非接触远距探测传感器应用研究

龙克文

（1.三桥惠（佛山）新材料有限公司 佛山 528225；2.佛山市川东磁电股份有限公司 佛山 528513）

引言

2020年，注定是不平凡的一年。只是，因为新冠疫情肆虐及手机网络的普及，让民众对病毒/细菌的接触式传播有了更深入的了解和切身的感受。在很长的一段时间，出入门禁均需要测量体温，我们甚至不想用手直接按电梯。即便是洗手，我们也开始怀疑为什么需要用手去按把手或旋钮开关。或许，人们从来没有像现在这样，对实现非接触感知和操控有如此迫切的需求。

1 非接触传感器的多种类型

目前，实现非接触探测的传感器原理中，主要是磁电和电磁波技术。对所有的非接触传感器来说，实现远距离探测是需要突破的行业共性技术，而传感器阵列设计作为提升方式已在多种非接触传感器中运用。

1.1 非接触磁电传感技术

目前磁感应非接触传感技术主要是接近用途，即位移探测。对于非接触磁性位移传感器，要实现远距离探测来说，需解决磁性元件和传感2个方面的问题。一个是磁场随距离增加会变弱，随环境温度的增高有不可逆的衰减，需解决如何确保磁性元件本身高磁能积、低衰减和宽温域适应性问题，我们前期的研究表明多个厂家N35、N38、N40、N42强磁从接触磁力4 000 Gs在距离增加到20 mm后不足50 Gs[1]。另一个是远距离造成的弱磁信号，需提升弱磁探测度和灵敏度，涉及磁传感技术的迭代。现有磁接近传感普遍探测距离低于25 mm。第四代的TMR技术相较于舌簧管、霍尔、AMR/GMR有更高灵敏度、线性度和温度稳定性，实现角度敏感及探测灵敏度[2]已不再需要考虑磁力线集聚或屏蔽问题。磁传感器阵列设计也用于家电和仓储领域的液位测量、电力领域的电流测量。

1.2 非接触电磁波传感技术

在电磁波领域，主要是红外线（IR）、微波技术。应用较为广泛一点的是红外线（IR）光电技术。比如卫浴领域小便器用到的人体感应自动冲水系统，包括在工业自动化线上用于防止身体部分进入机加工腔体防止工伤的人感保护、或作为流水线产品自动计数。另外水质检测、水位测量领域在洗碗机、洗衣机等家电产品中对水的污浊度、水位变化探测。微波传感器技术一开始是基于红外线（IR）需要单独开窗、另设透镜以及受潮湿环境影响和角度、盲区控制不好、难以远距离宽视角探测而开始在卫浴领域推广应用。近年来受益于ADAS辅助驾驶、紧急制动安全保护、自动驾驶等市场需求的拉动而出现了快速的技术迭代，目前汽车领域、无人机、勘探、消费电子、智慧交通灯管控领域均有积极采用毫米波技术方案。像奥迪A8车型已经采用8个毫米波传感器，国产车型也已用到2个紧急制动安全保护毫米波传感器。基于通信领域蓬勃发展带来行业射频芯片+算法的全面提升、微波天线+波束调控技术整合，在家用电器和卫浴领域能对30 ～120 cm远距探测量程进行精准分段及探测角调控，加上位移、距离、驻留和多目标算法除噪等整体技术的大规模成熟应用，使得前期的研发成本得以在其他领域分摊及多领域应用后的性能调校带来产品的一致性、可靠性保障，目前在卫浴领域不仅仅是日系、美系国际大品牌，在售价较高能承受一定成本的智能坐便器上也已经开始看到越来越多的国产品牌[3]。

2 电磁波方向非接触传感器的研究进展

2.1 卫浴领域红外（IR）往微波的远距探测技术

在小便器自动冲水系统中，人体站立覆盖面大、轴向间距较小，基于技术成熟后成本上的优势，有很大的推广价值。但升级到智能坐便器时代，人们想避免弯腰俯身启盖带来视觉（眼）嗅觉（鼻）上的对排泄物联想的即视感、在触觉上（手翻盖）的脏污感、身体动作带来弯腰俯身的不适感，及避免非就座误判，就需要远距感知和驻留算法角度定向（天线阵列波束调控）（见图2）、上下盖盖操控的智能化传感器产品，因红外（IR）传感在智能坐便用途的探测距离受限（见图1）微波传感器就应运而生。

传感器阵列技术开始用于家用、车载空调感知密闭空间中单位人数，进而实现风量、风速和温度的智能调控主要是基于节能的考虑。而进一步，在出风口、出风量的智能控制中，开始升级为面向人体感知的风向智能调控，以实现更好的人体舒适度和体验升级。特别是，在细分定位的儿童空调市场，面向床位的传感器阵列感知技术，能极大的减少大人需夜间起床照顾孩子踢被子所带来的担忧，降低精神压力，提高家人睡眠质量。

2.2 红外（IR）热电堆远距探测和阵列技术

图1 红外（IR）传感在智能坐便用途的探测距离受限

基于塞贝克效应，利用maple和comsol模拟仿真，（如图3（a））在芯片设计上重点研究了高红外吸收率Si材料择选及纳米阵列[4]、热偶长和对数、（1.5～6）μm的支撑膜厚和（500～700）nm吸收区厚来在探测、响应上提升性能。（如图3（b））在工艺上重点考虑了MEMS设计与COMS兼容问题，（如图3（c））在TO封装上考虑温度补偿、FOV视场角调控来实现远距探测灵敏度。

在远距离探测上面，我们不仅在透镜和封装上进行研究，还增加了热噪隔离、阶梯扩散通孔、信噪抑制、多通道采样等传感器集成技术[5]。联合开发微处理器非线性计算模型进行信号校正和自动控制实现数字化和智能化，通过数字滤波等信号处理帮助实现高精度高可靠测量，同时集成传感工作状态包括信号异常报警，传感器故障自检等功能，并采用微处理器数字总线（I2C或SPI）实现指令和信号的双向传输，为后续多传感融合数字输出、整体合装奠定基础（如图4）。量产后的性能参数见表1。生活中很多人机交互场所都采用了阵列排布，如手机UI界面、打字键盘、电梯楼层键等，为实现人机交互界面的按键式、触摸式的非接触操控，需要一个宽平面内阵列按键的单个指向性非接触操控，这也是传感器阵列感知技术融入人机交互市场的契合点。

图2 微波传感技术在智能坐便器领域的应用

图3 MEMS热电堆芯片设计、CMOS工艺兼容和TO封测

图4 MCU芯片、PCBA模块、阵列探测和MEMS传感器模组集成

3 结语

在公共领域，人们通过定时器的时间预约功能实现了路灯开闭的自动控制，进而又升级了光敏传感对环境光度的变化来实现“照亮黑暗”的功能照明控制。而当前，基于电磁波人体远距感知传感技术的成熟，再次升级实现了面向对象“人”的场景化“模式识别”智能。路灯可跟随人们散漫的脚步逐一开闭营造情景，而室内夜景灯光感、人感无声启动弱光、情景照明，智能传感开始“让生活有品”。

表1 量产后的性能参数

传感器阵列、多传感融合的集成，以及软件算法在人工智能加持后，人体的手势、动作、位移和驻留等都能得到指向性的人体动作“模式识别”，非接触模式的“人机交互”已经走入我们的生活。