고급 압력 센서를 사용하여 콤팩트 IoT 설계의 정확성 및 분해능 향상

압력 센서는 드론, 산업 자동화 등과 같은 IoT 응용 분야에 널리 적용됩니다. 하지만 설계자는 낮은 비용으로 출시 시간을 단축하면서 장치의 정확성, 정밀도, 분해능, 잡음 내성 및 온도 안정성을 향상시키기 위해 끊임없이 연구하고 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 센서 제조업체는 설계 및 통합 간소화에 크게 기여하는 혁신적인 새로운 기능, 폼 팩터, 통합 전자 기기 및 유연한 인터페이스 옵션을 도입하고 있습니다.

이 기사에서는 최신 통합 압력 센서의 해부 구조와 온도 보정, 출력 정확성 등과 같은 문제를 처리하는 방법을 설명합니다. 또한 주요 설계 고려 사항을 설명하고 적절한 솔루션을 소개하며, 개발자가 신속하게 솔루션을 시작하고 작동할 수 있는 방법을 알아봅니다.

압력 센서의 진화

압력 센서는 전기 기계 장치로 시작했지만 ±1Pa의 매우 작은 압력 차이를 측정할 수 있는 MEMS를 사용하여 더 낮은 비용의 반도체 기반 장치로 발전했습니다. 온보드 인터페이스를 사용하여 훨씬 낮은 전력을 소비하면서 I²C 또는 SPI 링크를 통해 마이크로 컨트롤러로 데이터를 전송할 수 있습니다.

MEMS 압력 센서에서는 감지 소자에서 굴절되는 연질 멤브레인에 힘을 가하여 출력으로 변환되는 불균형을 유도합니다. MEMS 기반 센서는 절대 압력 범위와 차동 압력 범위를 모두 측정하며, 보정 버전과 비보정 버전으로 제공됩니다.

IoT 설계용 압력 센서

정확성을 높이고 무게와 비용을 절감하면서 측정 범위를 확대하기 위해 최근 압력 센서에 변화가 감행되었습니다. IoT 및 웨어러블 설계 영역의 새로운 응용 분야에서 이러한 혁신이 요구됩니다.

예를 들어, MEMS 기반 압력 센서의 응용 분야에는 칼로리 소비 측정 정확도 향상을 추구하는 차세대 스포츠 밴드가 포함됩니다. 달리기 선수와 사이클리스트에게 경기 모니터링 정확도 향상은 특히 중요합니다. 웨어러블 및 IoT 설계에서 압력 감지가 중요해지면서 실장 면적을 줄이는 것이 불가피해졌습니다.

최신의 소형 저전력 MEMS 센서는 IoT 설계의 성능과 신뢰성을 높이면서 기판 공간을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 또한 울트라 콤팩트 및 박형 패키지에 포함된 이러한 압력 센서는 스마트폰, 태블릿, 스포츠 웨어러블 등과 같은 배터리 구동 휴대용 설계에 적합합니다.

일부 배터리 구동 모바일 장치에서 압력 센서는 움직임 식별, 정확한 바닥 감지, 실외 위치 측정 등과 같은 응용 분야에서 GPS를 강화하거나 대체합니다. 또한 MEMS 기반 압력 센서를 사용하면 추측 항법 위치를 보다 정확하게 계산할 수 있으므로 의료 및 기후 모니터링 영역에서 새로운 응용 분야를 구축할 수 있습니다.

최신 MEMS 센서의 예로는 STMicroelectronics의 LPS22HB(그림 1)가 있습니다. 이 센서는 절대 압력 범위가 260hPa ~ 1,260hPa이고 디지털 출력을 지원하는 MEMS 나노 압력 센서입니다. 주요 특징에는 LGA 패키지의 초소형 크기(2.0mm x 2.0mm x 0.76mm)와 낮은 전력 소비(1.7V ~ 3.6V 공급 전압에서 3A 소비)가 있습니다.

그림 1: STMicroelectronics의 LPS22HB MEMS 기압계는 2mm x 2mm x 0.76mm 크기이며 1.7V ~ 3.6V 공급 전압에서 3A를 소비합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

LGA 패키지에는 외부 압력이 감지 소자에 도달할 수 있도록 구멍이 있습니다. 이 센서는 압전 저항 센서이며 감지 소자와 I²C 또는 SPI를 통해 감지 소자를 응용 제품에 연결하는 IC 인터페이스로 구성됩니다.

LPS22HB는 온도 및 압력 보정 기능을 제공하며 디지털 논리에서 압력 및 온도 데이터를 효과적으로 처리하기 위해 내장된 FIFO가 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: LPS22HB의 FIFO 기능은 온도 및 압력 보정 기능과 함께 디지털 논리 부분에 포함되어 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

FIFO 버퍼는 압력 및 온도 출력 값을 저장하는 32개의 40비트 데이터 슬롯으로 구성됩니다. 호스트에서 센서 폴링을 유지할 필요가 없으므로 전력을 일관되게 절약할 수 있습니다. 호스트는 인터럽트에서 절전 해제하고 FIFO에서 필요한 데이터를 버스트하면 됩니다.

FIFO에는 7가지 작동 모드(바이패스 모드, FIFO 모드, 스트림 모드, 동적 스트림 모드, 스트림-FIFO 모드, 바이패스-스트림 모드, 바이패스-FIFO 모드)가 있습니다. 따라서 다양한 수준으로 작동됩니다. 예를 들어, 바이패스 모드에서는 작동하지 않고 비어 있는 상태로 유지되지만, 동적 스트림 모드에서는 FIFO에서 사용 가능한 새로운 데이터의 수가 이전 판독값에 따라 달라지지 않습니다.

LPS22HB를 사용할 경우 전력이 핀 10(V_DD)에 공급됩니다. 100nF 감결합 커패시터를 공급 패드에 최대한 가깝게 배치하는 것이 좋습니다(그림 3).

그림 3: LPS22HB를 PC 기판에 배치할 때 전원 공급을 위해 핀 10을 V_DD에 연결하고 100nF 감결합 커패시터를 공급 패드에 최대한 가깝게 배치합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

또한 I²C 인터페이스를 사용할 경우 CS(핀 6)를 V_DD_IO(핀 1)에 연결해야 합니다.

잡음 및 갑작스런 변화 여과

스마트워치, 스포츠 밴드와 같은 정교한 설계에서 압력 센서를 사용하려면 잡음을 매우 낮게 유지해야 합니다. 이러한 설계에서는 급작스런 이벤트로 인해 기압계 압력이 빠르고 급격하게 증가할 가능성이 있습니다.

잡음을 처리하기 위해 Bosch Sensortec의 BMP388 기압계 압력 센서에는 무한 임펄스 응답(IIR) 필터(그림 4)가 포함되어 있습니다. 따라서 압력 센서에서 환경적 이벤트로 인해 발생하는 급격한 압력 변화를 제거할 수 있습니다.

그림 4: Bosch Sensortec의 BMP388 센서에 포함된 IIR 필터는 문 닫는 소리, 총소리 등과 같은 이벤트에 대한 저잡음 응답을 손쉽게 처리합니다. (이미지 출처: Bosch Sensortec)

BMP388은 스마트폰, 스마트워치, 소비자용 드론 등에서 고도 추적을 위해 설계되었습니다. 저잡음 24비트 절대 기압계 압력 센서는 300hPa ~ 1,250hPa의 폭넓은 측정 범위와 ±0.66m의 상대적 정확성을 제공합니다(그림 5).

그림 5: Bosch-Sensortec의 BMP388 디지털 MEMS 기압계 압력 센서(2mm x 2mm x 0.8mm)는 항법 계측기에 ±0.66m 정확도의 고도 정보를 제공하도록 설계되었습니다.

기압계 센서가 급격한 온도 변동과 같은 동적인 상황에서 고도를 안정화할 수 없는 경우 보완 필터와 함께 기압계 데이터를 가속도계 데이터와 결합할 수 있습니다. 성능 최적화를 위해 센서 융합 기술이 필요한 경우에 대비하여 Bosch Sensortec는 정확한 조정을 위한 BMI088 관성 측정 장치(IMU)와 방향 데이터를 제공하는 BMM150 지자기 센서를 제공합니다.

극한 온도에서 압력 측정

정확성과 분해능은 압력 센서 설계와 밀접한 관계가 있습니다. 하지만 압력 센서는 극한 온도에서 해당 변화를 반영하여 깊은 광산에서 산 정상까지 다양한 고도에서 정확하게 응답할 수 있어야 합니다. 또한 습식 미디어 호환성을 유지해야 합니다.

드론과 같은 응용 제품에서 고도 정보는 안정성과 착륙 정확성을 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 압력 센서는 환경 변화에 상관없이 이 고도 정보를 높은 정확성과 분해능으로 제공해야 합니다. 전용 알고리즘을 이용한 온도 보정을 통해 MEMS 장치는 ±1Pa의 정확성을 실현하므로 5cm 미만의 고도 변화를 해석할 수 있습니다.

웨어러블 장치와 같은 상시 작동 동작 감지 응용 분야에서는 사용자의 환경 이동에 따라 온도가 빠르게 변경되므로 온도 안정성이 특히 중요합니다. NXP Semiconductors의 MPL3115A2는 온도 안정성을 실현하는 방법을 보여주는 좋은 예입니다(그림 6).

그림 6: NXP의 MPL3115A2 콤팩트 압전 저항 절대 압력 센서에서 압력 및 온도 감지 작동이 서로 어떻게 보완되는지를 보여줍니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

MPL3115A2는 20kPa ~ 110kPa의 폭넓은 작동 범위를 자랑합니다. NXP는 이 범위 내에서 모든 지표면 고도를 포괄하도록 설계되었습니다. 온칩 온도 센서를 사용하여 온도와 압력을 멀티플렉싱, 증폭 및 필터링한 후 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 공급하여 온도를 보정합니다. 그런 다음 방정식 1의 공식을 사용하여 고도를 계산합니다.

여기서,

h = 고도(미터(m) 또는 1미터에 대한 비율로 제공)

p₀ = 해면 기압(101,326Pa)

OFF_H = 현지 기후 조건과 미국표준대기 1976(NASA)에 맞게 보정하기 위한

등가 해면 기압에 대한 사용자 입력값

p = 압력(파스칼(Pa) 및 파스칼에 대한 비율로 제공)

MPL3115A2의 핵심 사양으로는 호스트 프로세서의 부담을 덜어주기 위한 온칩 처리와 안정적인 출력 분해능을 위한 측정 시간(초)당 공칭 40A의 유효 공급 전류를 들 수 있습니다. 1.95V ~ 3.6V 공급(내부적으로 조정됨) 범위에서 작동하며 작동 온도 범위는 -40˚C ~ +85˚C입니다.

다양한 응용 시나리오와 조건들이 센서 제조업체에 의해 잘 다뤄지고 있습니다. 한 사례로 Honeywell의 TBF 계열이 있습니다. 이 센서는 미디어 호환성과 낮은 트랩 체적이 중요한 응용 분야를 위해 설계된 평면 다이어프램 압력 센서로 구성된 기본 힘 센서입니다. 이 센서는 주입 펌프, 웨어러블, 약물 전달 시스템, 로봇 공학 등과 같은 응용 분야에 사용하도록 설계되었으며 내부적으로 온도를 보정합니다.

내부적으로 신호를 증폭하지 않으므로 분해능이 무한하다는 점은 주목할 만합니다. 설계자는 이 증폭되지 않은 신호를 활용하여 100kPa ~ 1MPa 범위 내에서 응용 분야에 필요한 최대 분해능을 얻을 수 있습니다.

기타 설계 고려 사항

압력 센서는 IoT의 새로운 엔지니어링 요구 사항을 충족하도록 설계되고 있지만, 여전히 내구성, 화학 물질(염소, 브롬, 바닷물 등)에 대한 내성과 같은 기존 문제를 해결해야 합니다. 압력 센서 전자 기기를 보호하기 위한 다른 중요한 문제로 수분 민감도 수준이 있습니다. 또한 압력 센서는 설치하기 쉽고 유지 관리 부담이 없어야 합니다.

이러한 사항은 14핀 SOIC 패키지로 제공되는 Amphenol의 NovaSensor NPA 계열 표면 실장 압력 센서에 대한 설계 기준입니다(그림 7).

그림 7: Amphenol의 표면 실장 NPA 계열은 유연한 출력 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Amphenol)

NPA 계열은 게이지, 절대 및 차동 압력 범위 내에서 밀리볼트(mV), 증폭된 아날로그 또는 디지털 출력과 함께 사용할 수 있습니다. 압력 측정 범위는 10인치 물(H20)(1인치 H20 = 249.0889Pa) ~ 30psi(1psi = 6894.7529Pa)입니다.

결론

입력 센서는 다양한 IoT 응용 분야에 중요한 구성 요소입니다. IoT 장치 비용이 하락하고, 폼 팩터가 축소되고, 출시 시간 압력이 증가하면서 센서 제조업체는 향상되고 조정 가능한 감지 및 보정 기능과 간소화된 인터페이스를 도입하고 있습니다.