淺析MEMS傳感器在智能家居領域的應用

張明珠 莊偉瑋 黃偉彬 余明松

（威凱檢測技術有限公司/廣東中創智家科學研究有限公司 廣州 510663）

引言

隨著物聯網技術的發展，越來越多不同類型的家用產品連接到網上，并具備了感知外部世界和獲取外部信息的能力，形成智能活動的前提條件和必要條件，催生出大量新型智能家居應用場景，如智能水杯、智能門鎖等。這些應用對傳感器等器件的尺寸、功耗、價格等提出更高的要求，MEMS傳感器將成為更可行的解決方案。

1 MEMS傳感器技術介紹

MEMS（英文Microelectromechanical Systems，也稱“微機電系統”）是一種將微電子技術與機械工程技術融合到一起的工業技術，其最通用的形式為使用微型和納米制造技術制造的微型機電設備[1]。雖然MEMS使用許多與傳統相同的制造技術制造IC，但MEMS在功能上并非像IC那樣只有純粹的電子功能，而是普遍搭載了某種類型的機電功能。正是這種機電功能使MEMS技術能夠用于實現最常見的MEMS設備類型，包括微型傳感器和執行器。

在過去的20年里，世界各國的研發人員已經針對大部分可行的傳感應用開發出了大量的和各種形式的基于MEMS的傳感器。迄今為止收集到的有關MEMS傳感器類型的公開報道案例包括：溫度傳感、壓力傳感、慣性力傳感、觸覺力傳感、化學和生物物種傳感、聲音傳感、磁場傳感、電磁波譜的幾個波段中的輻射傳感、接近度傳感、液位傳感、流速傳感、地震傳感等等[2]。

在性能不斷優化的同時，MEMS傳感器的制造方法也在不斷地優化降本，使其能夠以極低的成本水平進行大批量生產。在這其中發揮最主要的是：MEMS利用了與IC行業相同的批量制造技術，使得每個MEMS可以類似于IC行業一樣組合數量每2年翻一番（即“摩爾定律”）和價格每兩年減半。在物聯網產品數量不斷爆增的趨勢下，IPv6技術和成本不斷優化的MEMS傳感器技術有機會成為IoT領域的主流。

迄今為止，這些MEMS（微機電系統）傳感器主要用于車輛以及娛樂和通信技術，以執行特殊功能。然而，MEMS傳感器的未來應用領域將更加多樣化和引人入勝——MEMS傳感器已成為物聯網(IoT)的關鍵組件。

未來的傳感器和微機電系統（MEMS）在為我們的日常生活提供信息方面發揮著越來越重要的作用。從MEMS制造的問題出發，我們介紹了典型的MEMS傳感器在物聯網（IoT）中的應用，如MEMS物理傳感器、MEMS聲傳感器、MEMS氣體傳感器。朝著智能化和低功耗的趨勢發展在消耗方面，包括MEMS/NEMS開關、壓電微機械同軸換能器（PMUT）和MEMS能量收集在內的MEMS組件被研究以輔助未來的傳感器，例如基于事件或幾乎零功率的傳感器?；陟`活性和接口被討論為另一個重要的開發私奔，下一代可穿戴或多功能傳感器的趨勢，圍繞大數據和人機實現對人類操縱的問題，人工智能（AI）和虛擬現實（VR）技術最終通過傳感器節點及其波浪識別作為各種場景的未來趨勢。

隨著傳感器技術的進步以滿足5G基礎設施下物聯網需求的需求不斷增加，傳統的MEMS傳感器正面臨著新一輪的進化。

2 IoT/智能家居簡介

IoT概念：物聯網(IoT)被定義為物理對象（即“事物”）及其互連通信網絡的集合，允許物理對象收集、存儲、處理和交換信息。重要的是，物理對象可以是在最普遍的形式中，物聯網是一個萬物互聯的世界[3]。此外，物理對象還可以對收集、處理和交換的信息做出決定，并采取行動來控制物理對象及其嵌入的環境。使物理對象能夠參與物聯網的能力通常由不同類型的先進技術組合而成，包括電子、傳感器、執行器和軟件。這些能力要么是相互連接的到或集成到傳統產品和系統中，例如汽車、家用電器、暖通空調系統（HVAC）、消費電子產品、娛樂系統、安全系統、發電機、醫療設備、運動和參與設備、商業樓宇控制、工業制造設備、健康監測設備等。

IoT/智能家電的實現需要幾個重要的元素：

1）第一個是通信網絡，使設備（可能使用不同的操作系統）能夠相互通信。這個元素利用了現有的TCP/IP互聯網標準協議套件。

2）第二個是現代集成電路中可用的巨大而廉價的信息存儲和處理能力。

3）第三種是廉價且不顯眼的設備，可以感應和驅動來控制事物和/或事物嵌入的環境，也即傳感器。可以感應和驅動的微型設備在半導體行業中通常稱為“MEMS”，它是“微機電系統”。MEMS是一種新興技術，是物聯網的重要推動者。

3 MEMS傳感器特點與IoT/智能家電實際需求的完美結合/應用

得益于MEMS傳感器的特點，MEMS傳感器與IoT/智能家電的某些細化模塊能完美結合[4]。如智能水杯、智能門鎖，其使用場景對傳感器的功耗、尺寸有嚴格要求。如智能開關、空氣質量監測儀等使用量大的設備，則對傳感器的成本有嚴格要求。

1）IoT的發展要求把各個類型的事物連接到網上，包括智能水杯、智能門鎖等，這些應用對傳感器等器件的尺寸、功耗、價格等有很高要求的場合。

①低功耗：物聯網傳感器和網關通常需要無線和電池供電。由于單位成本低，更換整個裝置通常比用新電池重新安裝更便宜。因此，任何功率使用的減少都會延長設備的使用壽命。一些MEMS面臨與其較大的同類產品相同的功率要求。其他人利用電磁學或流體動力學中的不同力來減少功率使用而不犧牲功能。

例如：考慮表面張力通過小管道輸送水的情況。

②小尺寸：用戶通常希望物聯網設備在辦公室和家庭環境中體積小且不顯眼。根據定義，MEMS并不引人注目。但除了用戶需求之外，在某些物聯網應用中，可能需要將設備添加到現有機器（例如汽車）中，而該機器對于更多硬件的空間有限。在可穿戴設備和生物醫學應用等其他情況下，小尺寸是必須滿足的關鍵要求。由于其體積小，MEMS滿足并超越了這些要求。

③成本效益：在部署IoT解決方案時，規模通常是一個主要問題。例如，當在農田上放置傳感器來監測天氣和濕度水平時，每英畝都需要播種許多設備?；蛘呖紤]一個資產跟蹤解決方案，其中可能有大量（且可變）的資產需要跟蹤。在其他應用中，例如運輸，設備可能只是一次性使用。MEMS是通過一種稱為光刻的工藝制造的，這使得大規模生產它們變得容易且具有成本效益。

隨著越來越多的設備和應用添加到物聯網，MEMS將成為更可行的解決方案。很高興看到這兩種技術將如何發展并相互影響。

2）IoT及傳感器的發展，要求把盡可能多的傳感器集成到一起。

舉例：你有沒有想過你的iPhone有多少個單獨的組件？有加速度計和陀螺儀來檢測手機的運動。有光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器來測量手機的環境。然后是用于連接的RFID、藍牙和WiFi傳感器，以及用于聲音的麥克風和揚聲器。大多數這些組件是微機電系統(MEMS)。MEMS設備是尺寸在1μm到1mm之間的機器。

3）MEMS設備的小尺寸、成本效益和低功耗要求使其成為IoT、傳感器硬件創新的理想領域。

4 MEMS傳感器的額外優勢及在IoT/智能家電領域的應用

如前文所述，MEMS除了是物聯網的一項使能技術，因為MEMS制造使小型、低成本、高性能的傳感器和執行器成為可能[5]。此外，MEMS還具有其他獨特而重要的優勢，這些優勢對物聯網的部署和發展非常有益和有影響的。

人類通過以下方式感知環境和世界并與之交互它們的主要感官。最常被提及的人類感官包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺。這些感知能力是數百萬年進化的結果，使人類能夠構建技術相對先進、安全、健康、舒適、和富裕的社會。雖然人類的感官已經進化到非常擅長特定的功能能力，但與MEMS傳感器技術，例如，我們在任何時刻可以關注的同時發生的事情的數量是有限的。也就是說，當面對同時監控多個刺激時，人類很容易受到影響感覺超負荷。結果是一些重要的感覺信息可能被完全忽視或檢測得太晚而無法做出適當的反應。

另一方面，MEMS傳感器，特別是當與巨大的信息處理能力相結合時，不會不堪重負，并且可以連續、同時監測環境（和用戶）中的大量重要參數，而不會出現感覺過載的情況。這有助于營造一個更安全、更高效和更有價值的環境。其次，雖然人類可以檢測到環境中某些參數的變化，但我們往往難以檢測較長時間段內參數的適度變化率。

相比之下，MEMS傳感器可以在短期和長期內持續監測我們感興趣的參數，并分析收集到的數據，為用戶提供有關趨勢的信息，警告用戶發生異?；蛞馔馐录?，防止故障和事故，防止活動和服務的中斷和失敗，以及維持更高質量和更安全的服務。

“冰箱中的氣味傳感器可以7×24 h實時監控所儲存食物的新鮮度，及時告知用戶對變質的食物進行處理。”

第三，人類感官可能受到可用的附加信息量（即超出感官提供的信息量）的限制。這意味著我們可能會錯過環境中本來可以幫助我們的重要線索。相比之下，MEMS傳感器及其相關的強大處理能力可以不斷地與環境交換信息，從而提高我們對環境的情境意識和感知能力。例如，當我們走進當地環境時，MEMS傳感器可以通知或提醒我們該環境中的機會和危險，否則我們可能會忽略這些機會和危險。

第四，大多數人類感官的靈敏度水平有限。人類的感知能力有限。眾所周知，嗅覺獵犬的嗅覺靈敏度比人類高幾個數量級，例如，獵犬的嗅覺是據稱億級別，如銀尖灰熊，嗅覺比獵犬還要靈敏七倍。另一方面，MEMS傳感器的靈敏度遠高于任何人，甚至某些動物，因此能夠檢測到比其他方式低得多的嗅覺參數或任何其他參數的水平。

第五，大多數例如，人耳（在與年齡相關的退化或與噪聲相關的聽力損失之前）可以檢測到大約20～20000Hz頻帶內的聲音，但我們大多聽不到這個有限頻譜之外的任何聲音。然而，一些動物已經進化能夠聽到遠遠超出人類帶寬范圍的聲波。例如，狗可以檢測到大約60～60000Hz以上的聲音。其他一些動物的范圍甚至更大；海豚海洋動物的范圍從大約75～150000Hz以上,蝙蝠有能力通過檢測和處理反射聲信號在大約10000Hz到超過動態范圍內確定它們的相對位置200000Hz。同樣，雖然人眼可以在大約400～700nm的光學波長范圍內檢測到來自物體的反射光，但我們看不到該范圍之外的任何東西，特別是在光譜的紅外或紫外部分以及其他電磁波段。事實上，人類可見光譜的那部分只是電磁光譜的一小部分。一些動物已經進化出在可見光以及紅外和紫外光譜中都能看到的能力。例如：蛇可以感知來自獵物的熱量（即），紅外信號）。北極馴鹿、蜜蜂和其他動物具有在紫外線下看到的能力。使用其紫外線視覺的馴鹿有能力檢測到在400nm以上400nm波長下幾乎不可見的狼。蜜蜂利用紫外線視覺在花朵中尋找花蜜。MEMS傳感器可以設計成具有遠遠超過人類的動態范圍，甚至可以排除播種。眾所周知，如果軸承剛好，旋轉機械會發出非常高頻的聲學信號。雖然人類聽不到這種現象，但MEMS傳感器可以檢測到這些頻率的聲波并發出警報，以便提前檢查系統災難性事件即將發生。此外，據報道，MEMS傳感器可以“看到”。

第六，人類對許多感興趣的參數沒有感知能力。例如：一些動物，如鯊魚和海豚，可以檢測附近的變化電場，而沒有人有任何已知的能力來感知這個參數。相比之下，已經開發出幾乎可以感知任何已知參數的MEMS傳感器和文獻中報道。

第七，人類甚至是訓練有素的動物都會在相對較短的時間內在傳感任務中疲勞。然而，MEMS傳感器作為無生命的設備幾乎可以無限期地運行而不會感到疲倦。顯然，這些是非常強大的好處，可以為物聯網提供比目前僅使用人類感官或大規模離散傳感器設備所能提供的功能更多的功能。

傳感器作為物聯網感知物理世界的“神經末梢”，與物聯網產業發展相輔相成。隨著物聯網產業的飛速發展，勢必對傳感器的功能、工藝、用途等提出更高的要求，更具優勢的MEMS傳感器將在物聯網智能家居領域大放異彩。