基于物联网智能家居对MEMS传感器可靠性技术现状及发展方向的探究.docxVIP

基于物联网智能家居对MEMS传感器可靠性技术现状及发展方向的探究 　　摘 要：针对目前国家基于物联网智能家居MEMS传感器可靠性标准的空白和MEMS传感器可靠性研究不全面等问题，文中提供了一种研究思路：以具体智能家居为立足点，从MEMS传感器实际工作环境出发，以传感器读取数据的真实性、微处理器数据处理的稳定性、微执行器信号转换的准确性为参考条件，先后开展MEMS传感器各工作单元和整体可靠性测试技术的研究。　　关键词：物联网；智能家居；MEMS传感器；可靠性　　中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095--00-03　　0 引 言　　随着物联网技术的快速发展，智能家居产业蓬勃发展。市场调研数据显示，到2018年，智能家居市场规模将达1396亿元[1]。传感器处于整个智能家居的最底层，是数据采集的入口，智能家居的“五官”也将迎来巨大的发展空间。目前，智能家居中传感器的应用趋势是集成传感器――微机电系统传感器。微机电系统利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、电子集成器件、接口、通信和电源等于一体 [2，3]。这种小体积、低成本、高集成、高智能的传感系统是未来传感器的发展方向，也是智能家居的核心。MEMS传感器种类繁多，主要包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器等，完全可以满足智能家居的需求。　　然而，随着智能家居应用领域的日益广泛，MEMS传感器主要组成部件微传感器、微执行器及微处理器的可靠性问题变得越来越突出。其中，可能导致智能家居领域MEMS传感器失效的环境因素主要包括温度变化、振动、潮湿、静电放电等。　　温度变化：微传感器由不同的材料组成，由于这些材料的热膨胀系数不同，不同材料的交界面因温度变化会产生压缩或拉伸应力，该应力又会导致不同材料界面处发生开裂和脱落[4]；　　潮湿：由于微执行器尺寸较小，表面积与体积相对较大，表面效应的影响不可忽略，例如，静态微悬臂梁表面吸附水分子后，梁的上下表面将会产生应力差，从而导致悬臂梁发生弯曲[5]。　　静电放电：由于微处理器特征尺寸越来越小，单个芯片上集成的晶体管数越来越多，所以受到电磁干扰和静电放电影响后易产生间歇故障、软错误和永久错误[6]。需要强调的是，传感器因测试对象不同需做针对性的环境测试，如水压传感器――盐雾腐蚀试验，光传感器――氙灯辐照试验，真空传感器――低气压试验。　　为了满足智能家居在各种环境下以物联网模式运行的需求，对MEMS传感器进行整体可靠性评测尤为重要。本文从MEMS传感器实际应用环境切入，利用先进的仪器设备模拟各种应用环境，探索构建相应的检测技术方案、评价模型和综合评价体系，对MEMS传感器的质量改进具有一定的实际指导价值，进而推动智能家居产业质量水平的整体提升。　　1 智能家居及MEMS传感器可靠性标准研究现状　　智能家居标准研究现状　　目前，大部分厂商都在做自己的产品，没有统一的标准，给消费者带来极大的困扰，也给企业带来了经济损失，同时也造成了资源浪费，对整个智能家居产业的发展极为不利[7]。小米创始人雷军曾在XX年“两会”上提出议案，希望尽快出台智能家居领域的国家标准，我国需要加紧标准的制定，并将智能家居国家标准推向世界[8]。目前国际与国内智能家居标准制定的侧重方向是硬件接口和软件协议[9，10]，然而对智能家居MEMS传感器可靠性的标准基本没有研究。　　MEMS传感器标准研究现状　　XX年6月，IEC TC47/SC47E 和 IEC TC47/SC47F 工作组会议及 MEMS 标准研讨会在日本东京召开。大会指出 ，由于 MEMS 技术和产业的飞速发展，对于IEC 62047-1 和 IEC62047-4 这两项标准，各成员国需要考虑增加新的技术内容以满足行业需求。目前，在MEMS领域，我国牵头制定的IEC62047-25： XX已经发布，牵头制定的三项 MEMS 国际标准经过本次会议讨论将进入CD阶段，未来我国应继续关注 MEMS 技术领域的设计、工艺、材料、产品性能测试等方面的标准化工作，依然需要产学研用各方?⒂氡曜蓟?的相关工作，引领产业发展[11]。　　MEMS传感器可靠性研究现状　　MEMS技术是一门多学科跨行业的技术，产品结构复杂，主要包括微传感器、微执行器和微处理器，而目前MEMS传感器的可靠性研究主要集中在微执行器上，大多参照Martin P L[12]给出的机械系统中与环境有关的故障分布。文献[13]分析了温度、湿度、振动三综合环境下微加速度计的悬臂梁失效机理；文献[14]分析了在混合流动的气体环境下MEMS麦克风薄膜结构的冲击损伤；文献[15]利用屏蔽、接地及滤波等技术改善了MEMS惯性测量系统的电磁兼容效果。　　目前，智能家居领域