MEMS传感器最新进展赋能可穿戴技术

MEMS传感器由来已久，但市场新应用需求推动技术升级。凭借小尺寸、高精度、高可靠性，MEMS传感器契合可穿戴设备。

例如气压传感器嵌入手表、健康手环、耳机或智能手机，支持识别平地、坡道或楼梯行走等健身参数，为标准二维（X、Y）导航增加第三维（Z）度。部分传感器灵敏度极高，急救电话可告知救援人员摩天大楼内所在楼层。Bosch Sensortec现推出面向穿戴市场的BMP384坚固型气压传感器，创新采用胶填充封装，耐水耐恶劣环境。尺寸仅2.0×2.0×1.0毫米，易集成至智能手机、穿戴及听戴设备。

Bosch还推出BHI260AP自学习AI传感器，可训练追踪包含多种动作的个性化健身计划。防水外壳使其亦能记录游泳圈数、划水姿势及休息时间。

MEMS气压传感器内部结构

Bosch BMP系列压力传感器机制为硅芯片上10-20微米厚膜，膜上有四个压阻元件。压力致膜弯曲，压阻电阻变化改变惠斯通电桥输出，产生压力信号。

此技术在汽车市场验证超20年，在恶劣条件下表现稳定，现凭借成功纪录进入消费电子领域。最新产品BMP384不仅坚固，因胶填充封装还耐介质。

精度指标

相对精度取决于输出曲线斜率，即高度变化精度而非绝对读数。高性能BMP390相对精度±0.03 hPa，相当于±25厘米。

绝对精度指精确压力读数的最大误差。高性能BMP390绝对精度±0.50 hPa。相关规格：RMS噪声±0.02 hPa；温度系数偏移（25–40°C，900Pa）：±0.16 hPa/12个月；焊接漂移＜±0.8 hPa。

（焊接漂移虽少提但影响大。焊接器件至PCB产生温度梯度，引起机械应力包括弯曲，此应力改变MEMS传感器电学输出。）

导航应用

MEMS气压传感器可针对不同应用优化。如BMP390专为精准高程测量设计，分辨率可达10厘米以下高度变化。2mm×2mm×0.75mm封装易集成手机或手表。Bosch联合NextNav LLC（加州桑尼维尔）开发室内导航系统，利用BMP390提供室内Z轴定位分量，实现三维定位，满足增强型紧急呼叫（E911）需求。

紧急呼叫中绝对精度至关重要。假设住14楼，救援人员快速定位需精准的Z轴及X、Y信息。

为获最准绝对读数，须从考虑所在位置海拔的校准开始（如海边或山顶）。随后多因素影响绝对精度：压力与高度相关性随外部气压变化。对快速高度变化一般不显著，但若手机嵌入传感器固定位置10小时，环境压力可能变化，需引入外部校正信号。可通过传感器融合实现，结合惯性、磁力等多类传感器信息。

健身——压力感测

追踪健身计划仅需相对精度——关注高度变化而非绝对值。但环境因素对健身追踪器显著，尤其穿戴设备如智能手表，若要追踪游泳。

胶填充BMP384适用健身追踪，特别是恶劣环境（如水中）的高度变化或健身监测。

为在恶劣环境工作，感测机制及嵌入式ASIC须隔离。BMP384在膜片与外壳间涂覆胶层实现。需特殊工艺制备具备适宜力学热学性质的胶：须将压力传递给膜片且不阻碍弯曲；导热性足以保证宽温域工作；工作寿命内不硬化。

健身——人工智能

Bosch于CES 2021发布的BHI260AP MEMS传感器，设计集成于腕戴设备（智能手表、健康手环）或听戴设备。不仅含六自由度IMU（16位三轴加速度计+16位三轴陀螺仪），还集成32位用户可编程微控制器。硬件加自学习AI软件支持高阶健身设备。

游泳。 Bosch Sensortec为BHI260AP开发游泳追踪软件。利用IMU实时传感数据与浮点微控制器，提供原始传感数据并运行AI功能生成应用处理器可直接使用的相关结果。内置运动传感器自动判断用户开始游泳，无需动作。分类识别四种泳姿——仰泳、自由泳、蝶泳、蛙泳，记录划水数、圈数及圈间休息。

居家健身。 此“智能”传感器可训练为个人健身助手——识别追踪个人锻炼细节。预置15种健身活动，可上传更多。传感器能识别新动作并适配个人专属训练。通过学习用户行为，可识别数百种动作模式，不限于厂商预设。

每项运动提供详细即时反馈：活动类型、耗时、组数重复数等，转化为强度频率等具体信息。遵循预设计划时，可知距个人目标（减重、塑形、体能）进度。

高强度间歇训练中快速切换动作（如运动20-30秒，休息20-30秒），AI追踪器能自动可靠识别每次转换的新动作。

边缘处理。 数据处理嵌入传感器而非传输原始数据至云端中央处理器，优势多：传输大量数据耗电远超传输已计算出有效输出信号的功耗；本地处理器聚合数据定时传输而非持续传输，降低功耗，对续航关键；隐私保护：家庭用户及职业运动员不愿他人获取记录；快速运动中避免数据外发延迟，本地处理更实时。

总结

日益精密的MEMS传感器开发，使穿戴应用仅受设计师想象力限制。当前两大关键进展：Bosch BMP384胶填充气压传感器，高耐液体；BHI260AP集成IMU与边缘处理器运行AI应用。

本文由Bosch Sensortec首席执行官Dr. Stefan Finkbeiner撰写。更多信息请联系Constantin Schmauder：This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.，或访问here。