяется давление. Также важно, чтобы в состав сенсора входил датчик температуры, изменения которой учитываются алгоритмом компенсации LPS33HW при проведении измерений.

LPS33HW демонстрирует высочайшую точность, потому что в отличие от других конкурирующих устройств он использует пьезорезисторы, способные фиксировать малейшие изменения в электрическом сопротивлении. Это объясняет, почему устройство имеет широкий диапазон измерения давлений – 260 Па…1260 ГПа. Барометры STMicroelectronics часто встречаются в таких устройствах как мультиспортивный датчик PIQ, который ранее рассматривалcя в Life.Augmented Blog. Кроме того, микросхема LPS33HW может выводить 24-битные значения и достигать выходной скорости передачи данных (ODR) 75 Гц. Это означает, что приложение будет иметь непрерывный поток точных данных для принятия критических решений и вычисления результатов.

Помимо данных, отраженных в спецификации, у ST имеются и технологические разработки, заметно облегчающие жизнь инженеров и производителей. Например, при промышленной пайке датчики давления подвергаются воздействию высокой температуры. Это приводит к изгибу чувствительного элемента, и проходит около семи дней, прежде чем он восстановится и сможет снова выдавать точную информацию. Однако уникальной особенностью LPS33HW является дрейф пайки всего ±2 мбар, что в два раза меньше, чем у конкурирующих изделий. Следовательно, искажений также намного меньше, и LPS33HW восстанавливается всего за 72 часа. В результате сокращается время производства.

Чтобы помочь разработчикам быстрее выводить продукцию на рынок, компания ST предлагает аппаратные абстракции (Hardware Abstraction Layers) для Android и Linux, которые включают в себя драйверы и фреймворки, необходимые для настройки LPS33HW, а также для сбора и анализа его данных. В разработке также находится оценочная плата STEVAL-MKI183V1. Она будет содержать LPS33HW и занимать в процессе разработки приложений место, аналогичное плате STEVAL-MKI109V3. Это станет доступным способом для начала тестирования барометра и работы непосредственно над приложением, что ускорит выпуск готового изделия. Такое решение особенно важно для небольших групп разработчиков, которые должны пройти этап прототипирования быстро и эффективно. Следовательно, основное преимущество датчика давления LPS33HW от ST – в том, что он одинаково подходит как для массовых брендовых продуктов, аналогичных Gear Fit2 Pro, так и для небольших стартапов

Спецификацию и другие материалы по LPS33HW можно найти на сайте STMicroelectronics.

Gear Fit2 Pro имеет сертификат ISO 22810: 2010 для наручных часов и способен выдерживать давление до 5 атмосфер, что эквивалентно погружению на глубину до 50 метров (165 футов). Это означает, что устройство безопасно носить, оно не боится дождя или душа, его можно использовать при плавании в бассейне или в природных водоемах. Однако Gear Fit2 Pro не следует использовать для подводного плавания, водного спорта или других видов деятельности, связанных с внезапными резкими изменениями температуры или погружением ниже определенной глубины. Для сохранения работоспособности в течение длительного периода устройство рекомендуется промывать в пресной воде и высушивать после пребывания в морской воде.

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

Наличие на складах
Наименование
LPS33HWTR (ST)
LPS33HW (ST)
STEVAL-MKI183V1 (ST)