非接觸遠距探測傳感器應用研究

龍克文

（1.三橋惠（佛山）新材料有限公司 佛山 528225；2.佛山市川東磁電股份有限公司 佛山 528513）

引言

2020年，注定是不平凡的一年。只是，因為新冠疫情肆虐及手機網絡的普及，讓民眾對病毒/細菌的接觸式傳播有了更深入的了解和切身的感受。在很長的一段時間，出入門禁均需要測量體溫，我們甚至不想用手直接按電梯。即便是洗手，我們也開始懷疑為什么需要用手去按把手或旋鈕開關。或許，人們從來沒有像現在這樣，對實現非接觸感知和操控有如此迫切的需求。

1 非接觸傳感器的多種類型

目前，實現非接觸探測的傳感器原理中，主要是磁電和電磁波技術。對所有的非接觸傳感器來說，實現遠距離探測是需要突破的行業共性技術，而傳感器陣列設計作為提升方式已在多種非接觸傳感器中運用。

1.1 非接觸磁電傳感技術

目前磁感應非接觸傳感技術主要是接近用途，即位移探測。對于非接觸磁性位移傳感器，要實現遠距離探測來說，需解決磁性元件和傳感2個方面的問題。一個是磁場隨距離增加會變弱，隨環境溫度的增高有不可逆的衰減，需解決如何確保磁性元件本身高磁能積、低衰減和寬溫域適應性問題，我們前期的研究表明多個廠家N35、N38、N40、N42強磁從接觸磁力4 000 Gs在距離增加到20 mm后不足50 Gs[1]。另一個是遠距離造成的弱磁信號，需提升弱磁探測度和靈敏度，涉及磁傳感技術的迭代。現有磁接近傳感普遍探測距離低于25 mm。第四代的TMR技術相較于舌簧管、霍爾、AMR/GMR有更高靈敏度、線性度和溫度穩定性，實現角度敏感及探測靈敏度[2]已不再需要考慮磁力線集聚或屏蔽問題。磁傳感器陣列設計也用于家電和倉儲領域的液位測量、電力領域的電流測量。

1.2 非接觸電磁波傳感技術

在電磁波領域，主要是紅外線（IR）、微波技術。應用較為廣泛一點的是紅外線（IR）光電技術。比如衛浴領域小便器用到的人體感應自動沖水系統，包括在工業自動化線上用于防止身體部分進入機加工腔體防止工傷的人感保護、或作為流水線產品自動計數。另外水質檢測、水位測量領域在洗碗機、洗衣機等家電產品中對水的污濁度、水位變化探測。微波傳感器技術一開始是基于紅外線（IR）需要單獨開窗、另設透鏡以及受潮濕環境影響和角度、盲區控制不好、難以遠距離寬視角探測而開始在衛浴領域推廣應用。近年來受益于ADAS輔助駕駛、緊急制動安全保護、自動駕駛等市場需求的拉動而出現了快速的技術迭代，目前汽車領域、無人機、勘探、消費電子、智慧交通燈管控領域均有積極采用毫米波技術方案。像奧迪A8車型已經采用8個毫米波傳感器，國產車型也已用到2個緊急制動安全保護毫米波傳感器。基于通信領域蓬勃發展帶來行業射頻芯片+算法的全面提升、微波天線+波束調控技術整合，在家用電器和衛浴領域能對30 ～120 cm遠距探測量程進行精準分段及探測角調控，加上位移、距離、駐留和多目標算法除噪等整體技術的大規模成熟應用，使得前期的研發成本得以在其他領域分攤及多領域應用后的性能調校帶來產品的一致性、可靠性保障，目前在衛浴領域不僅僅是日系、美系國際大品牌，在售價較高能承受一定成本的智能坐便器上也已經開始看到越來越多的國產品牌[3]。

2 電磁波方向非接觸傳感器的研究進展

2.1 衛浴領域紅外（IR）往微波的遠距探測技術

在小便器自動沖水系統中，人體站立覆蓋面大、軸向間距較小，基于技術成熟后成本上的優勢，有很大的推廣價值。但升級到智能坐便器時代，人們想避免彎腰俯身啟蓋帶來視覺（眼）嗅覺（鼻）上的對排泄物聯想的即視感、在觸覺上（手翻蓋）的臟污感、身體動作帶來彎腰俯身的不適感，及避免非就座誤判，就需要遠距感知和駐留算法角度定向（天線陣列波束調控）（見圖2）、上下蓋蓋操控的智能化傳感器產品，因紅外（IR）傳感在智能坐便用途的探測距離受限（見圖1）微波傳感器就應運而生。

傳感器陣列技術開始用于家用、車載空調感知密閉空間中單位人數，進而實現風量、風速和溫度的智能調控主要是基于節能的考慮。而進一步，在出風口、出風量的智能控制中，開始升級為面向人體感知的風向智能調控，以實現更好的人體舒適度和體驗升級。特別是，在細分定位的兒童空調市場，面向床位的傳感器陣列感知技術，能極大的減少大人需夜間起床照顧孩子踢被子所帶來的擔憂，降低精神壓力，提高家人睡眠質量。

2.2 紅外（IR）熱電堆遠距探測和陣列技術

圖1 紅外（IR）傳感在智能坐便用途的探測距離受限

基于塞貝克效應，利用maple和comsol模擬仿真，（如圖3（a））在芯片設計上重點研究了高紅外吸收率Si材料擇選及納米陣列[4]、熱偶長和對數、（1.5～6）μm的支撐膜厚和（500～700）nm吸收區厚來在探測、響應上提升性能。（如圖3（b））在工藝上重點考慮了MEMS設計與COMS兼容問題，（如圖3（c））在TO封裝上考慮溫度補償、FOV視場角調控來實現遠距探測靈敏度。

在遠距離探測上面，我們不僅在透鏡和封裝上進行研究，還增加了熱噪隔離、階梯擴散通孔、信噪抑制、多通道采樣等傳感器集成技術[5]。聯合開發微處理器非線性計算模型進行信號校正和自動控制實現數字化和智能化，通過數字濾波等信號處理幫助實現高精度高可靠測量，同時集成傳感工作狀態包括信號異常報警，傳感器故障自檢等功能，并采用微處理器數字總線（I2C或SPI）實現指令和信號的雙向傳輸，為后續多傳感融合數字輸出、整體合裝奠定基礎（如圖4）。量產后的性能參數見表1。生活中很多人機交互場所都采用了陣列排布，如手機UI界面、打字鍵盤、電梯樓層鍵等，為實現人機交互界面的按鍵式、觸摸式的非接觸操控，需要一個寬平面內陣列按鍵的單個指向性非接觸操控，這也是傳感器陣列感知技術融入人機交互市場的契合點。

圖2 微波傳感技術在智能坐便器領域的應用

圖3 MEMS熱電堆芯片設計、CMOS工藝兼容和TO封測

圖4 MCU芯片、PCBA模塊、陣列探測和MEMS傳感器模組集成

3 結語

在公共領域，人們通過定時器的時間預約功能實現了路燈開閉的自動控制，進而又升級了光敏傳感對環境光度的變化來實現“照亮黑暗”的功能照明控制。而當前，基于電磁波人體遠距感知傳感技術的成熟，再次升級實現了面向對象“人”的場景化“模式識別”智能。路燈可跟隨人們散漫的腳步逐一開閉營造情景，而室內夜景燈光感、人感無聲啟動弱光、情景照明，智能傳感開始“讓生活有品”。

表1 量產后的性能參數

傳感器陣列、多傳感融合的集成，以及軟件算法在人工智能加持后，人體的手勢、動作、位移和駐留等都能得到指向性的人體動作“模式識別”，非接觸模式的“人機交互”已經走入我們的生活。