ウェアラブル技術向けMEMSセンサーの最新進展

MEMSセンサーは長い歴史がありますが、新しいアプリケーションへの市場要求が技術のアップグレードを推進しています。小型サイズ、高精度、信頼性の高さから、MEMSセンサーはウェアラブルデバイスに最適です。

例えば気圧センサーは、時計、フィットネスバンド、イヤホン、スマートフォンに組み込み、平地、傾斜、階段のいずれを歩いているかを検知するフィットネスパラメータをサポートするのに理想的です。標準的な二次元（X、Y）ナビゲーションデバイスに第三（Z）次元を追加します。実際、一部は非常に感度と精度が高く、緊急通報時に超高層ビルの何階にいるかを救助者に知らせることができます。Bosch Sensortecは、ウェアラブル市場向けに堅牢な気圧センサーBMP384を発表しました。ゲル充填パッケージで堅牢化されており、これは気圧センサーとしての革新です。これにより、水や様々な過酷な環境に耐性があります。また、サイズが小さい（2.0 × 2.0 × 1.0mm）ため、スマートフォン、ウェアラブル、ヒアラブルへの統合が容易です。

Boschはまた、自己学習AIセンサーBHI260APを発表しました。これは、多様な動きを含む個別のワークアウトルーチンを学習・追跡できます。耐水ケースを備えているため、水泳のラップ数、ストローク、休憩時間も追跡可能です。

MEMS気圧センサーの内部構造

Bosch BMPシリーズの圧力センサーのメカニズムは、シリコンダイ内の10～20ミクロン厚の膜です。膜には4つの圧電抵抗素子があり、圧力に応じて曲がると圧電抵抗素子の抵抗変化がブリッジ出力を変化させ、圧力信号を生成します。

これは実証済みの技術で、自動車市場で20年以上使用され、過酷な条件下でも非常に安定していることが証明されています。成功実績を持って消費者向け電子機器業界に参入しています。この市場への最新参入製品がBMP384モデルで、堅牢であるだけでなく、ゲル充填パッケージにより耐メディア性を備えています。

精度

相対精度は出力曲線の傾きの関数であり、絶対値ではなく高度変化の精度です。高性能Bosch BMP390では±0.03hPaで、これは±25cmに相当します。

絶対精度は、正確な圧力読み取り値の最大誤差の尺度です。高性能BMP390では±0.50hPaです。絶対精度に関連する他の仕様には、RMSノイズ：±0.02hPa、温度係数オフセット：（25℃～40℃、900Paにて）、12ヶ月安定性：±0.16hPa、はんだドリフト：<±0.8hPaが含まれます。

（はんだドリフトはあまり言及されませんが、重要な要因になり得ます。デバイスをプリント基板にはんだ付けすると温度勾配が生じ、曲げを含む機械的ストレスを引き起こす可能性があります。MEMSセンサーへのこの種のストレスは電気的出力の変化を招きます。）

ナビゲーション

MEMS気圧センサーは様々な用途に最適化できます。例えば、正確な高度測定向けに設計されたBMP390は、10cm未満の高さ変化を測定できる十分な分解能を持ちます。ケースサイズ2mm × 2mm × 0.75mmで、スマートフォンや時計への統合が容易です。BoschはNextNav LLC（カリフォルニア州サニーベール）と共同で、BMP390を用いて屋内Z軸位置成分を提供する屋内ナビゲーションシステムを開発しました。三次元位置特定とポジショニングが可能で、拡張緊急通報（E911）に十分な精度です。

緊急通報では絶対精度が重要です。例えば14階のアパートに住んでいる場合、救助隊が迅速に見つけられるよう、Z軸情報とX、Y軸情報のすべてが正確でなければなりません。

最も正確な絶対読み取りを得るには、例えば海辺か山頂かといった位置の高度を考慮したキャリブレーションから始める必要があります。その後、圧力センサーの絶対精度に影響を与えるいくつかの追加要因があります。例えば、外気圧の変化に伴い圧力と高度の相関が変化します。これは急激な高度変化では一般的に無視できますが、例えば埋め込みセンサー搭載のスマホが特定の場所に10時間留まっている場合、環境圧力はその期間で変化する可能性があります。したがって、外部補正信号を取り込む必要があります。これはセンサーフュージョンで達成でき、慣性センサーや磁気センサーなど、複数の異なるタイプのセンサーからの情報を組み合わせます。

フィットネス - 圧力センシング

ワークアウトルーチンの追跡には相対精度で十分です。高度の変化のみに関心があり、絶対値ではないからです。しかし、環境要因はフィットネストラッカー、特にウェアラブル（スマートウォッチなど）で重要です。特に水泳を追跡したい場合です。

ゲル充填型BMP384は、高度変化や水のような過酷な環境でのフィットネス追跡に使用できます。

センサーを過酷な環境で動作させるには、検知メカニズムと組み込みASICを隔離する必要があります。BMP384では、ダイヤフラムとケースの間にゲル層を適用することでこれを実現しています。適切な機械的・熱的特性を持つゲルを製造・適用するには特別なノウハウが必要です。ゲルは圧力を膜に伝達しながら、膜の曲がりを妨げない必要があります。また、センサーが広い温度範囲で動作できるよう十分に熱を伝導し、センサーの作動寿命を通じて硬化しない必要があります。

フィットネス - 人工知能

BoschがCES 2021で発表したBHI260AP MEMSセンサーは、スマートウォッチやフィットネスバンドなどのリストウェアラブル、ヒアラブルへの統合向けに設計されています。16ビット3軸加速度計と16ビット3軸ジャイロスコープを持つ6自由度IMUに加え、32ビットユーザー プログラマブル マイクロコントローラーを内蔵しています。このハードウェアと内蔵の自己学習AIソフトウェアの組み合わせが、非常に高度なフィットネスデバイスをサポートします。

水泳

Bosch SensortecはBHI260AP向けに水泳トラッキングソフトウェアを開発しました。IMUと浮動小数点マイクロコントローラーからのリアルタイムセンサーデータを使用し、生のセンサーデータの提供だけでなく、アプリケーションプロセッサが直接使用できる関連結果を生成するAI機能も実行できます。内蔵モーションセンサーが、スイマーのアクションを必要とせずに泳ぎ始めを検知します。その後、背泳ぎ、自由形、バタフライ、平泳ぎの4カテゴリからストロークタイプを分類し、ストローク数、ラップ数、ラップ間の休憩を記録します。

ホームワークアウト

この「スマート」センサーは、パーソナルアシスタントとしてホームワークアウトをサポートするよう学習できます。個人の運動ルーチンの詳細を認識・追跡します。15種類のフィットネスアクティビティがプリプログラムされていますが、追加アクティビティをアップロード可能です。

センサーは新しいエクササイズを認識し、ユーザー固有のワークアウトに適応できるほど賢いです。ユーザーの行動から学習することで、メーカーがプリプログラムしたものだけでなく、数百種類の異なる動きとパターンを認識できます。

各エクササイズについて、アクティビティタイプ、所要時間、必要なセット数と反復回数など、詳細で即時のフィードバックが得られます。これは運動の強度と頻度に関する具体的な情報に変換されます。ユーザーが定義済みワークアウトプランに従う場合、体重減少、引き締め、フィットネスレベルなどの個人目標への達成度を知らせられます。

20～30秒の運動と20～30秒の休憩を素早く切り替える高強度ワークアウトでは、AIトラッキングデバイスが一つの運動から次の運動への移行時に、各新しい運動を自動的かつ確実に認識できます。

エッジ処理

データ処理をセンサーに内蔵し、生データを中央プロセッサ（クラウドなど）に送信するのではなく、センサーで処理することにはいくつかの利点があります。第一に、大量の生データを送信するよりも、データを用いて有意な出力メッセージを計算済みの信号を送信する方がはるかに少ない電力で済みます。ローカルプロセッサがデータを集約し、継続的ではなく一定間隔で送信すれば、電力をさらに削減できます。これはバッテリー寿命最大化に特に重要です。プライバシーの問題もあります。家庭ユーザー、特にプロアスリートは、他者に記録へのアクセスを望みません。また、データを他所に送って処理することによるレイテンシなしで、迅速な動きをセンサーその場で処理できます。

まとめ

ますます高度化するMEMSセンサーの開発により、設計者の想像力によってのみ制限されるウェアラブル用途が可能になっています。現時点での主要な進展の二例は、液体に高耐性のBosch BMP384ゲル充填気圧センサーと、IMUとAIアプリケーション実行用エッジプロセッサを内蔵したBHI260APです。

本記事は、Bosch Sensortec（ドイツ・ロイトリンゲン）CEOのDr. Stefan Finkbeiner氏によって執筆されました。詳細については、Constantin Schmauder氏までお問い合わせください。