Utiliser des capteurs de pression avancés pour augmenter la précision et la résolution des conceptions IoT compactes

Par Majeed Ahmad

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Les capteurs de pression sont couramment utilisés dans les applications IoT comme les drones et l'automatisation industrielle. Cependant, l'amélioration de la précision, de la résolution, de l'immunité au bruit et de la stabilité de la température des dispositifs constitue un défi constant pour les concepteurs, en respectant des coûts et des délais de commercialisation toujours plus réduits.

À cet effet, les fournisseurs de capteurs offrent de nouvelles fonctionnalités innovantes, de nouveaux formats, de l'électronique intégrée et des options d'interfaces flexibles pour pouvoir considérablement simplifier la conception et l'intégration.

Cet article aborde l'anatomie des capteurs de pression intégrés modernes et la manière dont ils font face aux problèmes comme la compensation de température et la précision de sortie. Il explique les principaux aspects de conception à prendre en compte et présente des solutions adaptées et des méthodes permettant aux développeurs d'être rapidement opérationnels.

L'évolution des capteurs de pression

Si les capteurs de pression étaient au début des dispositifs électromécaniques, ils ont été remplacés par des dispositifs à semi-conducteurs à coût inférieur utilisant des MEMS et permettant de mesurer des variations de pression minimes de l'ordre de ±1 Pa. Avec des interfaces intégrées, ils peuvent envoyer des données à un microcontrôleur via une liaison SPI ou I2C, tout en ayant une consommation réduite.

Dans un capteur de pression MEMS, la force est appliquée à une membrane flexible qui dévie sur un élément de détection pour induire un déséquilibre qui est transformé en sortie. Les capteurs MEMS mesurent les plages de pressions absolues et différentielles, et sont disponibles en versions à valeur compensée et non compensée.

Capteurs de pression pour conceptions IoT

Les nouveaux capteurs de pression sont beaucoup plus précis, légers et économiques, et offrent des plages de mesure plus étendues. Ces innovations sont essentielles aux nouvelles applications IoT et dans l'univers des dispositifs corporels.

Les bracelets de suivi d'activité nouvelle génération nécessitant une meilleure précision des mesures des dépenses caloriques constituent un exemple d'application pour les capteurs de pression MEMS. Les coureurs et les cyclistes sont très exigeants quant à l'amélioration de la précision du suivi de leurs performances. La détection de pression étant un élément incontournable dans les conceptions IoT et les dispositifs corporels, elle doit inévitablement avoir une empreinte réduite.

Les nouveaux capteurs MEMS, avec leur taille et leur consommation réduites, permettent un gain d'espace carte considérable tout en améliorant les performances et la fiabilité des conceptions IoT. Ces capteurs de pression en boîtiers ultracompacts et fins sont également adaptés aux conceptions portables alimentées par batterie, comme les smartphones et les tablettes, ainsi que les dispositifs corporels de sports.

Dans certains de ces dispositifs portables alimentés par batterie, les capteurs de pression renforcent ou remplacent le GPS dans les applications comme l'identification d'activité, la détection précise du niveau du sol et la localisation extérieure. Ces capteurs de pression MEMS permettent également des calculs de navigation à l'estime plus précis, ce qui permet de créer de nouvelles applications dans les domaines de la santé et de la surveillance météorologique.

Le LPS22HB de STMicroelectronics constitue un excellent exemple de ces nouveaux capteurs MEMS (Figure 1). Il s'agit d'un nanocapteur de pression MEMS doté d'une plage de pression absolue de 260 à 1260 hPa et d'une sortie numérique. Les fonctionnalités clés incluent des dimensions ultracompactes de 2,0 mm x 2,0 mm x 0,76 mm dans un boîtier LGA et une basse consommation de seulement 3 µA depuis une alimentation de 1,7 V à 3,6 V.

Image du baromètre MEMS LPS22HB de STMicroelectronics

Figure 1 : Le baromètre MEMS LPS22HB de STMicroelectronics mesure 2 mm x 2 mm x 0,76 mm et consomme 3 µA depuis une alimentation de 1,7 V à 3,6 V. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le boîtier LGA est perforé afin de permettre à la pression externe d'atteindre l'élément de détection. Le capteur est piézorésistif et comprend un élément de détection et une interface de circuit intégré reliant l'élément de détection à l'application via I2C ou SPI.

Le LPS22HB inclut une compensation de température et de pression, ainsi qu'une fonctionnalité FIFO intégrée permettant le traitement efficace des données de pression et de température dans la logique numérique (Figure 2).

Schéma de la fonctionnalité FIFO du LPS22HB de STMicroelectronics

Figure 2 : La fonctionnalité FIFO du LPS22HB se trouve dans la portion dédiée à la logique numérique, tout comme la compensation de température et de pression. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le tampon FIFO comprend 32 emplacements de données 40 bits pour stocker les valeurs de sortie de pression et de température. Cela permet de faire des économies d'énergie, étant donné que l'hôte n'a pas à interroger le capteur en continu. Il lui suffit de s'activer après une interruption et d'envoyer les données requises à partir de la fonction FIFO.

La fonction FIFO présente sept modes de fonctionnement différents : dérivation, FIFO, flux, flux dynamique, flux-FIFO, dérivation-flux et dérivation-FIFO. Ils fournissent des niveaux d'opérabilité différents. Par exemple, en mode dérivation, la fonction FIFO reste non opérationnelle et vide, tandis que le mode flux dynamique permet de garantir que le nombre de nouvelles données FIFO disponibles est indépendant des mesures précédentes.

Dans le cas du LPS22HB, l'alimentation est fournie à la broche 10 (VDD). Il est conseillé de placer un condensateur de découplage de 100 nF aussi près que possible des plots d'alimentation (Figure 3).

Schéma de configuration du circuit imprimé LPS22HB de STMicroelectronics

Figure 3 : Lors de la configuration du LPS22HB sur une carte à circuit imprimé, reliez la broche 10 à VDD pour l'alimentation et placez un condensateur de découplage de 100 nF aussi près que possible des plots d'alimentation. (Source de l'image : STMicroelectronics)

En outre, si vous utilisez l'interface I2C, CS (broche 6) doit être reliée à VDD_IO (broche 1).

Filtrage du bruit et des variations brusques

Pour utiliser des capteurs de pression dans des conceptions sophistiquées comme des montres connectées et des bracelets de suivi d'activité, il est essentiel de maintenir un niveau de bruit ultrafaible. Cet aspect est très important, car des événements soudains peuvent provoquer une augmentation rapide et brusque de la pression barométrique.

Pour régler le problème du bruit, le capteur de pression atmosphérique BMP388 de Bosch Sensortec inclut un filtre à réponse impulsionnelle infinie (RII) (Figure 4). Cela permet au capteur de pression de filtrer les variations brusques de pression causées par des événements environnementaux.

Graphique du capteur BMP388 de Bosch Sensortec

Figure 4 : Le filtre RII du capteur BMP388 de Bosch Sensortec facilite une réponse à faible bruit en cas d'événements comme une fermeture de porte ou un coup de feu. (Source de l'image : Bosch Sensortec)

Le BMP388 est conçu pour le suivi de l'altitude dans les smartphones, les montres connectées et les drones grand public. Le capteur de pression atmosphérique absolue 24 bits à faible bruit offre une vaste plage de mesures s'étendant de 300 hPa à 1250 hPa et une précision relative de ±0,66 m (Figure 5).

Schéma du capteur de pression atmosphérique MEMS numérique BMP388 de Bosch Sensortec

Figure 5 : Le capteur de pression atmosphérique MEMS numérique BMP388 de Bosch Sensortec, mesurant 2 mm x 2 mm x 0,8 mm, est conçu pour fournir des informations sur l'altitude à des instruments de navigation avec une précision de ±0,66 m.

Si le capteur de pression atmosphérique ne peut pas fournir une stabilisation de l'altitude dans des conditions dynamiques comme les fluctuations brusques de la température, les données barométriques peuvent être combinées aux données de l'accéléromètre avec un filtre supplémentaire. Dans les cas nécessitant des techniques de fusion de capteurs pour des performances optimales, Bosch Sensortec propose l'unité de mesure inertielle BMI088 pour une direction précise, et le capteur géomagnétique BMM150 pour des données de cap.

Mesure de la pression à des températures extrêmes

La précision et la résolution vont de pair avec la conception d'un capteur de pression. Cependant, les capteurs de pression doivent être capables de réagir avec précision à des altitudes s'étendant des profondeurs des mines aux sommets des montagnes, avec les variations de température extrêmes que cela implique. Bien entendu, tout cela doit également être possible en milieu humide.

Dans les applications comme les drones, les informations sur l'altitude sont essentielles pour la stabilité et la précision de l'atterrissage, mais les capteurs de pression doivent fournir ces informations avec un niveau élevé de précision et de résolution, malgré l'environnement changeant. La compensation de température à l'aide d'algorithmes propriétaires permet aux dispositifs MEMS d'atteindre une précision de ±1 Pa, soit des variations d'altitude de moins de 5 cm.

La stabilité de la température est particulièrement importante dans les applications de détection de mouvement continues, comme les dispositifs corporels, où les températures varient rapidement à mesure que les utilisateurs se déplacent d'un environnement à l'autre. Le MPL3115A2 de NXP Semiconductors est un excellent exemple pour illustrer ce processus (Figure 6).

Schéma du capteur de pression absolue piézorésistif compact MPL3115A2 de NXP

Figure 6 : Aperçu de la complémentarité des opérations de détection de pression et de température dans le capteur de pression absolue piézorésistif compact MPL3115A2 de NXP. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Le MPL3115A2 présente une vaste plage de fonctionnement de 20 kPa à 110 kPa, une plage que NXP a conçue pour couvrir toutes les élévations de surface sur terre. Ce capteur inclut une compensation de température grâce à un capteur de température intégré. La pression et la température sont alors multiplexées, amplifiées, filtrées et transmises à un convertisseur analogique-numérique (CAN). L'altitude est ensuite calculée à l'aide de la formule de l'Équation 1 :

Équation 1

Où :

h = altitude, en mètres et en fractions de mètre

p0 = pression au niveau de la mer (101 326 Pa)

OFF_H = entrée utilisateur de la pression équivalente au niveau de la mer pour compenser les conditions météorologiques locales,

et US Standard Atmosphere 1976 (NASA)

p = pression, en Pa et fractions de Pa.

Les principales spécifications du MPL3115A2 incluent un traitement intégré pour éviter la surcharge du processeur hôte ainsi qu'un courant d'alimentation actif typique de 40 µA par seconde de mesure, pour une résolution de sortie stable. Il fonctionne avec une alimentation de 1,95 V à 3,6 V (à régulation interne) et présente une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C.

La diversité des scénarios et des conditions d'application est largement couverte par les fournisseurs de capteurs. La série TBF de Honeywell en est un exemple concret. Il s'agit de capteurs de force basiques incluant un capteur de pression à diaphragme affleurant conçu pour les applications dans lesquelles la compatibilité du support et un faible volume maintenu sont importants. Ils sont destinés aux applications comme les pompes à perfusion, les dispositifs corporels, les systèmes d'administration de médicaments et la robotique, et ils sont compensés en température et étalonnés en interne.

Il est à noter qu'ils n'effectuent aucune amplification interne de leur signal et que la résolution est donc infinie. Les concepteurs peuvent exploiter ce signal non amplifié pour obtenir la résolution maximum requise selon l'application depuis la plage de 100 kPa à 1 MPa.

Autres considérations de conception

Même si les capteurs de pression sont conçus pour répondre aux nouvelles exigences techniques de l'IoT, ils doivent cependant faire face à des problèmes traditionnels comme la robustesse et la résistance aux produits chimiques (chlore, brome ou encore eau salée). Le niveau de sensibilité à l'humidité est un autre défi considérable qui va bien au-delà de la protection des composants électroniques du capteur de pression. En outre, les capteurs de pression doivent également être faciles à installer et ne nécessiter aucune maintenance.

Il s'agit des critères de conception des capteurs de pression à montage en surface série NovaSensor NPA d'Amphenol, fournis en boîtier SOIC à 14 broches (Figure 7).

Image de la série NPA à montage en surface d'Amphenol

Figure 7 : La série NPA à montage en surface d'Amphenol offre des options de sortie flexibles. (Source de l'image : Amphenol)

La série NPA est disponible avec des plages de pressions différentielles, absolues et manométriques, et avec des sorties en millivolts, analogiques amplifiées ou numériques. La plage de mesures de pression est définie entre 10 pouces d'eau (H2O) (1 pouce H2O = 249,0889 Pa) et 30 psi (1 psi = 6894,7529 Pa).

Conclusion

Les capteurs de pression constituent un élément important pour de nombreuses applications IoT. Face à la baisse des coûts des dispositifs IoT, à la miniaturisation des formats et à l'accroissement des contraintes liées aux délais de commercialisation, les fabricants de capteurs proposent des fonctionnalités de détection et de compensation améliorées et plus adaptables, ainsi que des interfaces simplifiées.

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À propos de l'auteur

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad est ingénieur électronicien et affiche plus de 20 ans d'expérience en médias technologiques B2B. Il est l'ancien rédacteur en chef d'EE Times Asia, une publication d'EE Times.

Majeed a écrit six livres sur l'électronique. Il contribue aussi fréquemment à des publications de conception électronique, notamment All About Circuits, Electronic Products et Embedded Computing Design.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key