想要家电更智能？选对传感器很关键！

近年来，我国家电市场已经趋近饱和。2019年，我国家电市场全渠道销售规模为8032亿元，同比下降2.2%，今年爆发的新型冠状病毒疫情，让家电销售行情雪上加霜。但这并不意味着家电行业前景黯淡，数据显示，2018年我国主要家电产品社会保有量分别是电冰箱4.4亿台、洗衣机4.3亿台、空调5.2亿台、热水器3.7亿台、吸油烟机2.5亿台。有大量已使用超10年的家电仍在运转，换新需求潜力巨大。中国家用电器协会推算，仅2020年度，预计将有1.6亿台家电产品达到安全使用年限。

以智能化为代表的家电行业发展引擎，正在推动家电更新换代频次的提升，家电厂商如能抓住疫情机会合理换挡，推出更有吸引力的新型智能化家电，将有助于在家电换代潮中取得先机。纳芯微电子传感器产品线总监高洪连表示，作为家电智能化的基础构件，传感器采集到的数据是智能化的前提，有了传感器采集来的数据，才有后面的智能化计算与处理。因此，家电智能化的第一步，就是用新型传感器取代传统传感器，以应对家电智能化、小型化（除电池、冰箱以外）与节能化的趋势。

围绕家电发展新趋势，纳芯微开发了多种新型传感器方案，本文将以压力传感器和温度传感器为例，为大家介绍纳芯微传感器产品在家电厂商开发新型智能化家电中的应用情况。

家电液位测量应用中，MEMS压力传感器有哪些优势？

液位传感器在家电上最典型的应用即是洗衣机水位监测。传统洗衣机采用机械结构液位传感器，其原理是采用LC振荡来实现测量，气压的变化对应到膜片的形变，膜片形变会带动顶芯在弹簧上产生位移，最终输出的是频率信号。洗衣机上传统机械结构液位传感器的输出，一般是十几k到二十几kHz的变化量。MEMS液位传感器与传统机械式传感器在设计上的区别，主要是将检测头结构做了小型化，并集成校准补偿的信号调理电路，感应头从宏观尺度上橡胶模的感应，变成微观尺度上MEMS硅膜片的变化。本质上，MEMS测液位原理和久经考验的传统液位传感器一样，将液位的变化转换为气压的变化并进行测量，因此MEMS液位传感器原理非常成熟，不存在原理性风险，能够满足家电行业规模应用对新技术原理审慎要求。

相对于传统机械式液位传感器，MEMS数字调理输出传感器的优势主要体现在如下几个方面：

首先，传统方案生产加工环节复杂，BOM零部件数量也比较多，安装复杂，组装好以后要对磁芯、电容等做匹配，装配以后如果有频偏，还需要二次调零，所以对装配、安装位置及角度都有要求，因此在整机装配时有非常大的限制。但高洪连也表示，因为历史悠久，所以机械式传感器全产业链比较成熟，行业配套已经高度标准化，已经为家电厂商所接受，使用存在惯性。

而MEMS方案采用芯片生产的逻辑，可以批量化生产和交付。校准标定过程都在芯片厂家完成，输出方式也更灵活，除了兼容传统频率输出，纳芯微相应产品还提供数字输出、模拟输出等选择。通过对比可以看出，MEMS方案不仅在性能与技术上有大幅提升，在总拥有成本（TCO）上也颇具优势。

图：纳芯微MEMS气压式水位传感器性能参数对比

从具体参数对比来看，在6kPa量程，纳芯微NSP006GD1全量程精度偏差实测结果在2毫米以内，机械式传感器在中间水位可以做到5毫米左右测量误差，而高水位和低水位测量误差都会加大，大约在15毫米左右。与同类MEMS气压式水位传感器芯片相比，纳芯微NSP006GD1实测全温区精度也显著优于美国、日本等同类公司产品。

在装配与输出特性上，纳芯微系列产品也做了针对性优化。纳芯微产品采用标准5.45mm直径气管，气管结合的长度有10mm，可以保证装配后能有更好的拉拔力效果。该产品为DIP封装，便于在PCB或模组里面直接安装。此外，很多洗衣机主控板上会涂三防漆，纳芯微产品在设计时也考虑到这一点，可以满足加工时后道涂漆工艺的要求。在输出上，纳芯微产品支持厂商目前需要的所有特性，包括模拟输出、I2C数字输出,以及兼容传统的机械方案的频率输出。

吸尘器用压力传感器为什么要先标定校准？

除了测量液位，压力传感器在吸尘器领域也有非常多的应用场景，例如地面材质感知、尘袋满度感知、滤网堵塞感知及抖尘功能。通过使用纳芯微带调理集成式表压压力传感器NSP035GS2，可以实现吸尘器对地面材质实时感知，从而能够动态调整电机功率，节能降耗。

NSP035GS2可以使用传统的模拟输出，比如配置成0.5V至4.5V模拟电压输出；也可以配置为数字输出，直接连接MCU的I2C接口。NSP035GS2集成了一个24位ADC，输入量程可以覆盖吸尘器的典型规格，比如35kPa的表压规格，也支持正负压力测试。模拟输出则由12位DAC来完成。内部集成温度传感器，可实现温度补偿。

该系列传感器封装为7mm*7mm，气嘴直径3.15mm，长度6mm，尺寸较小，安装简单。与业界常见产品相比，NSP035GS2的主要优势之一是在出厂之前完成了压力和温度的校准补偿，吸尘器厂商在使用时可以直接将这颗产品视为一颗标准IC，不需要在组装后再进行补偿校准，相比不带补偿的单MEMS方案需要整机进行压力和温度补偿，导入气压传感器给整机加工带来的复杂度大幅度降低。此外，NSP035GS2除了应用于吸尘器上，还可以应用在智能按摩椅与智能血压计上。

图：纳芯微家电表压传感器参数对比

如何设计响应时间小于0.5秒的温度探头？

除了压力传感器，温度也是传感器在家电应用中很大的一个门类。根据赛迪顾问的数据，在2019年中国消费电子应用中，压力传感器出货量占总传感器出货量的比例为13.7%，温湿度为9.8%，所以掌握了压力与温湿度传感器，至少就把握住家电（消费电子的子类）五分之一的传感器设计需求。

在温度传感器上，纳芯微主推的是数字NTC温度传感器芯片NST1001。其工作原理为利用CMOS电路衬底上寄生二极管的PN结温度效应来实现测温，在芯片内部进行校准补偿处理，并实现数字输出。和传统NTC相比，数字NTC有哪些优势？

首先，在宽温区范围内（-50℃至150℃），数字NTC有更好的精度。因为数字NTC采用标准IC工艺，产能及产品一致性都非常好。在温度传感器内部，纳芯微还做了温度转换和标定工作，该系列还内置滤波器，可以适应比较恶劣的电磁环境。此外，作为温度传感器，自发热高低会影响到测量精度，该系列产品功耗超低，相比传统NTC产品，自热效应也非常低。

NST1001外围应用电路也比较简单。传统NTC接在模拟口上，以外接上拉电阻与下拉电阻的方式去做分压，NST1001可以直接进行替代，而且NST1001输出是接到数字口，相比模拟NTC可以节省一个MCU的模拟口资源。

图：基于D-NTC®技术的数字温度传感器NST1001

相比热敏电阻，CMOS温度传感器的一个明显优势是响应时间快。以NST1001为例，其响应时间可以做到0.2秒，比普通NTC快很多，非常适合做成快速响应温度探头。据高洪连介绍，快速响应温度探头应用场景很多，比如智能马桶的水温控制。中国家电协会数据显示，国内2017年智能马桶销量为420万台，同比增长35.5%。智能马桶根据储水结构通常可分为三种，即储水式、分体式和即热式。根据奥维云网的数据，即热式储水智能马桶有明显的成长性，正在快速成为主流。

即热式马桶对温度传感器要求较高，要求温度传感器响应时间不超过1秒，这样才有可能满足马桶对水温加热闭环控制的需求。纳芯微的产品在响应时间上表现优秀，已经有客户利用纳芯微产品做出的温度探头应用于智能马桶中，τ63%响应时间仅需0.35S。

图：内置NST1001的温度探头

综上所述，新型传感器将带给家电更好的性能、更多的卖点，家电厂商在这一轮改善型家电替换浪潮中，一定要抓住智能化大趋势，为用户提供功能更多、体验更好的产品，才能在竞争中取得先机。而元器件供应商，也应该与家电厂商密切合作，共同开发更具创新性的产品。针对具体应用把产品做到最优化，是品牌厂商立足市场的取胜之钥。从信号的感知、处理到输出，纳芯微在传感器技术上都有非常成熟的产品、IP组合与技术积累，也有能力满足大客户的定制化需求。