借助TMOS技术克服PIR传感器的局限性

July 11, 2024

Aimee Smith

发布于2024-07-11

引言

温度感应半导体金属氧化物 (TMOS) 技术正在悄然兴起，与已有几十年历史的被动红外 (PIR) 传感器技术相比，该技术在人员运动和存在检测方面有了很大的进步。此类传感器的核心是一个可检测热辐射的纳米级金属氧化物晶体管以及一个可检测人员运动、静止存在和温度的数字处理ASIC。由于功耗低、集成度高、体积小，基于TMOS技术的IR传感器非常适合物联网市场，包括智慧城市、智能家居和智能汽车等应用。

在本文中，我们将探讨TMOS技术如何在传统PIR传感器技术的基础上，利用对最小红外辐射的高精度可测量响应来实现人员运动/静止存在的感知。

隐身效应

隐身效应是PIR传感器一个长期存在的缺陷。那种在有人进入房间时会自动开启的运动感应灯，经常会在不恰当的时候突然熄灭。例如，自动衣柜灯会在你进入衣柜时亮起，开启30秒后自动熄灭，而此时的你可能还在衣柜里挑选鞋子。这是由PIR传感器只能检测人员运动的特性所造成的。如果视场 (FoV) 内没有人员运动，传感器就无法检测到人的存在，这就是所谓的隐身效应。

与PIR传感器相比，TMOS技术不仅能感知到进入或离开视场的运动，也能感知到人员的存在（图1）。而PIR传感器却无法检测到处于静止状态的人，因此会立即停止输出信号。这也正是TMOS技术的优势所在。

图1: PIR与TMOS在人员存在和运动检测方面的差异（图源：STMicroelectronics）

TMOS传感器提供两种内部算法或标志，分别称为“运动”和“存在”。“运动”标志与PIR传感器一样，都能检测到人员进入和离开视场。而“存在”标志则能检测到人是否仍在视场内。只要有人在视场内，TMOS就会检测到他们的存在，而不会停止输出信号。

数字TMOS技术包括一个ASIC，可将模拟信号转换为ASIC可处理的数字信号（图2）。

图2：ST的IR传感器框图，显示了ASIC如何将模拟信号转换为数字信号（图源：STMicroelectronics）

STHS34PF80传感器设计用于测量其视场范围内物体发出的红外辐射量，并在ASIC中对信号进行数字化处理和编程，进而检测运动、存在或过热状况。信号处理功能显著改善了信噪比 (SNR) 和非均匀性，减少了误报警，优化了功率。此外，该功能还支持自校准和自动操作，并且利用了巧妙的算法来优化和提高性能。

工作原理

STHS34PF80具有出色的灵敏度，无需Fresnel透镜即可检测4米以内的人员存在情况。此IR传感器采用智能数字算法，支持人员存在/运动和环境温度冲击检测。

此IR传感器通过在PRESENSE_THS和HYST_PRES寄存器中设置阈值来实现存在检测（图3）。在传感器的ASIC部分，TMOS传感元件的输出被送入低通滤波器LPF_P_M和LPF_P。芯片会跟踪这些低通滤波器的差值，并将其与通过软件设置的PRESENCE_THS和HYST_PRES阈值进行比较。当两个滤波信号的差值超过阈值时，将激活存在检测标志信号 (PRES_FLAG)。

图3：TMOS传感器中的存在检测算法（图源：STMicroelectronics）

除了“存在”算法，STHS34PF80还可以设置运动和环境温度变化阈值，并在超过阈值时向系统主控制器发出警报。

结语

温度感应半导体金属氧化物技术突破了传统被动红外传感器的局限性，在运动和存在检测领域掀起了一场技术革命。STHS34PF80是一种创新TMOS技术，它改变了包括智慧城市、智能家居和智能汽车在内的各种物联网 (IoT) 应用的游戏规则。凭借其先进的运动和存在检测算法，以及高灵敏度和高效的信号处理能力，TMOS可提供更强大、更可靠的传感解决方案。随着全球互联互通的加深，TMOS技术将在创造更智能、更安全、反应更灵敏的环境方面发挥至关重要的作用。