BME680 - новый датчик параметров среды от Bosch

Компания Bosh Sensortec в очередной раз порадовала разработчиков портативной электроники новым датчиком, а если быть точнее, то целым набором датчиков в едином корпусе. Микросхема BME680 предназначена для измерения параметров окружающей среды. Она позволяет определять не только такие привычные характеристики как давление, температура и влажность, но и оценивать качество воздуха. Если учесть, что данная микросхема отличается весьма компактными габаритами и скромным потреблением, то она может стать идеальным выбором для таких приложений как умные часы, фитнес-браслеты, шагомеры, смартфоны, навигаторы и многих других.

Рис. 1.	BME680 от Bosch Sensortec: интеграция, компактность и малое потребление.

В настоящий момент на рынке присутствует огромное количество датчиков различных параметров среды: давления, температуры, влажности, освещенности, качества воздуха. Подъем интереса к такого рода сенсорам связан в первую очередь с расцветом, так называемой, носимой электроники: умные часы, фитнес-браслеты, шагомеры и т. д. Объем выпуска подобных устройств уже сейчас колоссален и продолжает расти. Неудивительно, что производители датчиков ведут между собой жесткую борьбу. Их продукция конкурирует по трем основным показателям: уровню интеграции, уровню потребления, габаритным размерам.

Повышение уровня интеграции позволяет «упаковать» в один корпус сразу несколько сенсоров. Это достаточно сложная задача, так как не все сенсоры можно создать в рамках одного техпроцесса. Производителям зачастую приходится использовать не «системы на кристалле» (system on chip, SOC), а «системы в корпусе» (system in package, SIP), которые представляют собой сборки из нескольких интегральных микросхем. Данная технология не такая простая, как может показаться, и не многие производители способны выпускать крупные серии подобных сложных датчиков. В результате на рынке гораздо чаще можно встретить микросхемы с двумя или тремя интегральными сенсорами, например, температуры и давления.

При использовании SIP очень часто встает проблема габаритов. Это один из самых критичных параметров для современных компактных устройств, таких как, например, смартфоны, не говоря уже об умных часах и различных типах умных браслетов. В результате, чтобы предложить разработчикам электроники приемлемый вариант микросхемы, производителям приходится как следует потрудиться. У кого-то это получается лучше, у кого-то хуже. У компании Bosch Sensortec это получается очень хорошо, о чем свидетельствую характеристики новой микросхемы BME680.

BME680 – микросхема, включающая в себя сразу четыре сенсора, и позволяющая измерять давление, температуру, влажность и качество воздуха (Рис. 2). Главными преимуществами BME680 являются:

• четыре встроенных датчика;
• развитая система управления потреблением;
• сверхкомпактные габариты;
• программные алгоритмы BSEC (Bosch Software Environmental Cluster).

Рис. 2.	BME680 от Bosch Sensortec позволяет измерять давление, температуру, влажность и качество воздуха.

Начнем обзор новой микросхемы с рассмотрения встроенных датчиков.

Датчик температуры позволяет измерять температуру во всем рабочем диапазоне –40 …+85 °С. Абсолютная точность в диапазоне 0 …+65 °С составляет ±1 °С. Несмотря на 20-битное разрешение встроенного АЦП, на выходе пользователи получают данные с разрешением 0.01 °С, что связано с уровнем собственных шумов 0.005 °С. Потребление датчика составляет 1 мкА при частоте измерений 1 Гц.

Датчик давления имеет рабочий диапазон 300…1100 кПа с разрешением 0.18 Па. В диапазоне температур 0 …+65 °С сенсор характеризуется абсолютной погрешностью ±0.6 кПа.

Максимальная частота опроса датчика достигает 182 Гц. При частоте опроса 1 Гц типовое потребление составляет 3.1 мкА.

Не стоит забывать о таком негативном эффекте, как старение, которое для данного сенсора оказывается равным примерно ±1 кПа в год.

Датчик влажности работает в диапазоне 0…100% с абсолютной точностью ±3% (температура 0 …+65 °С) и разрешением 0.008%. При частоте опроса 1 Гц максимальное потребление для данного сенсора не превышает 2.8 мкА, а типовое равно 2.1 мкА. Старение для датчика составляет 0.5% в год.

Датчик качества воздуха – главная «изюминка» в рассматриваемом наборе сенсоров. BME680 имеет встроенный металло-оксидный датчик (Metal Oxide Semiconductor) органических летучих веществ (ЛОВ). Это датчик резистивного типа, сопротивление поверхности которого зависит от содержания в воздухе ЛОВ (этанол, ацетон, изопрен, продукты дыхания и т. д). Недостаток таких сенсоров заключается в необходимости дополнительного разогрева чувствительного элемента с помощью специального нагревателя, температура которого достигает нескольких сотен градусов. В частности в BME680 она составляет около 320 °С.

Сопротивление датчика измеряется, оцифровывается 20-битным АЦП и фильтруется. Естественно, что «сырая» информация о сопротивлении не очень удобна для использования. По этой причине Bosch Sensortec предоставляет программные алгоритмы BSEC (Bosch Software Environmental Cluster), которые преобразуют исходные данные в форму, удобную для дальнейшей обработки, а конкретно в баллы качества воздуха IAQ (Indoor air quality) (Рис. 3). BME680 работает с диапазоном IAQ 0…500 с разрешением 1. По предложенной таблице можно легко принять решение о необходимости проветривания, если речь идет о системе вентиляции, или просто предупредить пользователя, если микросхема BME680 установлена в умных часах.

Рис. 3.	С помощью BME680 можно легко оценить качество воздуха.

К сожалению, использование нагревателя приводит к тому, что датчик ЛОВ оказывается самым «прожорливым» среди встроенных сенсоров. Пиковый ток потребления нагревателя достигает 18 мА, а типовой 12 мА. Благодаря наличию режимов пониженного потребления удается значительно сэкономить ресурс батареи. Среднее потребление датчика в режиме «Ultra Low Power» составляет 90 мкА, 0.9 мА в режиме «Low Power» и 12 мА при периодическом опросе. Между собой режимы главным образом отличаются частотой опроса и, соответственно, временем отклика.

Несмотря на то, что в состав BME680 входит четыре датчика габариты микросхемы оказываются весьма компактными 3.0 × 3.0 × 1 мм (Рис. 4).

Рис. 4.	Габариты микросхемы BME680.

Для взаимодействия BME680 с управляющим микроконтроллером используется один из двух доступных интересов I²C или SPI (Рис. 5). Выводы питания ядра и портов ввода-вывода разделены: 1.2…3.6 В (V_DD) и 1.71…3.6 В (V_DDIO).Таким образом, хотя корпус имеет восемь выводов, для минимальной схемы включения будет использоваться только пять из них (если связь осуществляется по I²C).

Рис. 5.	Назначение выводов микросхемы BME680.

Подводя итог данному обзору, можно отметить, что BME680 в очередной раз подтверждает сильные позиции Bosh Sensortec в сегменте датчиков. Новая микросхема идеально подходит для носимой электроники, но будет востребована и в других приложениях: климат-контроль, навигаторы (альтиметр), датчики интернета вещей и т. д.

Технические характеристики BME680:

• Датчик ЛОВ: IAQ 0…500 с разрешением 1, потребление от 0.1 мА;
• Датчик влажности: 0…100 %, точность ±3%, время отклика 8 с;
• Датчик давления: диапазон 300…1100 кПа, точность ±0.6 кПа;
• Датчик температуры: диапазон измерений –40 … 85 °С, абсолютная точность ±1 °С;
• Потребление: 3.1 мкА температура/ давление при 1 Гц; 3.7 мкА температура/ давление/ влажность; 0.09…12 мА температура/ давление/ влажность/ воздух;
• Потребление в режиме сна: 0.15 мкА;
• Коммуникационные интерфейсы: I²C или SPI;
• Напряжение питания: 1.2…3.6 В (V_DD); 1.71…3.6 В (V_DDIO);
• Диапазон рабочих температур: –40 … 85 °С;
• Корпус: 8-выводный LGA размером 3.0 × 3.0 × 1 мм.

Посмотреть более подробно технические характеристики датчиков от Bosch