智慧型手表與穿戴式裝置經常用於嚴苛環境，其用於運動與活動追蹤等功能需要最高精度、快速讀取及低功耗。相關的可攜式裝置整合了氣壓感測器，用於精確的高度增益、垂直速度及運動偵測。近期市場上可見新款氣壓感測器，相較於其他防水壓力感測器，可節省高達80%的空間，相較於壓阻(Piezo-Resistive)技術，則可提供+/-4cm的精度與50%的省電能力。數位氣壓式感測器可防水、防潮及防塵，因為銲墊與薄膜有凝膠保護(圖1)，而且已通過IPX8認證，可承受50m水壓一小時。
圖1 氣壓感測器MEMS晶片以堅固的封裝中的凝膠提供保護
數位氣壓式感測器可發揮作用的其他具挑戰性應用包括真空吸塵器、空調或抽油煙機中的氣流監控，其壓力感測器必須在多塵與潮濕的環境中運作，以偵測故障或效能損耗。這些精準強固的壓力感測器也可用於醫療應用，包括智慧型吸入裝置、呼吸面罩或無創血壓測量。
新式的壓力感測器元件採用電容式感測原理，可在溫度變化時確保高精度，並採用防水封裝設計。這樣的結合使其成為嚴苛環境中各種應用(圖2)的理想選擇。目標應用包括智慧型手表、穿戴式裝置與智慧型手機(例如運動追蹤、計步、跌倒偵測、導航、海拔偵測)、家電(例如冷暖空調/真空吸塵器中的空氣流量控制、洗衣機中的水位偵測、防盜偵測)、無人機(例如飛行穩定性、高度控制)、電子菸(加熱器控制)及醫療保健(例如跌倒偵測、氣流偵測)。
圖2 DPS368 適合為用於嚴苛環境中的各種行動裝置及穿戴式裝置提供精密的壓力感測功能
耐用度/靈敏度兼具
數位氣壓式感測器提供優異的解析度、溫度穩定性、能源效率及高耐用性。這些優點組合使其在需要偵測極小壓力變化的電池供電應用中特別具有吸引力，即使在嚴苛環境中也是如此。市面上已有元件如英飛凌DPS368將氣壓與溫度感測(圖3)整合為單一且極為精巧的8針腳LGA封裝中，尺寸2.0mm×2.5mm×1.1mm。壓力測量的平均電流消耗為1.7μA(待機模式時僅0.5μA)。
圖3 DPS368架構方塊圖
此裝置精密程度可達+/-0.004hPa(相當於+/-4cm)，可在-40至85℃的溫度下測量300hPa至1200hPa之間的氣壓，壓力溫度靈敏度小於0.5Pa/K。溫度精度為±0.5℃。數位氣壓式感測器能偵測到一階樓梯、身體動作或手勢。每個感測器在生產過程中皆經過個別校準，並將校準係數儲存於一次性可程式(OTP)記憶體。使用I2C或SPI介面可傳輸原始資料，並在主機裝置中計算補償壓力值。
由於其電容技術(交流偏壓)，此款高效率裝置在全速運作時，功耗最多可比競爭產品低50%，因此可延長電池使用時間。透過讓主機處理器在兩次讀取之間長時間維持睡眠模式，提供進一步的系統節電。高測量速率(最高200Hz)與快速讀取可實現快速的感測器反饋。
電容式壓力感測技術
典型的小型微機電系統(MEMS)壓力感測器主要是以壓阻測量技術建構的。在這些情況下，可透過應變感測器感測振膜之於壓力變化的彎曲程度。但是，壓阻式感測元件特別容易因為溫度改變而產生變化，而且不會對溫度產生線性的回應。因此，相較於電容元件，壓阻式感測器需要更複雜的校準。此外，電阻測量帶來相對高的電流消耗，當目標應用由電池供電且運作時間極為重要時，這就成為特別重要的考量因素。
由於壓阻技術的極限，英飛凌為其壓力感測器開發了一種電容式MEMS技術。開發出來的單元結構與電容橋配置，如圖4 所示。電容式氣壓感測器由四個感測與參考單元陣列組成。感測單元具有彈性膜，其對壓力變化作出反應，並提供空氣壓力測量。而參考單元具有硬式膜，其不會對壓力變化產生反應，並可提供穩定的測量參考。這種結構的優點是壓力測量可以差分，而且感測與參考單元皆暴露於相同的溫度變化，因此可抵消溫度漂移效應。電池尺寸經過最佳化，具有高靈敏度與機械可靠性。以小型MEMS單元為基礎，沒有重力效應。除了在寬廣溫度與壓力範圍內具有極佳的溫度穩定性之外，其他關鍵特性還包括低噪音與低功耗。
圖4 電容式感測器的單元結構可提供差分測量與極低的溫度漂移
最佳化系統設計
為提供靈活的系統設計，此款感測器可根據不同使用情況進行配置，使解析度與耗電量達到最佳的平衡。不同的運作模式(高精度、標準、低功率及超低功率)搭配不同的精度(4至50cm)及測量速率(單發與最高200MHz)。例如，可以為GPS高度精度配置一次性測量，而每秒進行多次測量的選項則可滿足手勢辨識或跌倒偵測的需求。可配置的模式(圖5)還能實現最佳效率，因為功耗與測量頻率成正比。例如，以低功耗模式運作時，每秒測量一次的電流消耗為3μA，待機模式則小於1μA。以感測器的最大解析度運作時，電流消耗約為38μA。
圖5 不同的運作模式可依據相關的應用，提供最佳化的能耗與精密度
氣壓感測器正逐漸成為行動裝置與智慧型裝置的重要組成部分。在物聯網方面，壓力感測器是消費電子領域中整合感測器解決方案的關鍵零組件。該元件以成熟的半導體製程為基礎，結合超高解析度、快速讀出速度、優異的溫度穩定性與低功耗，並兼具小巧而堅固的封裝。還能讓開發人員提升應用的功能與易用性，例如室內與室外輔助定位與導航、運動與健身應用程式、無人機飛行穩定性、即時天氣監測、物聯網裝置，以及醫療保健(例如跌倒自動偵測)。
(本文作者為英飛凌科技壓力感測器產品行銷經理)