基于物聯網智能家居對MEMS傳感器可靠性技術現狀及發展方向的探究

霍大云　趙介軍　過峰

摘 要：針對目前國家基于物聯網智能家居MEMS傳感器可靠性標準的空白和MEMS傳感器可靠性研究不全面等問題，文中提供了一種研究思路：以具體智能家居為立足點，從MEMS傳感器實際工作環境出發，以傳感器讀取數據的真實性、微處理器數據處理的穩定性、微執行器信號轉換的準確性為參考條件，先后開展MEMS傳感器各工作單元和整體可靠性測試技術的研究。

關鍵詞：物聯網；智能家居；MEMS傳感器；可靠性

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，智能家居產業蓬勃發展。市場調研數據顯示，到2018年，智能家居市場規模將達1396億元[1]。傳感器處于整個智能家居的最底層，是數據采集的入口，智能家居的“五官”也將迎來巨大的發展空間。目前，智能家居中傳感器的應用趨勢是集成傳感器——微機電系統傳感器。微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）利用傳統的半導體工藝和材料，集微傳感器、微執行器、微機械機構、信號處理和控制電路、電子集成器件、接口、通信和電源等于一體 [2，3]。這種小體積、低成本、高集成、高智能的傳感系統是未來傳感器的發展方向，也是智能家居的核心。MEMS傳感器種類繁多，主要包括運動傳感器、壓力、麥克風、環境、光傳感器等，完全可以滿足智能家居的需求。

然而，隨著智能家居應用領域的日益廣泛，MEMS傳感器主要組成部件微傳感器、微執行器及微處理器的可靠性問題變得越來越突出。其中，可能導致智能家居領域MEMS傳感器失效的環境因素主要包括溫度變化、振動、潮濕、靜電放電等。

（1）溫度變化：微傳感器由不同的材料（金屬、半導體、聚合物）組成，由于這些材料的熱膨脹系數不同，不同材料的交界面因溫度變化會產生壓縮或拉伸應力，該應力又會導致不同材料界面處發生開裂和脫落[4]；

（2）潮濕：由于微執行器尺寸較小，表面積與體積相對較大，表面效應的影響不可忽略，例如，靜態微懸臂梁表面吸附水分子后，梁的上下表面將會產生應力差，從而導致懸臂梁發生彎曲[5]。

（3）靜電放電：由于微處理器特征尺寸越來越小，單個芯片上集成的晶體管數越來越多，所以受到電磁干擾和靜電放電影響后易產生間歇故障、軟錯誤和永久錯誤[6]。需要強調的是，傳感器因測試對象不同需做針對性的環境測試，如水壓傳感器——鹽霧腐蝕試驗，光傳感器——氙燈輻照試驗，真空傳感器——低氣壓試驗。

為了滿足智能家居在各種環境下以物聯網模式運行的需求，對MEMS傳感器進行整體可靠性評測尤為重要。本文從MEMS傳感器實際應用環境切入，利用先進的儀器設備模擬各種應用環境，探索構建相應的檢測技術方案、評價模型和綜合評價體系，對MEMS傳感器的質量改進具有一定的實際指導價值，進而推動智能家居產業質量水平的整體提升。

1 智能家居及MEMS傳感器可靠性標準研究現狀

（1）智能家居標準研究現狀

目前，大部分廠商都在做自己的產品，沒有統一的標準，給消費者帶來極大的困擾，也給企業帶來了經濟損失，同時也造成了資源浪費，對整個智能家居產業的發展極為不利[7]。小米創始人雷軍曾在2015年“兩會”上提出議案，希望盡快出臺智能家居領域的國家標準，我國需要加緊標準的制定，并將智能家居國家標準推向世界[8]。目前國際與國內智能家居標準制定的側重方向是硬件接口和軟件協議[9，10]，然而對智能家居MEMS傳感器可靠性的標準基本沒有研究。

（2）MEMS傳感器標準研究現狀

2017年6月，IEC TC47/SC47E（半導體分立器件標準化分技術委員會） 和 IEC TC47/SC47F（MEMS 標準化分技術委員會） 工作組會議及 MEMS 標準研討會在日本東京召開。大會指出 ，由于 MEMS 技術和產業的飛速發展，對于IEC 62047-1 和 IEC62047-4 這兩項標準，各成員國需要考慮增加新的技術內容以滿足行業需求。目前，在MEMS領域，我國牽頭制定的IEC62047-25： 2016已經發布，牽頭制定的三項 MEMS 國際標準經過本次會議討論將進入CD階段，未來我國應繼續關注 MEMS 技術領域的設計、工藝、材料、產品性能測試等方面的標準化工作，依然需要產學研用各方參與標準化的相關工作，引領產業發展[11]。

（3）MEMS傳感器可靠性研究現狀

MEMS技術是一門多學科跨行業的技術，產品結構復雜，主要包括微傳感器、微執行器和微處理器，而目前MEMS傳感器的可靠性研究主要集中在微執行器上，大多參照Martin P L[12]給出的機械系統中與環境有關的故障分布。文獻[13]分析了溫度、濕度、振動三綜合環境下微加速度計的懸臂梁失效機理；文獻[14]分析了在混合流動的氣體環境下MEMS麥克風薄膜結構的沖擊損傷；文獻[15]利用屏蔽、接地及濾波等技術改善了MEMS慣性測量系統的電磁兼容效果。

目前，智能家居領域MEMS傳感器的可靠性沒有統一的國家標準，并且MEMS傳感器的可靠性分析局限于研究MEMS傳感器微納材料和微納結構的失效機理，卻忽視了分析MEMS傳感器的核心功能數據處理、信息傳輸及信號轉換的失效機理?；谖锫摼W智能家居對MEMS傳感器的可靠性研究應以具體智能家居為基礎，從MEMS傳感器的實際工作環境出發，全面分析傳感器讀取數據的真實性、微處理器數據處理的穩定性以及微執行器信號轉換的準確性。

2 智能家居領域MEMS傳感器可靠性檢測內容構思

針對上述國家智能家居領域MEMS傳感器可靠性標準的空白和MEMS傳感器可靠性研究不全面等問題，本文以具體智能家居產品為落腳點，從MEMS傳感器的實際工作環境出發，全面分析傳感器讀取數據的真實性、微處理器數據處理的穩定性以及微執行器信號轉換的準確性。

（1）開展MEMS傳感器各工作單元可靠性測試技術和獨立評價方法的研究

基于物聯網智能家居對MEMS傳感器的可靠性質量評價的檢測技術，根據MEMS傳感器的實際工作環境，開展與“微傳感器數據讀取真實性”“微處理器數據處理穩定性”“微執行器信號轉換準確性”相應的多環境交替綜合模擬法（溫度、濕度、振動、沖擊、鹽霧、靜電放電等）檢測技術的研究，分析測試參數要求及測試手段，并建立相應的檢測技術及獨立評價方法，為研發、設計和生產加工MEMS傳感器提供科學的可靠性檢測技術及評價體系。

（2）開展MEMS傳感器整體可靠性測試技術及綜合評價模型的研究

根據（1）中的檢測技術和數據結果，對比參考現有質量標準中的技術要求，重點研究MEMS傳感器整體可靠性在相應典型環境中的檢測技術及評價方法。根據現有理論建立物理模型，統計、處理檢測數據結果，建立綜合指標參數評價模型。

3 智能家居領域MEMS傳感器可靠性檢測技術構思

（1）多環境交替綜合模擬法分立檢測MEMS傳感器各單元器件

圍繞MEMS傳感器的實際使用環境，合理選用多環境（溫度、濕度、鹽霧、振動等）交替綜合模擬法分立檢測MEMS傳感器各單元器件，分別統計數據，對比可靠性試驗前后各單元器件獨立運行參數（量程、靈敏度、重復性、穩定性、頻響范圍等），評定可靠性損傷程度。

（2）有針對性地分析MEMS傳感器各單元器件可靠性損傷和失效機制

從器件材料特性、電子運動和信息傳輸的角度出發，利用多種（物理、統計、經驗等）加速模型研究微傳感器，利用多節點分析法研究微執行器，利用評測指標MTTF法（Mean Time To Failure，MTTF）和FIT法（Failures In Time，FIT）研究微處理器，解釋各單元器件可靠性損傷和失效機制，如圖1所示。

（3）多環境交替綜合模擬法整體檢測MEMS傳感器

多環境交替綜合模擬法整體檢測MEMS傳感器示意圖如圖2所示。

4 結 語

智能家居對人類生活的幫助越來越大，同時人們對其依賴性也越來越強。MEMS傳感器的可靠性研究效果決定了人們對智能家居產品的信賴程度，也決定了智能家居產品的市場前景。本文根據MEMS傳感器的實際工作環境，選用多環境交替綜合模擬法檢測MEMS傳感器的可靠性，并先后以個體和整體MEMS傳感器（微傳感器、微執行器、微處理器）為研究對象，全面檢測MEMS傳感器的可靠性，從而更加客觀真實地模擬實際工作環境下MEMS傳感器的可靠性效果，為解決MEMS傳感器在材料選擇、結構設計、工藝制造和應用等環節中的可靠性評價提供技術支持。

參考文獻

[1] 佚名.智能家居市場規模2018年或將達到1 396億元[J].中國公共安全（學術版）， 2014（17）：24.

[2] FEYMAN R P. Theres plenty of room at the bottom[J].Engineering and Science， 1960，23（5）： 22-36.

[3] FUJITA H.Future of actuators and microsystems[J].Sensors & actuators A（ Physical），1996，56（1-2）：105-111.

[4] CHAMPION Y，BERNARD F，MILLOT N， et al. Surface adsorption effects on the lattice expansion of copper nanocrystals [J].Applied physics letters，2005，86（23）： 231914.

[5] PRASAD M，SAHULA V，KHANNA V K. Long-Term effects of relative humidity on the performance of ZnO-based MEMS acoustic sensors[J].Device & materials reliability IEEE transactions on device and materials reliability， 2014， 14（2）：778-780.

[6] 李曉維， 潘送軍， 胡瑜.微處理器可靠性評測方法及其系統：中國，ZL200910241575.1[P].2009.

[7] 歐陽婷梓.從智能家居萬象看標準催生[J].通信企業管理，2015 （6）：76-77.

[8] 雷軍.全國人大代表、小米董事長雷軍：加快制定智能家居國家標準[J].中國建設信息， 2015（6）：20-21.

[9] 孫杰賢.智能家居 無線組網之爭[J].中國信息化，2015（11）：39-41.

[10] KIM J E， BARTH T， BOULOS G，et al.Seamless integration of heterogeneous devices and access control in smart homes and its evaluation[C].International conference on intelligent environments. IEEE， 2012：206-213.

[11] 李錕.半導體傳感器和MEMS國際標準化進展[J].信息技術與標準化， 2017（8）： 12-14.

[12] MARTIN P L.電子故障分析手冊[M].張倫，等譯.北京：科學出版社，2005.

[13] 劉保林， 馬喜宏， 孟召麗. 微加速度計在溫度， 濕度， 振動三綜合環境下的失效機理分析[J].儀器儀表學報，2008，29（8）：102-104.

[14] LI J， BROAS M， RAAMI J， et al. Reliability assessment of a MEMS microphone under mixed flowing gas environment and shock impact loading[J].Microelectronics reliability，2014，54（6）：1228-1234.

[15] 張松，李杰，祝敬德，等.半捷聯MEMS慣性測量系統電磁干擾抑制技術研究[J].傳感技術學報，2013，26（10）：1370-1373.