Nowy czujnik ciśnienia atmosferycznego do aplikacji konsumenckich i przemysłowych

Rys. 1. Obudowa czujnika LPS33HW i jej przekrój

Nowy czujnik LPS33HW wyróżnia się działającą w szerokim zakresie temperatur kompensacją pozwalającą na wykorzystanie sensora w aplikacjach przemysłowych i innych zastosowaniach, gdzie czujniki pracują w niesprzyjających warunkach środowiskowych. Jego zakres pomiarowy rozciąga się od 260 do 1260 hPa, co pozwala na wykorzystanie tego elementu jako czujnika ciśnienia atmosferycznego na dowolnej wysokości na świecie (góry i kopalnie).

Czujnik zapewnia mały pobór prądu - poniżej 4 μA i ma niskie szumy odpowiadające wahaniom ciśnienia mniejszym niż 1 Pa RMS (0,01 mBar). Jest przeznaczony do pracy w urządzeniach mobilnych takich jak smartfony, gadżety sportowe i fitness (smart wearables). Nadaje się też do systemów nawigacji, gdzie może pomagać w wyznaczaniu pozycji w warunkach braku widoczności nieba (dead-reckoning), stacjach pogodowych i urządzeniach do kontroli klimatu. Konstrukcję czujnika docenił Samsung, który wykorzystał go w opasce fitness Samsung Gear Fit 2 Pro.

Szczegóły

Rys. 2. Schemat blokowy czujnika ciśnienia

LPS33HW to piezorezystywny czujnik ciśnienia o wodoodpornej konstrukcji z układem pomiarowym opierającym się na czterech rezystorach pomiarowych w układzie mostka Wheatstone'a, wytrzymujący bez uszkodzenia ciśnienie cieczy do 10 barów, co zapewnia dużą odporność na mycie, zanieczyszczenia mokre i sytuacje awaryjne (np. upadek do wody nawet do głębokości 90 m). Od strony funkcjonalnej jest to barometr z wyjściem cyfrowym.

Sensor jest ponadto odporny na związki chloru, bromu, solankę, detergenty i środki myjące, co pozwala zastosować go w aplikacjach przemysłu spożywczego, dla transportu wodnego i w podobnych zastosowaniach. Właściwości te producent osiągnął poprzez wypełnienie wnętrza obudowy czujnika żelem, zapewniającym elastyczność, a więc zdolność do przekazania parcia na sensor przy zapewnieniu ochrony.

Czujniki ciśnienia MEMS ST Microelectronics

Bardzo niskie szumy czujnika wynoszące typowo 0,008 mBar (0,8 Pa) pozwalają na wykorzystanie czujnika jako precyzyjnego miernika wysokości i głębokości, a także precyzyjnego źródła danych pomiarowych dla monitorów pogodowych i automatycznych stacji rejestrujących i ostrzegających o zagrożeniach pogodowych. Wyniki pomiarów są stabilne i powtarzalne - dryf roczny wynikający ze starzenia konstrukcji i twardnienia żywicy nie przekracza ±1 mBar.

LPS33HW jest dostępny w ceramicznej obudowie do montażu SMT o wymiarach 3,3×3,3×2,9 mm z cylindryczną głowicą pomiarową, do której można podłączyć wężyk lub przewód sztywny z uszczelniaczem typu oring.

Czujniki ciśnienia są wrażliwe na przeciążenia powstające w trakcie procesu produkcyjnego związane z lutowaniem, czyszczeniem i podobnymi operacjami. Dla większości tych elementów wymagane jest odczekanie aż 7 dni od momentu montażu do chwili, gdy gwarantowane parametry będą zachowane, przez co ostateczna kalibracja i testy muszą zostać odłożone w czasie. LPS33HW wymaga ponad dwukrotnie mniejszej karencji (72 h), dzięki wbudowanemu procesorowi nadzorującego pomiary i wypełnieniu obudowy żelem silikonowym. Wahania wyników pomiarów wynikające z procesu produkcji nie przekraczają ±2 mBar.

Komunikacja

Rys. 3. Zestaw projektowy pozwalający na włożenie czujnika LPS33HW w typową podstawkę DIL24 (STEVAL-MKI183V1)

LPS33HW komunikuje się z otoczeniem przez interfejs I²C lub SPI. Dane na temat ciśnienia są dostępne w formacie 24-bitowym (4096 LSB/hPa), dodatkowo udostępniane są dane o temperaturze (na 16 bitach z rozdzielczością 100 LSB/ºC). Cykl pomiarowy może zostać zaprogramowany z częstotliwością od 1 do 75 Hz, a dane pomiarowe są kolejkowane do odczytu na stosie FIFO, co zapobiega utracie wyniku w sytuacji, gdy np. mikrokontroler zarządzający pracą aplikacji będzie przez chwilę zajęty obsługą przerwania lub komunikacji.

Odczyt danych może odbywać się poprzez odczyt flagi gotowości danych lub za pomocą przerwań cyklicznych. Czujnik pozwala też na zaprogramowanie wartości progowej, która wyzwala pomiar i ustawia flagę/generuje przerwanie. Stos pozwala na przechowanie 32 liczb 40-bitowych, a więc kompletów pomiarów ciśnienia i temperatury.

Czujnik może dokonywać pomiarów w trybie FIFO, a więc z kolejkowaniem danych w pamięci lub trybie Stream, bez kolejkowania. W tym drugim przypadku dane nieodczytane pomiędzy cyklem pomiarowym są tracone, niemniej w aplikacjach małej mocy oraz takich, które nie wymagają ciągłego monitorowania wartości ciśnienia, taki tryb może być korzystniejszy.

Pracuje w zakresie temperatur od -40 do +85ºC. Jest zasilany napięciem od 1,7 do 3,6 V, dzięki czemu może być zasilany z pojedynczego ogniwa litowo-jonowego. W połączeniu z niewielkim poborem prądu oraz możliwością wyzwalania cyklu pomiarowego za pomocą wartości progowych czujnik jest też dobrym wyborem do aplikacji IoT, np. rozproszonych sieci pomiarowych kontrolujących klimat i warunki pogodowe.

Wypełnienie żelem pozwala też na zachowanie bardzo dużej odporności czujnika na przeciążenia związane z nadciśnieniem. Konstrukcja wytrzymuje 20× maksymalną wartość pomiarową.

Czujniki są przez producenta kalibrowane na etapie produkcji, dzięki czemu nie muszą być w żaden sposób przygotowywane do pomiarów przez użytkownika. Dane kalibracyjne są zapisywane w wewnętrznej pamięci nieulotnej. Dzięki temu absolutna dokładność pomiaru ciśnienia wynosi ±1 hPa.

Katalogowa cena czujnika wynosi 4,5 dol. przy zamówieniu 1000 sztuk.

Rodzina czujników ST

Pełna oferta czujników ciśnienia MEMS firmy STMicroelectronics obejmuje 7 różnych wersji, a w tabeli zebrano ich główne parametry. Wszystkie typy bazują na identycznej konstrukcji oraz układzie pomiarowym. Różnice kryją się w zakresach pomiarowych, dokładności i szybkości wykonywania pomiarów.

Dostępne wersje zamykane są w różnych typach obudów, poza omówioną w przypadku LPS33HW wersją ceramiczną z metalową głowicą są też czujniki w małych płaskich obudowach z tworzywa sztucznego, gdzie piezorezystory nie są zalewane żelem silikonowym. Szeroka oferta pozwala na dobranie pasującego czujnika do aplikacji pod kątem miejsca, parametrów i ceny.