MEMS气压传感器的工作原理及在物联网中的应用

据麦姆斯咨询报道，气压传感器是一类非常有用的MEMS器件。它们在物联网（IoT）中有非常广泛的应用，从气象监测到室内资产跟踪。

压力传感器虽然不常被看见，但它们的影响无处不在。压力传感器有多种不同的应用，其中最常见的应用是气象监测。压力传感器现在已非常普遍。它现在可能就存在你的口袋里！是的，在你的手机里就有一个。你的手机使用压力传感器来协助跟踪，获取你的高度，并帮助跟踪计算。这些传感器的工业应用包括受控的实验室和制造环境。压力传感器对IoT应用非常有用，由于其低成本、低功耗和小尺寸，它们可以很容易地集成到任何系统中。

压力传感器的工作原理

MEMS（微机电系统）气压传感器的工作原理主要有两种。第一种原理是压电效应。压电材料可以产生电流。当它们受到外力的作用时，材料会产生形变，其内部会产生极化现象，在形变的两端出现正负等量的电荷，这个过程可以用两个不同的方程式来计算。首先，电流可以用来计算材料的形变程度，然后材料的形变可以用来计算外力大小，因此探测电流就可以计算出外力大小。当然，这些计算也可以反向执行。

第二种原理是静止系统的外力和为零。设想一个膨胀的气球，当这个气球的收缩力等于气球内外的压力差时，就确定了这个气球的大小。压力是施加在一定区域上的力，换句话说，气球周围的力是相等的。你可以通过将气球推入水中来迫使气球变小，因为在水下会有更大的外部压力。如果你爬上一座山，气球会变大，因为外部压力会变小。

这类MEMS压力传感器本质上是一个空气腔，其一侧带有类似气球的柔性材料。当传感器位于气压较高的区域（例如低谷）时，膜就会由于外界压力变大而被推向腔内。当传感器位于气压低的区域（例如山峰），膜会从腔体中凸出。在这层膜上附有敏感材料。传感器可以读取材料（形变）产生的电流变化，然后通过该电流读数计算出施加到膜上的压力。接下来，因为腔内的压力已知，那么传感器就可以计算出外部压力大小了。

IoT中的气压传感器

MEMS气压传感器因测量足够精确，可用于各种应用。其中之一是用于测量自行车的轮胎压力，并在压力变低时能发出通知。另一个应用案例是将MEMS气压传感器与湿度和温度传感器组合，“散布”于农田区域，这主要是为了帮助农民。该传感器套件可用于收集天气数据，这些数据经过高级机器学习算法可以极其准确地预测当地天气。天气分析除了农业，还有很多其它应用。例如，天气会影响空中和海上的旅行。如果知道何时会发生极端天气，可以对基础设施进行预防性保护。

气压传感器对跟踪非常有用。IoT解决方案开发和应用领先厂商Leverege的定位引擎可以从气压传感器获取数据以优化算法。除了能够根据相对气压区分建筑物的楼层之外，这些传感器还具有足够的响应能力来计算z向速度。

在一些GPS信号不佳的场所，例如商场或体育场馆中，许多地图和跟踪应用结合了航位推算算法。因此，根据最后得知的GPS位置，航位推算利用传感器确定的速度和航向信息可以计算出手机的位置。

气压传感器可以为航位推算提供大量垂直方向（z轴方向）的运动信息。如果知道任意时刻的z向速度，可以将计算简化成一个水平的系统。除了提供z向信息，如果传感器精度足够，它可以用于台阶探测。

气压传感器对IoT应用极其有用。它们的价值源于低成本、低功耗和小尺寸。作为一种附加价值，气压传感器很容易添加到任何IoT传感器套件中。它们对普通人的日常生活最主要的影响是其在气象监测和室内资产跟踪方面的应用。