個(gè)人導航儀中的MEMS壓力傳感器

摘要

隨著(zhù)MEMS傳感器的設計和制造工藝的進(jìn)步，MEMS壓力傳感器被廣泛用于醫療、汽車(chē)和消費電子等應用領(lǐng)域。例如，壓力傳感器可用于監測血壓，汽車(chē)廠(chǎng)商利用氣壓傳感器優(yōu)化發(fā)動(dòng)機能效，提醒駕駛員輪胎氣壓不足。

最近幾年，隨著(zhù)MEMS壓力傳感器的性能不斷提高，成本和尺寸不斷降低，消費電子廠(chǎng)商開(kāi)始使用壓力傳感器與慣性傳感器和地磁傳感器模組實(shí)現航位推測和導航功能。

本文論述如何在個(gè)人導航儀內利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測量海拔高度。本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系。第二部門(mén)描述如何使用壓力傳感器計算海拔高度。第三部分介紹如何在一個(gè)個(gè)人導航儀如智能手機內集成壓力傳感器。

1.大氣壓與海拔高度的關(guān)系

在個(gè)人導航儀中，MEMS壓力傳感器充當氣壓計用于測量海拔高度變化。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓。

下面是大氣壓測量單位：
•psi – 磅/平方英寸
•cm/Hg – 水銀柱高（厘米）
•cm/Hg – 水銀柱高（英寸）
•Pa – 帕，國際制壓力單位 (SI) ，1Pa = 1 N/m²
•bar – 巴，氣壓?jiǎn)挝唬? bar = 10⁵Pa
•mbar – 毫巴，1mbar = 10^-3bar

我們居住在地球大氣層的底層，大氣壓隨著(zhù)海拔高度上升而降低。我們將在59 H時(shí)的29.92 in/Hg海平面氣壓規定為標準大氣壓，這個(gè)平均值不受時(shí)間影響，而受到測量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響。

因此，上述壓力單位之間的換算關(guān)系是:

1 個(gè)標準大氣壓 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

可以用下面的表達式表示大氣壓與海拔高度之間關(guān)系^[1]:

其中:
P0 是標準大氣壓，等于1013.25 mbar;
Altitude是以米為單位的海拔高度。
P是在某一高度的以mbar為單位的氣壓

圖1根據上面的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關(guān)系。

如圖1所示，當高度從海平面上升到海拔11,000米高時(shí)，大氣壓從1013.25 mbar降到230 mbar。我們從圖中不難看出，當高度低于 1,500米時(shí)，大氣壓幾乎呈線(xiàn)性降低，每100米大約降低11.2 mbar，即每10米大約降低1.1 mbar。為了取得更精確的高度測量數據，可以在目標應用中構建一個(gè)大氣壓高度查詢(xún)表，根據壓力傳感器的測量結果，確定對應的海拔高度。

如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對MEMS壓力傳感器，測量高度可達海拔9,165米到海平面以下698米。

圖 1:大氣壓與海拔高度的關(guān)系

2. 利用MEMS傳感器確定樓層

0.1 mbar rms的測量分辨率使MEMS壓力傳感器能夠發(fā)現在1米以?xún)雀叨茸兓?。因此，在高層建筑內，可以使用壓力傳感器發(fā)現樓層變化。

圖2所示是在意法半導體的意大利Castelletto寫(xiě)字樓內采集到的壓力傳感器數據。采樣速率是7Hz，數據采集時(shí)間總計大約23分鐘。從圖中我們可以清晰地看到大氣壓在不同樓層的變化。大氣壓在地下室最高。隨著(zhù)樓層升高，大氣壓逐漸降低。

圖3所示是意法半導體的一個(gè)MEMS壓力傳感器，這是一個(gè)采用3 x 5 x 1mm LGA-8封裝的數字輸出壓力傳感器，內置I2C/SPI接口和16位數據輸出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率為0.1mbar。該芯片還內置溫度傳感器。芯片內部控制寄存器可以指示測量結果是高于還是低于壓力極限預設值。

壓力傳感器的測量精度會(huì )受到氣流和天氣條件的影響。為了取得精確、可靠的樓層測量結果，需要為壓力傳感器開(kāi)發(fā)校準和濾波算法。

圖 2:從意法半導體傳感器原始數據取得的樓層檢測結果

圖 3:意法半導體的MEMS壓力傳感器

3.在個(gè)人導航儀中使用MEMS壓力傳感器

在當前市面上銷(xiāo)售的智能手機中，大多數都內置了GPS接收器和低成本的MEMS運動(dòng)傳感器，例如，加速度計、陀螺儀和/或磁力計。在沒(méi)有GPS衛星信號的建筑物內或GPS信號很弱的高樓林立的大都市內，個(gè)人導航或航位推測對于導航變得非常重要。鑒于GPS接收器在戶(hù)內戶(hù)外測量高度都不夠精確，在智能手機內集成壓力傳感器可以輔助GPS測量高度。

個(gè)人導航系統（PNS）與個(gè)人航位推測（PDR）系統相似。從基本原理看，當無(wú)法獲得GPS衛星信號時(shí)，PNS或PDR可以在智能手機的電子地圖上繼續提供方位和前進(jìn)信息，引導用戶(hù)到達興趣點(diǎn)，獲得位置關(guān)聯(lián)服務(wù)(LBS)。

前進(jìn)信息可以來(lái)自磁力計或陀螺儀或兩者的模組。PNS是利用慣性導航原理（INS）對加速度計的測量值進(jìn)行雙重積分求解決方位信息，而PDR是計步器和步長(cháng)估算器根據典型計步器原理計算加速度計提供的測量數據而獲得的方位信息。在一定時(shí)間內獲得前進(jìn)方向和行進(jìn)路程的信息后，導航系統在智能手機的電子地圖上更新行人在戶(hù)內的方位。

3.1 PNS或 PDR結構示意圖
圖4所示是PNS或PDR的結構示意圖。從傳感器角度看，該系統包括一個(gè)3軸加速度計、一個(gè)3軸陀螺儀、一個(gè)3軸磁力計和一個(gè)壓力傳感器。此外，在這個(gè)示意圖內還有一個(gè)GPS接收器和一個(gè)主處理器。主處理器用于采集傳感器數據，運行航位推測算法和卡爾曼濾波算法。

圖 4:PNS或 PDR結構示意圖