以智能化為代表的家電行業(yè)發(fā)展引擎，正在推動(dòng)家電更新?lián)Q代頻次的提升，家電廠商如能抓住疫情機(jī)會(huì)合理?yè)Q擋，推出更有吸引力的新型智能化家電，將有助于在家電換代潮中取得先機(jī)。納芯微電子傳感器產(chǎn)品線總監(jiān)高洪連表示，作為家電智能化的基礎(chǔ)構(gòu)件，傳感器采集到的數(shù)據(jù)是智能化的前提，有了傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)，才有后面的智能化計(jì)算與處理。因此，家電智能化的第一步，就是用新型傳感器取代傳統(tǒng)傳感器，以應(yīng)對(duì)家電智能化、小型化（除電池、冰箱以外）與節(jié)能化的趨勢(shì)。
圍繞家電發(fā)展新趨勢(shì)，納芯微開發(fā)了多種新型傳感器方案，本文將以壓力傳感器和溫度傳感器為例，為大家介紹納芯微傳感器產(chǎn)品在家電廠商開發(fā)新型智能化家電中的應(yīng)用情況。
家電液位測(cè)量應(yīng)用中，MEMS壓力傳感器有哪些優(yōu)勢(shì)？
液位傳感器在家電上最典型的應(yīng)用即是洗衣機(jī)水位監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)洗衣機(jī)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)液位傳感器，其原理是采用LC振蕩來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，氣壓的變化對(duì)應(yīng)到膜片的形變，膜片形變會(huì)帶動(dòng)頂芯在彈簧上產(chǎn)生位移，最終輸出的是頻率信號(hào)。洗衣機(jī)上傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)液位傳感器的輸出，一般是十幾k到二十幾kHz的變化量。MEMS液位傳感器與傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器在設(shè)計(jì)上的區(qū)別，主要是將檢測(cè)頭結(jié)構(gòu)做了小型化，并集成校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)男盘?hào)調(diào)理電路，感應(yīng)頭從宏觀尺度上橡膠模的感應(yīng)，變成微觀尺度上MEMS硅膜片的變化。本質(zhì)上，MEMS測(cè)液位原理和久經(jīng)考驗(yàn)的傳統(tǒng)液位傳感器一樣，將液位的變化轉(zhuǎn)換為氣壓的變化并進(jìn)行測(cè)量，因此MEMS液位傳感器原理非常成熟，不存在原理性風(fēng)險(xiǎn)，能夠滿足家電行業(yè)規(guī)模應(yīng)用對(duì)新技術(shù)原理審慎要求。
相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械式液位傳感器，MEMS數(shù)字調(diào)理輸出傳感器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
首先，傳統(tǒng)方案生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)復(fù)雜，BOM零部件數(shù)量也比較多，安裝復(fù)雜，組裝好以后要對(duì)磁芯、電容等做匹配，裝配以后如果有頻偏，還需要二次調(diào)零，所以對(duì)裝配、安裝位置及角度都有要求，因此在整機(jī)裝配時(shí)有非常大的限制。但高洪連也表示，因?yàn)闅v史悠久，所以機(jī)械式傳感器全產(chǎn)業(yè)鏈比較成熟，行業(yè)配套已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，已經(jīng)為家電廠商所接受，使用存在慣性。
而MEMS方案采用芯片生產(chǎn)的邏輯，可以批量化生產(chǎn)和交付。校準(zhǔn)標(biāo)定過(guò)程都在芯片廠家完成，輸出方式也更靈活，除了兼容傳統(tǒng)頻率輸出，納芯微相應(yīng)產(chǎn)品還提供數(shù)字輸出、模擬輸出等選擇。通過(guò)對(duì)比可以看出，MEMS方案不僅在性能與技術(shù)上有大幅提升，在總擁有成本（TCO）上也頗具優(yōu)勢(shì)。
圖：納芯微MEMS氣壓式水位傳感器性能參數(shù)對(duì)比
從具體參數(shù)對(duì)比來(lái)看，在6kPa量程，納芯微NSP006GD1全量程精度偏差實(shí)測(cè)結(jié)果在2毫米以內(nèi)，機(jī)械式傳感器在中間水位可以做到5毫米左右測(cè)量誤差，而高水位和低水位測(cè)量誤差都會(huì)加大，大約在15毫米左右。與同類MEMS氣壓式水位傳感器芯片相比，納芯微NSP006GD1實(shí)測(cè)全溫區(qū)精度也顯著優(yōu)于美國(guó)、日本等同類公司產(chǎn)品。
在裝配與輸出特性上，納芯微系列產(chǎn)品也做了針對(duì)性優(yōu)化。納芯微產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)5.45mm直徑氣管，氣管結(jié)合的長(zhǎng)度有10mm，可以保證裝配后能有更好的拉拔力效果。該產(chǎn)品為DIP封裝，便于在PCB或模組里面直接安裝。此外，很多洗衣機(jī)主控板上會(huì)涂三防漆，納芯微產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮到這一點(diǎn)，可以滿足加工時(shí)后道涂漆工藝的要求。在輸出上，納芯微產(chǎn)品支持廠商目前需要的所有特性，包括模擬輸出、I2C數(shù)字輸出,以及兼容傳統(tǒng)的機(jī)械方案的頻率輸出。
吸塵器用壓力傳感器為什么要先標(biāo)定校準(zhǔn)？
除了測(cè)量液位，壓力傳感器在吸塵器領(lǐng)域也有非常多的應(yīng)用場(chǎng)景，例如地面材質(zhì)感知、塵袋滿度感知、濾網(wǎng)堵塞感知及抖塵功能。通過(guò)使用納芯微帶調(diào)理集成式表壓壓力傳感器NSP035GS2，可以實(shí)現(xiàn)吸塵器對(duì)地面材質(zhì)實(shí)時(shí)感知，從而能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)功率，節(jié)能降耗。
NSP035GS2可以使用傳統(tǒng)的模擬輸出，比如配置成0.5V至4.5V模擬電壓輸出；也可以配置為數(shù)字輸出，直接連接MCU的I2C接口。NSP035GS2集成了一個(gè)24位ADC，輸入量程可以覆蓋吸塵器的典型規(guī)格，比如35kPa的表壓規(guī)格，也支持正負(fù)壓力測(cè)試。模擬輸出則由12位DAC來(lái)完成。內(nèi)部集成溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
該系列傳感器封裝為7mm*7mm，氣嘴直徑3.15mm，長(zhǎng)度6mm，尺寸較小，安裝簡(jiǎn)單。與業(yè)界常見產(chǎn)品相比，NSP035GS2的主要優(yōu)勢(shì)之一是在出廠之前完成了壓力和溫度的校準(zhǔn)補(bǔ)償，吸塵器廠商在使用時(shí)可以直接將這顆產(chǎn)品視為一顆標(biāo)準(zhǔn)IC，不需要在組裝后再進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，相比不帶補(bǔ)償?shù)膯蜯EMS方案需要整機(jī)進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，導(dǎo)入氣壓傳感器給整機(jī)加工帶來(lái)的復(fù)雜度大幅度降低。此外，NSP035GS2除了應(yīng)用于吸塵器上，還可以應(yīng)用在智能按摩椅與智能血壓計(jì)上。
圖：納芯微家電表壓傳感器參數(shù)對(duì)比
如何設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間小于0.5秒的溫度探頭？
除了壓力傳感器，溫度也是傳感器在家電應(yīng)用中很大的一個(gè)門類。根據(jù)賽迪顧問(wèn)的數(shù)據(jù)，在2019年中國(guó)消費(fèi)電子應(yīng)用中，壓力傳感器出貨量占總傳感器出貨量的比例為13.7%，溫濕度為9.8%，所以掌握了壓力與溫濕度傳感器，至少就把握住家電（消費(fèi)電子的子類）五分之一的傳感器設(shè)計(jì)需求。
在溫度傳感器上，納芯微主推的是數(shù)字NTC溫度傳感器芯片NST1001。其工作原理為利用CMOS電路襯底上寄生二極管的PN結(jié)溫度效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，在芯片內(nèi)部進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償處理，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出。和傳統(tǒng)NTC相比，數(shù)字NTC有哪些優(yōu)勢(shì)？
首先，在寬溫區(qū)范圍內(nèi)（-50℃至150℃），數(shù)字NTC有更好的精度。因?yàn)閿?shù)字NTC采用標(biāo)準(zhǔn)IC工藝，產(chǎn)能及產(chǎn)品一致性都非常好。在溫度傳感器內(nèi)部，納芯微還做了溫度轉(zhuǎn)換和標(biāo)定工作，該系列還內(nèi)置濾波器，可以適應(yīng)比較惡劣的電磁環(huán)境。此外，作為溫度傳感器，自發(fā)熱高低會(huì)影響到測(cè)量精度，該系列產(chǎn)品功耗超低，相比傳統(tǒng)NTC產(chǎn)品，自熱效應(yīng)也非常低。
NST1001外圍應(yīng)用電路也比較簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)NTC接在模擬口上，以外接上拉電阻與下拉電阻的方式去做分壓，NST1001可以直接進(jìn)行替代，而且NST1001輸出是接到數(shù)字口，相比模擬NTC可以節(jié)省一個(gè)MCU的模擬口資源。
圖：基于D-NTC®技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器NST1001
相比熱敏電阻，CMOS溫度傳感器的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是響應(yīng)時(shí)間快。以NST1001為例，其響應(yīng)時(shí)間可以做到0.2秒，比普通NTC快很多，非常適合做成快速響應(yīng)溫度探頭。據(jù)高洪連介紹，快速響應(yīng)溫度探頭應(yīng)用場(chǎng)景很多，比如智能馬桶的水溫控制。中國(guó)家電協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)2017年智能馬桶銷量為420萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)35.5%。智能馬桶根據(jù)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)通常可分為三種，即儲(chǔ)水式、分體式和即熱式。根據(jù)奧維云網(wǎng)的數(shù)據(jù)，即熱式儲(chǔ)水智能馬桶有明顯的成長(zhǎng)性，正在快速成為主流。
即熱式馬桶對(duì)溫度傳感器要求較高，要求溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1秒，這樣才有可能滿足馬桶對(duì)水溫加熱閉環(huán)控制的需求。納芯微的產(chǎn)品在響應(yīng)時(shí)間上表現(xiàn)優(yōu)秀，已經(jīng)有客戶利用納芯微產(chǎn)品做出的溫度探頭應(yīng)用于智能馬桶中，τ63%響應(yīng)時(shí)間僅需0.35S。
圖：內(nèi)置NST1001的溫度探頭
綜上所述，新型傳感器將帶給家電更好的性能、更多的賣點(diǎn)，家電廠商在這一輪改善型家電替換浪潮中，一定要抓住智能化大趨勢(shì)，為用戶提供功能更多、體驗(yàn)更好的產(chǎn)品，才能在競(jìng)爭(zhēng)中取得先機(jī)。而元器件供應(yīng)商，也應(yīng)該與家電廠商密切合作，共同開發(fā)更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品。針對(duì)具體應(yīng)用把產(chǎn)品做到最優(yōu)化，是品牌廠商立足市場(chǎng)的取勝之鑰。從信號(hào)的感知、處理到輸出，納芯微在傳感器技術(shù)上都有非常成熟的產(chǎn)品、IP組合與技術(shù)積累，也有能力滿足大客戶的定制化需求。
