어떤 정밀 기압 센서가 웨어러블에 가장 이상적일까

2019-04-03
글 / Theresa Mohrle, 압력센서 마케팅 메니저, 인피니언 테크놀로지스



기압 센서가 모바일 디바이스나 스마트 디바이스에서 갈수록 더 중요한 기능이 되고 있다. IoT가 가속화함에 따라서 압력 센서가 컨슈머 전자기기에서 통합적인 센서 솔루션의 핵심 부품으로 자리잡고 있다


스마트 워치나 웨어러블 디바이스는 흔히 혹독한 환경에서도 사용이 가능하며 동작 추적 같은 기능을 위해서 높은 정밀도, 빠른 리드아웃, 낮은 전력 소모를 필요로 한다. 이러한 디바이스는 정확한 고도 변화, 수직 속도 및 동작 감지를 위해서 기압 센서를 사용한다.

인피니언의 새로운 DPS368은 바로 이러한 애플리케이션에 사용하기에 최적화된 센서 제품으로서, 여타 방수 기압 센서와 비교해서 공간을 최대 80%까지 절약하고, ±2cm의 고도 정밀도를 제공하고, 압전 저항 방식에 비해서 전력을 최대 50%까지 절약할 수 있다. 또한 이 디지털 기압 센서는 패드와 멤브레인을 겔을 사용해서 보호하므로 물, 습기, 먼지에 대해서 견고하다(그림 1). IPx8 방수 등급을 획득하였고, 50미터 수심에서 1시간을 견딜 수 있다.



DPS368 기압 센서 소자는 정전용량식 센싱 방식을 사용해서 온도 변화에 대해서 높은 정밀도를 보장한다. DPS368은 이미 성능이 검증된 기존 DPS310을 기반으로 매우 견고하고 뛰어난 방수 패키지를 적용하고 있다.

따라서 DPS368은 스마트 워치, 웨어러블, 스마트폰(피트니스 트래킹, 만보기, 낙하 감지, 내비게이션, 고도 감지), 가전제품(HVAC/진공청소기 에어 플로우 제어, 세탁기 수위 감지, 침입 감지), 드론(비행 안정성, 고도 제어), 전자 담배(히터 제어), 헬스케어(낙상 감지, 에어 플로우 모니터링) 와 같은 가혹한 환경에서 사용되는 다양한 애플리케이션에 최적화되어 있다. (그림 2).



견고성과 감도


DPS368은 높은 정밀도, 온도 안정성, 에너지 효율, 견고성이 모두 뛰어나다. 가혹한 환경에서 배터리를 사용해서 작동하면서 극히 작은 압력 변화를 감지해야 하는 애플리케이션에 사용하기에 특히 적합하다.

DPS368은 2.0mm x 2.5mm x 1.1mm에 불과한 크기의 극소형 8핀 LGA 패키지에 기압, 과 온도 센싱을 모두 포함하고 있다(그림 3). 압력측정시 평균 소모전류는 1.7uA 이다. (대기모드에서는 0.5uA)

±0.002hPa(±2cm에 해당)의 정밀도를 제공하며, -40℃~85℃ 온도에서 300hPa~1200hPa범위의 기압을 측정할 수 있고, 압력/온도
민감도는 0.5Pa/K 이하이다. 온도 정확도는 ±0.5℃이다. 이 센서는 계단 한 칸, 신체 움직임, 동작을 감지할 수 있다. 또한 제조 시에 OTP(one-time programmable) 메모리에 저장되어 있는 캘리브레이션 계수를 사용해서 모든 센서를 각각 개별적으로 캘리브레이션한다. I2C 또는 SPI 인터페이스를 통해서 원시 데이터를 전송할 수 있으며, 호스트 디바이스에서 보정된 기압 값을 계산한다.

또한 고효율 제품으로서 정전용량식 기술(AC 바이어싱)을 적용함으로써 최대 속도로 실행될 때 경쟁 제품에 비해서 최대 50%까지 더 적은 전력을 소모한다. 그러므로 어플리케이션에서 배터리 사용시간을 더 늘릴 수 있도록 해준다.

데이터 리딩과 리딩 사이에 호스트 프로세서를 더 긴 시간 동안 슬립 모드로 전환함으로써 시스템 전력을 추가적으로 더 절약할 수 있다. 또한 높은 측정 속도(최대 200Hz)와 빠른 리드아웃으로 빠르게 센서 피드백을 제공할 수 도 있다.



정전용량식 기술


통상적으로 소형 폼팩터 MEMS(micro-electro-mechanical system) 압력 센서는 압전 저항 측정 방식을 사용한다. 이 방식은 압력의 변화에 따른 다이어프램의 휘어지는 정도를 스트레인센서를 통해 측정한다. 그런데 압전 저항 방식은 온도 변화에 따른 오차에 취약하며 온도에 대해서 선형적으로 반응하지 않는다. 이 때문에 압전 저항 센서는 정전용량 방식에 비해서 좀더 복잡한 캘리브레이션을 필요로 한다. 뿐만 아니라 저항식 측정은 전류 소모가 비교적 높다. 이 점은 배터리로 작동되고 배터리 사용시간을 중요하게 요구하는 애플리케이션인 경우에 특히 중요한 고려사항이다.

압전 저항 방식의 이러한 한계점 때문에 인피니언은 정전용량 방식 MEMS 기술을 적용한 압력 센서를 개발했다. 그림 4는 이렇게 개발된 셀 구조와 정전용량식 브리지 구성을 보여준다. 이 정전용량식 기압 센서는 4개의 센싱 셀 및 레퍼런스 셀 어레이로 이루어진다. 센싱 셀은 유연한 멤브레인을 사용해서 압력 변화에 따라서 반응함으로써 기압 측정을 제공한다. 레퍼런스 셀은 단단한 멤브레인을 사용해서 압력 변화에 대해서 반응하지 않으므로 안정적인 측정 기준값을 제공한다.



이러한 구조의 장점은, 압력 측정을 차동으로 할 수 있으며 센싱 셀과 레퍼런스 셀을 동일한 온도 변화에 노출시킴으로써 온도 드리프트를 제거할 수 있다는 것이다. 또한 셀 크기를 감도와 기계적 신뢰성을 높이도록 최적화했다. 그리고 작은 MEMS 셀을 사용함으로써 중력으로 인한 영향을 받지 않는다. 넓은 온도 범위와 압력 범위에 걸쳐서 온도 안정성이 우수하다는 점 외에도, 또 다른 특징은 잡음이 낮고 전력 소모가 낮다는 점이다.

시스템 디자인 최적화

시스템 설계를 유연하게 할 수 있는 점으로서, 이 센서는 다양한 활용 사례에 따라서 분해능과 에너지 소모를 최적화할 수 있다. 다양한 동작 모드(고정밀도, 표준, 저전력, 극저전력)로 다양한 정밀도(2~50cm)와 측정 속도(단일 샷부터 최대 200Hz까지)를 사용할 수 있다. 예를 들어서 GPS 고도 정확도를 위해서는 초당 일회 측정을 할 수 있으며, 동작 인식이나 낙하 감지에는 초당 수회 측정을 사용할 수 있다.

또한 적절한 동작 모드(그림 5)를 사용해서 효율을 최적화할 수 있다. 전력 소모는 측정 주파수와 비례하기 때문이다. 예를 들어서 초당 한 번 측정으로 저정밀도 모드로 동작할 때 전류 소모는 2.7μA이고 대기 모드로는 1.0μA 미만이다. 최대 분해능으로 동작할 때 전류 소모는 약 38μA이다.



맺음말


기압 센서가 모바일 디바이스나 스마트 디바이스에서 갈수록 더 중요한 기능이 되고 있다. IoT가 가속화함에 따라서 압력 센서가 컨슈머 전자기기에서 통합적인 센서 솔루션의 핵심 부품으로 자리잡고 있다. DPS368은 2019년 상반기에 공급을 시작한다. 검증된 반도체 프로세스를 기반으로 하며, 작고 견고한 패키지로 극히 높은 분해능, 빠른 리드아웃 속도, 뛰어난 온도 안정성, 낮은 전력 소모를 특징으로 한다. 그러므로 개발자들이 실내 및 실외 위치 추정 및 내비게이션, 스포츠 및 피트니스 앱, 드론 비행 안정성, 실시간 기상 모니터링, IoT 디바이스 같은 애플리케이션뿐만 아니라 낙상 감지 같은 의료 애플리케이션으로 기능성과 사용 편의성을 높일 수 있다.

인피니언 압력 센서 제품에 관한 추가 정보는 http://www.infineon.com/pressuresensor에서 볼 수 있다.
 
 
개발 시간 단축하기


인피니언은 테스트 및 개발 작업을 빠르게 할 수 있도록 포괄적인 IoT 솔루션, 평가 보드, 소프트웨어를 제공한다. DPS310 기반 센서 보드 Shield2Go에 마이크로컨트롤러 보드 XMC2Go를 사용하거나 또는 아두이노나 라즈베리 파이 같은 널리 사용되는 IoT 하드웨어 플랫폼을 결합해서 DPS310, DPS368, DPS422 센서를 기반으로 한 개발 작업을 쉽고 빠르게 할 수 있다. 또 GitHub에서는 무료로 곧바로 사용할 수 있는 아두이노 라이브러리를 제공한다(https://github.com/Infineon). 그러므로 빠르게 애플리케이션 평가 작업을 하고 프로토타입을 개발할 수 있다.



또한 기압 센서를 사용한 개발 용으로 Sensor Hub Nano를 제공한다. 크기가 30mm× 15mm×10mm(배터리 포함)에 불과한 이 독립형 보드는 기압 센서를 포함하므로 다양한 애플리케이션 용으로 평가 작업을 할 수 있다. 블루투스 커넥티비티를 사용해서 데이터를 호스트로 전송할 수 있다.

또한 SES2G 센서 평가 소프트웨어 대신에 사용할 수 있도록, Infineon Pressure Sensor 안드로이드 앱을 무료로 제공한다. 관련 센서 허브와 호환 가능한 이 앱은 블루투스를 통해서 접속해서 주요 센서 기능들을 액세스할 수 있으므로 목표 애플리케이션으로 센서 성능을 평가하고 시험하는 것을 빠르게 할 수 있다.
 

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