Utilice sensores de presión avanzados para aumentar la precisión y la resolución en diseños compactos de IoT

Por Majeed Ahmad

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los sensores de presión se aplican ampliamente en aplicaciones de IoT, como drones y automatización industrial. Sin embargo, los diseñadores tienen el reto constante de mejorar la exactitud, la precisión, la resolución, la inmunidad al ruido y la estabilidad de la temperatura de sus dispositivos, a un costo menor y con un tiempo de comercialización más corto.

Para enfrentar estos desafíos, los proveedores de sensores han introducido nuevas capacidades innovadoras, factores de forma, electrónica integrada y opciones de interfaz flexibles que contribuyen significativamente a la simplicidad de diseño e integración.

Este artículo discutirá la anatomía de los sensores de presión integrados modernos y cómo tratan los problemas como la compensación de temperatura y la precisión de salida. Discutirá las consideraciones clave de diseño al presentar soluciones adecuadas y cómo los desarrolladores pueden comenzar a utilizarlas rápidamente.

La evolución de los sensores de presión

Los sensores de presión comenzaron como dispositivos electromecánicos, pero han dado paso a dispositivos semiconductores de bajo costo que utilizan MEMS que pueden medir diferencias de presión extremadamente pequeñas de ±1 pascal (Pa). Con las interfaces integradas, pueden enviar datos a un microcontrolador a través de un enlace I2C o SPI mientras consumen mucha menos energía.

En un sensor de presión MEMS, la fuerza se aplica a una membrana flexible que se desvía sobre un elemento de detección para inducir un desequilibrio que se transforma en una salida. Los sensores basados en MEMS miden los rangos de presión absoluta y diferencial, y vienen en versiones compensadas y no compensadas.

Sensores de presión para diseños IoT

Los cambios recientes han hecho que los sensores de presión sean mucho más precisos, ligeros y de menor costo, además de permitir mayores rangos de medición. Estas innovaciones son requeridas por nuevas aplicaciones en IoT y en los dominios de diseño portátil.

Por ejemplo, las aplicaciones para sensores de presión basados en MEMS incluyen bandas deportivas de última generación que buscan una mayor precisión en las mediciones de gasto de calorías. Los corredores y ciclistas son muy particulares en cuanto a mejorar la precisión de monitoreo de su desempeño. El hecho de que la detección de presión se esté convirtiendo en un elemento básico en los diseños portátiles de IoT significa que, inevitablemente, debe tener un espacio menor.

Los nuevos sensores MEMS más pequeños y de menor potencia pueden ahorrar un espacio significativo en la placa mientras mejoran el rendimiento y la confiabilidad de los diseños de IoT. Estos sensores de presión en paquetes ultracompactos y delgados también se adaptan a los diseños portátiles que funcionan con baterías, como los teléfonos inteligentes y tabletas, así como los dispositivos deportivos portátiles.

En algunos de estos dispositivos móviles que funcionan con baterías, los sensores de presión están aumentando o reemplazando el GPS en aplicaciones como la identificación de actividades, la detección precisa del nivel del piso y la localización en exteriores. Estos sensores de presión basados en MEMS también permiten cálculos de navegación por estima más precisos, creando nuevas aplicaciones en las áreas de salud y monitoreo del clima.

Un buen ejemplo de estos sensores MEMS más nuevos incluye el LPS22HB de STMicroelectronics (Figura 1). Es un sensor MEMS de nanopresión con un rango de presión absoluta de 260 a 1260 hectopascales (hPa) y una salida digital. Las características principales incluyen dimensiones ultra pequeñas de 2.0 x 2.0 x 0.76 milímetros (mm) en un paquete LGA y bajo consumo de energía, extrayendo solo 3 microamperios (µA) de un suministro de 1.7 voltios a 3.6 voltios.

Imagen del barómetro LPS22HB MEMS de STMicroelectronics

Figura 1: El barómetro LPS22HB MEMS de STMicroelectronics mide 2 x 2 x 0.76 mm y extrae 3 µA de un suministro de 1.7 voltios a 3.6 voltios. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El paquete LGA tiene orificios para permitir que la presión externa alcance el elemento de detección. El sensor es piezorresistivo y comprende el elemento de detección y una interfaz IC que conecta el elemento de detección a la aplicación a través de I2C o una interfaz periférica serial (SPI).

El LPS22HB cuenta con compensación de temperatura y presión, y contiene un sistema primero en entrar, primero en salir (FIFO) incorporado para manejar de manera eficiente los datos de presión y temperatura en la lógica digital (Figura 2).

Diagrama de la característica FIFO de STMicroelectronics LPS22HB

Figura 2: La característica FIFO del LPS22HB está contenida dentro de la parte lógica digital, junto con la compensación de temperatura y presión. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El búfer FIFO comprende 32 ranuras de datos de 40 bits para almacenar los valores de salida de presión y temperatura. Esto permite un ahorro de energía constante, ya que el host no tiene que seguir sondeando el sensor. En su lugar, el host solo tiene que despertarse de una interrupción y extraer los datos requeridos desde el FIFO.

El FIFO tiene siete modos de operación diferentes: modo Bypass, modo FIFO, modo Stream, modo Dynamic-Stream, modo Stream-to-FIFO, modo Bypass-to-Stream y modo Bypass-to-FIFO. Estos proporcionan varios niveles de operabilidad. Por ejemplo, en el modo Bypass permanece inactivo y vacío, mientras que el modo Dynamic Stream garantiza que la cantidad de datos nuevos disponibles en el FIFO no dependa de la lectura anterior.

Cuando se utiliza el LPS22HB, se suministra alimentación al pin 10 (VDD). Se recomienda colocar un capacitador de desacople de 100 nanofaradios (nF) lo más cerca posible de las almohadillas de suministro (Figura 3).

Diagrama de diseño de la placa de CI LPS22HB de STMicroelectronics

Figura 3: Cuando coloque el LPS22HB en la placa de CI, conecte el pin 10 a VDD para la fuente de alimentación y coloque un capacitor de desacople de 100 nF lo más cerca posible de las almohadillas de suministro. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Además, cuando se utiliza la interfaz I2C, CS (pin 6) debe estar vinculado a VDD_IO (pin 1).

Filtrado de ruidos y cambios repentinos

Para utilizar sensores de presión en diseños sofisticados, como relojes inteligentes y bandas deportivas, es esencial mantener un ruido ultra bajo. Esto es así dada la probabilidad de eventos abruptos que causen un aumento rápido y repentino de la presión barométrica.

Para hacer frente al ruido, el sensor de presión barométrica BMP388 de Bosch Sensortec incluye un filtro de respuesta de impulso infinito (IIR) (Figura 4). Esto permite que el sensor de presión filtre los cambios repentinos en la presión causados por eventos ambientales.

Gráfico del sensor BMP388 de Bosch Sensortec

Figura 4: El filtro IIR en el sensor BMP388 de Sensortec de Bosch facilita la respuesta con poco ruido a eventos como el cierre de una puerta o un disparo. (Fuente de la imagen: Bosch Sensortec)

El BMP388 está diseñado para el seguimiento de altitud en teléfonos inteligentes, relojes inteligentes y drones de consumo. El sensor de presión barométrica absoluta de 24 bits de bajo ruido ofrece un amplio rango de medición de 300 hPa a 1.250 hPa, y una precisión relativa de ± 0.66 m (Figura 5).

Diagrama del sensor de presión barométrica MEMS digital BMP388 de Bosch-Sensortec

Figura 5: El sensor de presión barométrica MEMS digital BMP388 de Bosch-Sensortec, que mide 2 x 2 x 0.8 mm, está diseñado para proporcionar información de altitud a los instrumentos de navegación con una precisión de ± 0.66 m.

Si el sensor barométrico no puede proporcionar estabilización de altitud en condiciones dinámicas como fluctuaciones repentinas de temperatura, los datos barométricos se pueden combinar con los datos del acelerómetro junto con un filtro complementario. Para los casos en los que se requieren técnicas de fusión de sensores para un rendimiento óptimo, Bosch Sensortec ofrece la unidad de medición inercial (IMU) BMI088 para una dirección precisa y el sensor geomagnético BMM150 para el suministro de datos de rumbo.

Medición de presión bajo temperaturas extremas

La precisión y la resolución van de la mano con el diseño del sensor de presión. Sin embargo, los sensores de presión tienen que ser capaces de responder con precisión en altitudes que van desde las profundidades de las minas hasta las cimas de las montañas, con las variaciones correspondientes en las temperaturas extremas. Esto, al mismo tiempo que mantiene la compatibilidad con los medios húmedos.

En aplicaciones como drones, la información de altitud es crucial para la estabilidad y la precisión de aterrizaje, pero los sensores de presión deben proporcionar esta información de altitud con un alto grado de precisión y resolución, a pesar del entorno cambiante. La compensación de temperatura con algoritmos patentados ayuda a los dispositivos MEMS a alcanzar una precisión de ±1 Pa, lo que se traduce en cambios de altitud de menos de 5 cm.

La estabilidad de la temperatura es crucial especialmente en las aplicaciones de detección de movimiento siempre activas, como dispositivos portátiles donde las temperaturas cambian rápidamente a medida que los usuarios pasan de un entorno a otro. El semiconductor MPL3115A2 de NXP es un buen ejemplo de cómo se logra (Figura 6).

Diagrama del sensor de presión absoluta piezorresistivo compacto MPL3115A2 de NXP

Figura 6: Una vista de cómo las operaciones de detección de presión y temperatura se complementan entre sí en el sensor de presión absoluta piezorresistivo compacto MPL3115A2 de NXP. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

El MPL3115A2 tiene un amplio rango operativo de 20 kPa a 110 kPa, un rango que NXP ha diseñado para cubrir todas las elevaciones de la superficie en la tierra. Se compensa con la temperatura utilizando un sensor de temperatura en el chip, y tanto la presión como la temperatura se multiplexan, amplifican, filtran y alimentan a un convertidor de analógico a digital (ADC). La altitud se calcula utilizando la fórmula de la ecuación 1:

Ecuación 1

Dónde:

h = altitud, dada en metros y fracciones de un metro

p0 = presión del nivel del mar (101,326 Pa)

OFF_H = entrada del usuario de la presión equivalente al nivel del mar para compensar las condiciones climáticas

locales y la US Standard Atmosphere 1976 (Atmósfera Estándar de EE. UU., NASA).

p = presión, en Pa y fracciones de un Pa.

Las especificaciones principales para el MPL3115A2 incluyen el procesamiento en chip para evitar afectar al procesador central y una corriente de suministro activa típica de 40 µA por segundo de medición para una resolución de salida estable. Funciona con un suministro de 1.95 voltios a 3.6 voltios (regulado internamente) y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a + 85 °C.

La diversidad de escenarios y condiciones de la aplicación está bien cubierta por los proveedores de sensores. La serie TBF de Honeywell es un ejemplo de ello. Se trata de un sensor de fuerza básico que comprende un sensor de presión de diafragma de flujo que está diseñado para aplicaciones donde la compatibilidad con medios y volumen de captura bajo son importantes. Están diseñados para aplicaciones como bombas de infusión, portátiles, sistemas de administración de medicamentos y robótica, y tienen temperatura compensada y calibrada internamente.

Cabe destacar que no hacen amplificación interna de su señal, por lo que la resolución es infinita. En su lugar, los diseñadores pueden aprovechar esta señal no amplificada para obtener la resolución máxima requerida por la aplicación desde su rango de 100 kPa a 1 MPa.

Otras consideraciones de diseño

Si bien los sensores de presión están siendo diseñados para satisfacer los nuevos requisitos de ingeniería de IoT, aún deben abordar problemas tradicionales como la fortaleza y resistencia a productos químicos como el cloro, el bromo y el agua salada. El nivel de sensibilidad a la humedad es otro desafío crítico que va más allá de la protección de la electrónica del sensor de presión. Además, los sensores de presión también deben ser fáciles de instalar y no necesitar mantenimiento.

Estos son los criterios en torno al diseño de los sensores de presión de montaje superficial NovaSensor NPA de Amphenol que vienen en un paquete SOIC de 14 pines (Figura 7).

Imagen de la serie NPA de montaje en superficie de Amphenol

Figura 7: La serie NPA de montaje en superficie de Amphenol proporciona opciones de salida flexibles. (Fuente de la imagen: Amphenol)

La serie NPA está disponible en rangos de presión manométrica, absoluta y diferencial, con milivoltios, salidas analógicas amplificadas o digitales. Su rango de medición de presión se da como 10 pulgadas de agua (H20) (1 pulgada H20 = 249.0889 Pa) a 30 psi (1 psi = 6894.7529 Pa).

Conclusión

Los sensores de presión son un bloque de construcción importante para muchas aplicaciones de IoT. A medida que el costo de los dispositivos de IoT disminuye, los factores de forma se reducen y el tiempo para las presiones del mercado aumenta, los fabricantes de sensores han respondido con capacidades de detección y compensación mejoradas y más adaptables, así como interfaces simplificadas.

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Información sobre el autor

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad es un ingeniero electrónico con más de 20 años de experiencia en medios tecnológicos B2B. Fue el jefe de editores de EE Times Asia, una publicación complementaria de EE Times.

Majeed escribió seis libros sobre electrónica. También contribuye a las publicaciones sobre diseño electrónico, entre ellos circuitos, productos electrónicos y diseño informático integrado.

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