웨어러블 기술용 MEMS 센서 최신 발전

MEMS 센서는 오랫동안 존재해 왔지만, 새로운 응용 분야에 대한 시장 요구가 기술 업그레이드를 주도하고 있습니다. 작은 크기, 정확성, 신뢰성 덕분에 MEMS 센서는 웨어러블 장치에 적합합니다.

예를 들어 기압 센서는 시계, 피트니스 밴드, 이어폰, 스마트폰에 내장되어 평지, 오르막, 계단 걷기 여부를 감지하는 피트니스 매개변수를 지원하는 데 이상적입니다. 표준 2차원(X, Y) 내비게이션 장치에 세 번째(Z) 차원을 추가합니다. 사실 일부는 매우 민감하고 정확하여 긴급 통화 시 구조대원에게 고층 빌딩의 어느 층에 있는지 알릴 수 있습니다. Bosch Sensortec은 이제 웨어러블 시장에 견고한 기압 센서 BMP384를 출시했습니다. 젤 충전 패키지로 견고화되었는데, 이는 기압 센서의 혁신입니다. 이로 인해 물과 다양한 가혹한 환경에 강합니다. 또한 크기가 작아(2.0 × 2.0 × 1.0mm) 스마트폰, 웨어러블, 히어러블에 쉽게 통합할 수 있습니다.

Bosch는 또한 자기 학습 AI 센서인 BHI260AP를 출시했습니다. 다양한 동작을 포함하는 개별화된 운동 루틴을 추적하도록 학습시킬 수 있습니다. 방수 케이스를 갖추고 있어 수영 랩, 스트로크, 휴식 시간도 추적할 수 있습니다.

MEMS 기압 센서 내부

[그림 1] Bosch BMP 시리즈 압력 센서의 메커니즘은 실리콘 다이 내 10~20마이크론 두께의 멤브레인입니다. 멤브레인에는 4개의 압전 저항 소자가 있어 압력에 반응하여 구부러질 때 압전 저항의 저항 변화가 휘스톤 브리지의 출력을 변화시켜 압력 신호를 생성합니다.

이는 20년 이상 자동차 시장에서 사용되어 온 검증된 기술로, 견고한 조건에서도 매우 안정적임이 입증되었습니다. 이제 성공적인 실적을 바탕으로 가전 산업에 진입하고 있습니다. 이 시장에 새로 진입한 모델 BMP384는 견고할 뿐만 아니라 젤 충전 패키지 덕분에 매체 저항성도 있습니다.

정확도

상대 정확도는 출력 곡선의 기울기 함수이며, 절대 판독값이 아닌 고도 변화의 정확도입니다. 고성능 Bosch BMP390의 경우 ±0.03hPa로, ±25cm에 해당합니다.

절대 정확도는 정확한 압력 판독값의 최대 오차 척도입니다. 고성능 BMP390의 경우 ±0.50hPa입니다. 절대 정확도와 관련된 기타 사양에는 RMS 노이즈: ±0.02hPa, 온도 계수 오프셋: (25°C~40°C, 900Pa에서), 12개월 안정성: ±0.16hPa, 납땜 드리프트: <±0.8hPa 등이 있습니다.

(납땜 드리프트는 종종 언급되지 않지만 중요한 요인일 수 있습니다. 장치를 인쇄 회로 기판에 납땜하면 온도 구배가 생성되어 기계적 응력(휘어짐 포함)을 유발할 수 있습니다. 이러한 응력이 MEMS 센서에 가해지면 전기적 출력이 변할 수 있습니다.)

내비게이션

MEMS 기압 센서는 다양한 응용 분야에 맞게 최적화할 수 있습니다. 예를 들어 정확한 고도 측정을 위해 설계된 BMP390은 10cm 미만의 높이 변화를 측정할 수 있을 만큼 충분한 해상도를 가집니다. 2mm × 2mm × 0.75mm 케이스 크기로 스마트폰이나 시계에 쉽게 통합할 수 있습니다. Bosch는 NextNav LLC(미국 캘리포니아주 서니베일)와 협력하여 BMP390을 사용하여 실내 내비게이션 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 3차원 위치 및 포지셔닝을 위한 실내 Z축 위치 구성 요소를 제공하며, 향상된 긴급 통화(E911)에 충분히 사용할 수 있을 정도입니다.

긴급 통화의 경우 절대 정확도가 중요합니다. 예를 들어 14층 아파트에 산다면, 구조대가 빨리 찾으려면 Z축 정보뿐만 아니라 X, Y도 정밀하고 정확해야 합니다.

가장 정확한 절대 판독값을 얻으려면 위치의 고도를 고려한 캘리브레이션으로 시작해야 합니다. 예를 들어 해변인지 산 정상인지에 따라 다릅니다. 그런 다음 압력 센서의 절대 정확도에 영향을 줄 수 있는 여러 추가 요인이 있습니다. 예를 들어 압력과 고도의 상관관계는 외부 기압 변화에 따라 달라집니다. 이는 급격한 고도 변화에는 일반적으로 중요하지 않지만, 예를 들어 내장 센서가 있는 휴대폰이 10시간 동안 한 위치에 있으면 그 기간 동안 환경 압력이 변할 가능성이 높습니다. 따라서 외부 보정 신호를 가져와야 합니다. 이는 관성 및 자기 센서 등 여러 유형의 센서 정보를 결합하는 센서 퓨전으로 달성할 수 있습니다.

[그림 2]는 센서 퓨전 개념을 보여줍니다.

피트니스 - 압력 감지

운동 루틴 추적에는 상대 정확도면 충분합니다. 고도 변화만 관심이 있고 절대값은 아니기 때문입니다. 그러나 환경 요인은 피트니스 트래커, 특히 수영 추적을 원하는 웨어러블(스마트 워치 등)에 중요합니다.

젤 충전 BMP384는 고도 변화나 물과 같은 가혹한 환경에서의 피트니스 추적에 사용할 수 있습니다.

센서가 가혹한 환경에서 작동하려면 감지 메커니즘과 임베디드 ASIC가 격리되어야 합니다. BMP384에서는 다이어프램과 케이스 사이에 젤 층을 적용하여 이를 수행합니다. 적절한 기계적 및 열적 특성을 가진 젤을 만들고 적용하는 데 특수한 노하우가 필요합니다. 젤은 멤브레인에 압력을 전달하면서 구부림을 방해하지 않아야 합니다. 또한 센서가 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있도록 열을 충분히 전도해야 하며, 센서 수명 동안 경화되지 않아야 합니다.

피트니스 - 인공지능

BHI260AP MEMS 센서는 Bosch가 CES 2021에서 출시한 것으로, 스마트 워치와 피트니스 밴드 같은 손목 웨어러블이나 히어러블에 통합되도록 설계되었습니다. 16비트 3축 가속도계와 16비트 3축 자이로스코프가 있는 6자유도 IMU뿐만 아니라 32비트 사용자 프로그래머블 마이크로컨트롤러도 포함합니다. 이 하드웨어와 포함된 자기 학습 AI 소프트웨어의 조합은 매우 정교한 피트니스 장치를 지원합니다.

수영. Bosch Sensortec은 BHI260AP용 수영 트래커 소프트웨어를 개발했습니다. IMU와 부동소수점 마이크로컨트롤러의 실시간 센서 데이터를 사용하여 원시 센서 데이터뿐만 아니라 애플리케이션 프로세서가 직접 사용할 수 있는 관련 결과를 생성하는 AI 기능을 실행할 수 있습니다. 내장 모션 센서는 수영자의 어떤 동작도 요구하지 않고 사용자가 수영을 시작했는지 판단합니다. 그런 다음 배영, 자유형, 접영, 평영 4가지 범주에서 스트로크 유형을 분류하고 스트로크 수, 랩 수, 랩 사이의 휴식을 기록합니다.

[그림 3]은 수영 추적 기능을 보여줍니다.

홈 운동. 이 '스마트' 센서는 개인 운동 루틴의 세부 사항을 인식하고 추적하는 개인 비서로 훈련될 수 있습니다. 15가지 사전 프로그래밍된 피트니스 활동이 제공되지만, 추가 활동을 업로드할 수 있습니다.

센서는 새로운 운동을 인식하고 사용자 고유의 운동에 맞게 적응할 만큼 똑똑합니다. 사용자 행동에서 학습함으로써 제조사가 사전 프로그래밍한 것뿐만 아니라 수백 가지 다양한 움직임과 패턴을 인식할 수 있습니다.

각 운동에 대해 활동 유형, 소요 시간, 세트 및 반복 횟수 등 상세하고 즉각적인 피드백을 얻을 수 있습니다. 이는 운동 강도와 빈도에 대한 구체적인 정보로 변환됩니다. 사용자가 사전 정의된 운동 계획을 따를 때 체중 감량, 탄력, 피트니스 레벨 등 개인 목표 달성 정도를 알 수 있습니다.

사용자가 20~30초 운동 후 20~30초 휴식처럼 다양한 활동 간에 빠르게 전환하는 고강도 운동의 경우, AI 추적 장치는 한 운동에서 다른 운동으로 전환될 때 각 새 운동을 자동으로 안정적으로 인식할 수 있습니다.

에지 프로세싱. 데이터를 중앙 프로세서(클라우드 등)로 전송하는 대신 센서에 데이터 처리를 내장하면 여러 이점이 있습니다. 첫째, 대량의 원시 데이터를 전송하는 것보다 이미 데이터를 사용하여 중요한 출력 메시지를 계산한 신호를 전송하는 데 훨씬 더 많은 전력이 필요합니다. 로컬 프로세서가 데이터를 집계하여 연속적으로 전송하는 대신 고정 간격으로 전송하면 전력을 줄일 수도 있습니다. 이는 배터리 수명 극대화에 특히 중요합니다. 프라이버시 문제도 있습니다: 일반 가정 사용자뿐만 아니라 프로 운동선수도 자신의 기록에 타인이 접근하는 것을 원하지 않습니다. 또한 빠른 동작의 경우 데이터를 다른 곳으로 보내는 대신 센서에서 바로 처리하여 지연을 원하지 않습니다.

요약

점점 더 정교해지는 MEMS 센서 개발은 설계자들의 상상력만으로 제한되는 웨어러블 응용 분야를 가능하게 합니다. 현재 시점의 주요 발전 두 가지 예로는 액체에 강한 Bosch BMP384 젤 충전 기압 센서와 IMU 및 에지 프로세서를 포함하여 AI 응용 프로그램을 실행하는 BHI260AP가 있습니다.

이 기사는 Bosch Sensortec(독일 로이틀링겐) CEO인 Dr. Stefan Finkbeiner가 작성했습니다. 자세한 정보는 Constantin Schmauder에게 이메일(스팸 방지를 위해 자바스크립트 필요) 또는 여기를 방문하세요.