基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居對MEMS傳感器可靠性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)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(lián)網(wǎng)智能家居MEMS傳感器可靠性標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，從MEMS傳感器實(shí)際工作環(huán)境出發(fā)，以傳感器讀取數(shù)據(jù)的真實(shí)性、微處理器數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性、微執(zhí)行器信號轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)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(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；MEMS傳感器；可靠性

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

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，到2018年，智能家居市場規(guī)模將達(dá)1396億元[1]。傳感器處于整個(gè)智能家居的最底層，是數(shù)據(jù)采集的入口，智能家居的“五官”也將迎來巨大的發(fā)展空間。目前，智能家居中傳感器的應(yīng)用趨勢是集成傳感器——微機(jī)電系統(tǒng)傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械機(jī)構(gòu)、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(tǒng)是未來傳感器的發(fā)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(yùn)動(dòng)傳感器、壓力、麥克風(fēng)、環(huán)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(yīng)用領(lǐng)域的日益廣泛，MEMS傳感器主要組成部件微傳感器、微執(zhí)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(dǎo)致智能家居領(lǐng)域MEMS傳感器失效的環(huán)境因素主要包括溫度變化、振動(dòng)、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(dǎo)體、聚合物）組成，由于這些材料的熱膨脹系數(shù)不同，不同材料的交界面因溫度變化會產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力又會導(dǎo)致不同材料界面處發(fā)生開裂和脫落[4]；

（2）潮濕：由于微執(zhí)行器尺寸較小，表面積與體積相對較大，表面效應(yīng)的影響不可忽略，例如，靜態(tài)微懸臂梁表面吸附水分子后，梁的上下表面將會產(chǎn)生應(yīng)力差，從而導(dǎo)致懸臂梁發(fā)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(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)越來越多，所以受到電磁干擾和靜電放電影響后易產(chǎn)生間歇故障、軟錯(cuò)誤和永久錯(cuò)誤[6]。需要強(qiáng)調(diào)的是，傳感器因測試對象不同需做針對性的環(huán)境測試，如水壓傳感器——鹽霧腐蝕試驗(yàn)，光傳感器——氙燈輻照試驗(yàn)，真空傳感器——低氣壓試驗(yàn)。

為了滿足智能家居在各種環(huán)境下以物聯(lián)網(wǎng)模式運(yùn)行的需求，對MEMS傳感器進(jìn)行整體可靠性評測尤為重要。本文從MEMS傳感器實(shí)際應(yīng)用環(huán)境切入，利用先進(jìn)的儀器設(shè)備模擬各種應(yīng)用環(huán)境，探索構(gòu)建相應(yīng)的檢測技術(shù)方案、評價(jià)模型和綜合評價(jià)體系，對MEMS傳感器的質(zhì)量改進(jìn)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值，進(jìn)而推動(dòng)智能家居產(chǎn)業(yè)質(zhì)量水平的整體提升。

1 智能家居及MEMS傳感器可靠性標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

（1）智能家居標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

目前，大部分廠商都在做自己的產(chǎn)品，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給消費(fèi)者帶來極大的困擾，也給企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也造成了資源浪費(fèi)，對整個(gè)智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極為不利[7]。小米創(chuàng)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(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)，我國需要加緊標(biāo)準(zhǔn)的制定，并將智能家居國家標(biāo)準(zhǔn)推向世界[8]。目前國際與國內(nèi)智能家居標(biāo)準(zhǔn)制定的側(cè)重方向是硬件接口和軟件協(xié)議[9，10]，然而對智能家居MEMS傳感器可靠性的標(biāo)準(zhǔn)基本沒有研究。

（2）MEMS傳感器標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

2017年6月，IEC TC47/SC47E（半導(dǎo)體分立器件標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會） 和 IEC TC47/SC47F（MEMS 標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會） 工作組會議及 MEMS 標(biāo)準(zhǔn)研討會在日本東京召開。大會指出 ，由于 MEMS 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對于IEC 62047-1 和 IEC62047-4 這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，各成員國需要考慮增加新的技術(shù)內(nèi)容以滿足行業(yè)需求。目前，在MEMS領(lǐng)域，我國牽頭制定的IEC62047-25： 2016已經(jīng)發(fā)布，牽頭制定的三項(xiàng) MEMS 國際標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過本次會議討論將進(jìn)入CD階段，未來我國應(yīng)繼續(xù)關(guān)注 MEMS 技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、工藝、材料、產(chǎn)品性能測試等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作，依然需要產(chǎn)學(xué)研用各方參與標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)工作，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[11]。

（3）MEMS傳感器可靠性研究現(xiàn)狀

MEMS技術(shù)是一門多學(xué)科跨行業(yè)的技術(shù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括微傳感器、微執(zhí)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(zhí)行器上，大多參照Martin P L[12]給出的機(jī)械系統(tǒng)中與環(huán)境有關(guān)的故障分布。文獻(xiàn)[13]分析了溫度、濕度、振動(dòng)三綜合環(huán)境下微加速度計(jì)的懸臂梁失效機(jī)理；文獻(xiàn)[14]分析了在混合流動(dòng)的氣體環(huán)境下MEMS麥克風(fēng)薄膜結(jié)構(gòu)的沖擊損傷；文獻(xiàn)[15]利用屏蔽、接地及濾波等技術(shù)改善了MEMS慣性測量系統(tǒng)的電磁兼容效果。

目前，智能家居領(lǐng)域MEMS傳感器的可靠性沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)構(gòu)的失效機(jī)理，卻忽視了分析MEMS傳感器的核心功能數(shù)據(jù)處理、信息傳輸及信號轉(zhuǎn)換的失效機(jī)理?；谖锫?lián)網(wǎng)智能家居對MEMS傳感器的可靠性研究應(yīng)以具體智能家居為基礎(chǔ)，從MEMS傳感器的實(shí)際工作環(huán)境出發(fā)，全面分析傳感器讀取數(shù)據(jù)的真實(shí)性、微處理器數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性以及微執(zhí)行器信號轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

2 智能家居領(lǐng)域MEMS傳感器可靠性檢測內(nèi)容構(gòu)思

針對上述國家智能家居領(lǐng)域MEMS傳感器可靠性標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品為落腳點(diǎn)，從MEMS傳感器的實(shí)際工作環(huán)境出發(fā)，全面分析傳感器讀取數(shù)據(jù)的真實(shí)性、微處理器數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性以及微執(zhí)行器信號轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

（1）開展MEMS傳感器各工作單元可靠性測試技術(shù)和獨(dú)立評價(jià)方法的研究

基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居對MEMS傳感器的可靠性質(zhì)量評價(jià)的檢測技術(shù)，根據(jù)MEMS傳感器的實(shí)際工作環(huán)境，開展與“微傳感器數(shù)據(jù)讀取真實(shí)性”“微處理器數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定性”“微執(zhí)行器信號轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性”相應(yīng)的多環(huán)境交替綜合模擬法（溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、靜電放電等）檢測技術(shù)的研究，分析測試參數(shù)要求及測試手段，并建立相應(yīng)的檢測技術(shù)及獨(dú)立評價(jià)方法，為研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工MEMS傳感器提供科學(xué)的可靠性檢測技術(shù)及評價(jià)體系。

（2）開展MEMS傳感器整體可靠性測試技術(shù)及綜合評價(jià)模型的研究

根據(jù)（1）中的檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)果，對比參考現(xiàn)有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求，重點(diǎn)研究MEMS傳感器整體可靠性在相應(yīng)典型環(huán)境中的檢測技術(shù)及評價(jià)方法。根據(jù)現(xiàn)有理論建立物理模型，統(tǒng)計(jì)、處理檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，建立綜合指標(biāo)參數(shù)評價(jià)模型。

3 智能家居領(lǐng)域MEMS傳感器可靠性檢測技術(shù)構(gòu)思

（1）多環(huán)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(shí)際使用環(huán)境，合理選用多環(huán)境（溫度、濕度、鹽霧、振動(dòng)等）交替綜合模擬法分立檢測MEMS傳感器各單元器件，分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對比可靠性試驗(yàn)前后各單元器件獨(dú)立運(yùn)行參數(shù)（量程、靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)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(jī)制

從器件材料特性、電子運(yùn)動(dòng)和信息傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，利用多種（物理、統(tǒng)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)等）加速模型研究微傳感器，利用多節(jié)點(diǎn)分析法研究微執(zhí)行器，利用評測指標(biāo)MTTF法（Mean Time To Failure，MTTF）和FIT法（Failures In Time，F(xiàn)IT）研究微處理器，解釋各單元器件可靠性損傷和失效機(jī)制，如圖1所示。

（3）多環(huán)境交替綜合模擬法整體檢測MEMS傳感器

多環(huán)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(jié) 語

智能家居對人類生活的幫助越來越大，同時(shí)人們對其依賴性也越來越強(qiáng)。MEMS傳感器的可靠性研究效果決定了人們對智能家居產(chǎn)品的信賴程度，也決定了智能家居產(chǎn)品的市場前景。本文根據(jù)MEMS傳感器的實(shí)際工作環(huán)境，選用多環(huán)境交替綜合模擬法檢測MEMS傳感器的可靠性，并先后以個(gè)體和整體MEMS傳感器（微傳感器、微執(zhí)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(shí)地模擬實(shí)際工作環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造和應(yīng)用等環(huán)節(jié)中的可靠性評價(jià)提供技術(shù)支持。

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