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정확도가 높은 압력 센서를 사용하여 피트니스 추적기 정확성 향상

작성자: Richard A. Quinnell

Digi-Key 북미 편집자 제공

건강 및 피트니스 추적 기능이 있는 웨어러블 장치의 인기가 높아지고 있습니다. 일반적으로 가속도계는 그런 응용 분야에서 주요 동작 센서 역할을 하지만, 오르막길을 오를 때 소모하는 칼로리와 같은 파라미터를 정확히 결정하는 데 중요한 수직 동작을 정확히 예측하는 기능이 제한됩니다. 정밀 대기압 센서를 추가하면 이 수직 이동 측정 정확성이 크게 향상되며, 다른 센서의 정보가 유효한지 검사하는 데 도움이 됩니다.

지금은 13cm의 고도 변화를 감지할 수 있을 정도로 민감하며, 콤팩트하고 견고한 저전력 폼 팩터로 제공되어 웨어러블 설계에 적합한 대기압 센서를 이용할 수 있습니다.

이 기사에서는 피트니스 추적기에서 해당 장치의 역할을 설명하고, 이 응용 분야에서 사용할 수 있는 TE Connectivity Measurement Specialties의 공기압 센서를 예를 들어 소개하고, 적용 방법을 보여줍니다.

피트니스 추적기에서 고도계의 역할

피트니스 추적 제품의 핵심 요소에는 가속도계와 같은 장치를 사용하여 관성 운동을 감지하는 기능이 있습니다. 이러한 기능을 사용하여 걸음 수, 이동 거리, 소비된 칼로리와 같은 파라미터를 계산할 수 있습니다(그림 1). 하지만 그런 센서로는 수직 운동을 측정하는 데 어려움이 있습니다. 계단 오르기와 같은 활동은 가속 프로파일에서 안정적이고 쉽게 감지되는 일반 걷기와 확연히 차이나지만, 가속도만으로는 언덕을 오르는 동작을 평지에서 걷는 동작과 구별하기 어렵습니다. 하지만 필요한 노력과 소모하는 칼로리는 크게 차이날 수 있습니다.

피트니스 추적 정확성에 대한 소비자 연구에 따르면 이전 세대 장치에서 예측치가 30% 이상 차이나는 경우도 있다고 합니다. 피트니스 파라미터를 정확히 파악하려면 피트니스 추적기에 수직 운동을 정확히 측정할 수 있는 간단하고 안정적인 수단이 필요합니다.

피트니스 추적 기능이 있는 웨어러블 장치 이미지그림 1: 피트니스 추적 기능이 있는 웨어러블 장치를 향한 소비자의 인기가 높아지고 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics, TE Connectivity 출처 자료 사용)

대기압 센서 또는 기압계가 솔루션을 제공할 수 있습니다. 고도에 따라 대기 변수가 변경되는 속도를 나타내는 “체감률”이라는 관계에 따라 모든 다른 요소가 동일할 때 기압은 고도에 따라 달라집니다. 따라서 대기압(또는 기압계) 센서는 높이에 대한 기압계 수식을 적용하여 기압 고도계 역할을 할 수 있습니다.

방정식 1 방정식 11

설명:

P = 현재 압력

P0 = 해수면 기준 압력(h=0)

높이(h) 단위 = m

이 수식에는 대기 조성, 주위 온도 15°C 등 다양한 가정이 포함되어 있으므로 절대 높이를 정확히 계산하려면 추가 정보가 필요합니다. 이 방정식은 다른 압력 조건에서도 적용되며 온도 조건과의 관련성은 매우 작습니다. 따라서 방정식 1에서는 연속하는 두 압력 측정 결과를 간단히 비교하여 정확한 높이 변화를 구할 수 있습니다.

해수면 기준 표준 기압은 약 1013mbar이므로, 1mbar의 압력 차이는 약 8m의 수직 변화에 해당합니다. 즉, 방정식 1을 사용하여 사람의 규모로 수직 동작을 감지하려면 압력을 매우 정밀하게 측정해야 합니다. 다행히 현재 충분한 정확도의 콤팩트 압력 센서를 사용할 수 있습니다.

그런 대기압 센서로는 TE Connectivity Measurement Specialties의 MS5840-02BA 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 압력 센서가 있습니다(그림 2). 이 장치는 기압과 주위 온도를 모두 24비트로 측정하여 고도계 응용 분야에서 13cm의 효과적인 고분해능을 실현합니다. 이는 단일 계단 추적에서 고도 변화를 감지하는 데 충분한 수치입니다.

TE Connectivity의 MS5840-02BA 공기압 센서 이미지그림 2: 콤팩트 MS5840-02BA 공기압 센서 모듈은 3.3mm x 3.3mm 실장 면적과 1.7mm 높이에서 우수한 성능과 정밀도를 제공합니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

MS5840은 아날로그 센서 신호를 디지털화하고 I2C 버스를 통해 호스트 장치 인터페이스를 제공하는 맞춤형 ASIC와 MEMS 압력 센서를 결합하므로 피트니스 추적기 설계에 추가할 때 추가적인 부품이 필요하지 않습니다. 이 모듈은 실장 면적 3.3mm x 3.3mm, 높이 1.7mm의 콤팩트 표면 실장 모듈이므로 웨어러블 장치에 사용하기에 충분한 크기입니다. 접지되고 내구성이 우수한 뚜껑으로 ESD 보호 기능을 강화하여 인간을 통해 발생하는 정전기를 방지할 수 있습니다.

이 모듈은 설계자가 장치 및 온도 변화를 고려하여 미가공 센서 판독값에 대한 1차 및 2차 보정을 수행하도록 허용하여 높은 정확성을 지원합니다. 각 장치는 1차 계산에 사용할 보정 파라미터를 구하기 위해 공장에서 두 가지 온도와 두 가지 압력으로 보정되어 출시됩니다.

  • 기준 온도 - TREF
  • 기준 온도에서 압력 감도 - SENST1
  • 압력 감도 온도 계수 - TCS
  • 기준 온도에서 압력 오프셋 - OFFT1
  • 압력 오프셋 온도 계수 - TCO
  • 온도의 온도 계수 - TEMPSENS

1차 보정을 위해 설계자는 장치의 보정 파라미터를 검색하고 센서의 보정되지 않은 24비트 디지털 압력(D1) 및 온도(D2) 값을 읽어야 합니다. 그런 다음 실제 온도와 기준 온도의 차이(dT = D2 - TREF)를 계산하고 디지털 온도 판독값(TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS)를 조정하여 0.01°C 정확도의 섭씨 온도(˚C)를 구합니다(2000 = 20.00°C).

보정된 온도를 사용하여 설계자는 먼저 현재 온도에서 압력 오프셋(OFF = OFFT1 + TCO x dT)과 압력 감도(SENS = SENST1 + TCS x dT)를 계산하여 압력 판독값을 수정해야 합니다. 그런 다음 P = ((D1 x SENS/221) - OFF)/215를 사용하여 0.01mbar 정확도(110002 = 1100.02mbar)로 온도 보정 압력(mbar)을 계산합니다.

1차 수정된 판독값은 따뜻한 공기에 유효한 값입니다. 하지만 저온에서는 센서에서 2차 보정이 필요합니다(그림 3 참조). 1차 보정 결과를 사용하여 저온(중간 상자, 10˚C 초과) 또는 초저온(가장 왼쪽 상자, 10˚C 이하) 상태의 온도와 압력을 각각 다시 계산합니다.

1차 및 2차 온도 판독 구성도(확대하려면 클릭)그림 3: 따뜻한 공기에서는 1차 계산으로 충분하지만, 온도가 20˚C 및 10˚C 이하로 떨어질 경우 센서 판독값을 2차 보정해야 합니다. (이미지 출처: R. Quinnell, TE Connectivity 출처 자료 사용)

그림 4에 표시된 대로 1차 및 2차 보정 결과는 폭넓은 온도 범위에서 압력 판독과 온도 판독 모두에서 높은 정확도를 제공합니다.

TE Connectivity의 MS5840 압력 센서 정확도 그래프(확대하려면 클릭)그림 4: 설계자는 1차 보정과 2차 보정을 모두 수행하여 MS5840 압력 센서로 폭넓은 온도 범위에서 높은 정확성을 얻을 수 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

작은 크기와 높은 정확성 외에도 MS5840은 웨어러블 응용 분야에 특히 적합한 다양한 특징을 제공합니다. 이 모듈은 1.5V ~ 3.6V의 공급 전압으로 작동할 수 있으므로 1.8V 논리 설계와 3.3V 논리 설계 모두에 호환됩니다. 또한, 0.1µA 미만의 대기 전류를 소모하는 저전력 모듈입니다.

작동 전류는 센서 판독값의 주파수와 분해능에 따라 달라집니다. 내장된 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 OSR(오버샘플링 비율)을 선택 가능한 시그마-델타 변환 방식을 사용합니다. 따라서 개발자가 변환 속도와 소비 전력 사이의 트레이드 오프를 최적화할 수 있습니다. 변환 중에 소모하는 피크 전류는 일반적으로 1.25mA이지만 OSR을 최대값(8192)으로 설정하면 1초당 하나의 샘플을 측정할 때 20µA의 평균 전력에 대해 17ms 동안만 변환이 지속됩니다. 최소 OSR 설정(256)에서는 평균 0.63µA 소비 전력에 대해 0.54ms 동안만 지속됩니다.

센서 분해능도 OSR 설정의 영향을 받습니다. 이 점을 트레이드 오프 결정에 고려해야 합니다. 전체 OSR에서 모듈의 분해능은 0.016mbar이며 이는 단 13cm 이하의 높이 차이에 해당합니다. 최소 OSR(25)에서 분해능은 0.11mbar이며 이는 약 90cm에 해당합니다.

압력 센서 설계 고려 사항

압력 센서를 기압 고도계로 사용하려는 개발자가 유의해야 하는 몇 가지 시스템 설계 고려 사항이 있습니다. MEMS 압력 센서는 기준 압력(또는 진공)의 가스를 포함하는 챔버의 뚜껑으로 실장되는 얇은 실리콘 판입니다. 판의 위쪽 표면은 센서 패키지의 개구부 또는 포트를 통해 기압에 노출됩니다. 챔버 압력과 기압의 차이로 인해 판이 수축되어 비례하는 전기 신호를 생성하는 기계적 변형을 발생합니다. MS5840에 내장된 ASIC가 해당 신호를 감지하여 디지털화합니다.

따라서 센서를 주위의 기압에 노출해야 합니다. 즉, 웨어러블 장치 설계에서 센서의 포트에서 외부 공기까기 정확한 경로를 제공해야 합니다. 하지만 그런 경로로 인해 장치에 공기, 수분, 먼지 등이 유입될 수 있습니다. 따라서 개발자는 공기 경로 차단 방지를 위한 웨어러블 장치 내 센서 배치와 수분 유입 최소화를 위한 장치 하우징 설계에 유의해야 합니다.

MS5840은 이러한 문제를 방지하도록 설계되었습니다. 이 모듈에서는 계층형 구조를 사용하여 센서를 보호합니다(그림 5). 가장 아래 계층은 조립품에 기계적 안정성을 제공하는 SMT 납땜 패드가 있는 알루미나 기판입니다. 이 기판은 신호 조건, 디지털 변환, I2C 인터페이스를 제공하는 ASIC에서 MEMS 센서 스택을 전달합니다. 전자 조립품과 장치의 대기 포트 역할을 하는 스테인리스강 캡 사이의 공간에 불투명 겔이 채워집니다.

불투명 겔 계층을 포함하는 TE Connectivity의 MS5840 압력 센서 모듈 이미지그림 5: MS5840 압력 센서 모듈에는 빛, 먼지, 수분으로부터 전자 장치를 보호하기 위한 불투명 겔 계층(포트(상단)와 센서 조립품(하단) 사이에 표시된 검은색 소재)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics, TE 출처 자료 사용)

겔의 용도는 다양합니다. 겔의 기본 기능은 기압의 힘을 센서 표면에 전달하는 것입니다. 겔은 전자 장치에 유입되는 먼지와 수분을 차단하면서 센서를 공기에 기계적으로 결합합니다. 겔은 불투명하므로 추가적으로 빛을 차단하여 광자 유도 전자 잡음을 방지합니다. 캡은 겔을 포함하고, 모듈의 강도를 높이고, 접지 옵션을 제공하여 모듈의 ESD 내성을 개선합니다.

개발자는 이 계층형 구조를 활용하여 O 링을 센서 뚜껑에 연결하고 웨어러블 하우징 내에서 센서를 배치하여 스테인리스강 포트를 하우징의 통풍구에 맞게 정렬하여 웨어러블 장치의 방수 성능을 강화할 수 있습니다. 장치를 완전히 조립하면 하우징과 센서 뚜껑 사이의 오링이 하우징을 밀봉하여 먼지와 수분이 장치에 유입되지 않도록 차단합니다.

기압 고도계를 피트니스 응용 제품에 통합할 때 유의해야 할 다른 고려 사항으로는 측정 오류의 잠재적 원인인 바람이 있습니다. 움직이는 공기는 정지된 공기보다 더 적은 압력을 발생하므로 시기적으로 적절치 않은 바람으로 인해 측정 중인 센서에서 일시적으로 기압 강하가 발생할 수 있습니다. 이 기압 신호 "잡음"은 급작스러운 높이 변화처럼 보일 수 있습니다. 하지만 피트니스 모니터링 장치 개발자는 높이 변화를 가속도계 판독값과 비교하여 그런 오류를 줄일 수 있습니다. 해당하는 가속이 없을 경우 고도의 "급격한 변화"를 무시해도 됩니다.

그런 완화는 양방향으로 작용합니다. 울퉁불퉁한 표면에서 자전거를 타는 사람은 계단 오르기와 비슷한 가속 프로파일을 생성할 수 있습니다. 하지만 계단 오르기에서 고도 변화가 없을 경우 시스템에서는 가속도계 판독값을 환경 잡음으로 간주하여 무시할 수 있습니다.

결론

웨어러블 피트니스 추적기가 확산되면서 정확한 건강 데이터 측정 기능이 차별화 요소로 중요해지고 있습니다. 압력 기반 기압 고도계를 추가하면 다양한 방법, 특히 소모하는 칼로리의 측면에서 웨어러블 피트니스 장치의 정확성을 개선할 수 있습니다. 또한, 그런 센서는 다른 센서의 정보를 검증하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 피트니스 모니터링 웨어러블에 적용하려면 압력 센서가 고도로 정밀하고 실장 면적이 매우 작고 낮은 전력으로 작동할 수 있어야 합니다. 그림과 같이 TE Connectivity MS5840-02BA는 차세대 웨어러블 피트니스 추적기에 적합한 정확성, 저전력, 소형 크기를 모두 충족합니다.

참고 자료

  1. A Sensor Fusion Method for Tracking Vertical Velocity and Height Based on Inertial and Barometric Altitude Measurements, Sabatina and Genovese. (방정식 27)

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Richard A. Quinnell

Richard Quinnell은 45년 동안 엔지니어이자 작가로 활동해 왔으며 다양한 출판물을 위해 마이크로 컨트롤러, 내장형 시스템, 통신과 같은 주제를 다루고 있습니다. 기술 저널리스트가 되기 전에는 존스 홉킨스 대학의 응용 물리 연구소(JHU/APL)와 같은 회사의 내장형 시스템 설계자 및 엔지니어링 프로젝트 책임자로 10년 이상 일했습니다. 그는 전기 공학 및 응용 물리학 학위를 보유하고 있으며 통신, 컴퓨터 설계, 양자 전자와 관련하여 대학원 과정을 밟았습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자