基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居對(duì)MEMS傳感器可靠性技術(shù) 現(xiàn)狀及發(fā)展方向的探究

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(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，到 2018 年，智能家居市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)396億元[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(lái)巨大的發(fā)展空間。目前，智能家居中傳感器的應(yīng)用趨勢(shì)是集成傳感器微機(jī)電系統(tǒng)傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystems， 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(hào)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(lái)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(wèn)題變得越來(lái)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。

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(huì)產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力又會(huì)導(dǎo)致不同材料界面處發(fā)生開(kāi)裂和脫落 [4] ；

潮濕 ：由于微執(zhí)行器尺寸較小，表面積與體積相對(duì)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力差，從而導(dǎo)致懸臂梁發(fā)生彎曲[5]。

靜電放電：由于微處理器特征尺寸越來(lái)越小，單個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)越來(lái)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(cè)試對(duì)象不同需做針對(duì)性的環(huán)境測(cè)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(duì)MEMS 傳感器進(jìn)行整體可靠性評(píng)測(cè)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(cè)技術(shù)方案、評(píng)價(jià)模型和綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)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

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(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， 給消費(fèi)者帶來(lái)極大的困擾，也給企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也造成了資源浪費(fèi)，對(duì)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(huì) 上提出議案，希望盡快出臺(tái)智能家居領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)需要加緊標(biāo)準(zhǔn)的制定，并將智能家居國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推向世界 [8]。目前國(guó)際與國(guó)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(duì)智能家居MEMS 傳感器可靠性的標(biāo)準(zhǔn)基本沒(méi)有研究。

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(huì)）和 IEC TC47/SC47F（MEMS 標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì)）工作組會(huì)議及 MEMS 標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)在日本東京召開(kāi)。大會(huì)指出 ，由于 MEMS 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于IEC 62047- 1 和 IEC62047-4 這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，各成員國(guó)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(guó)牽頭制定的IEC62047-25 ：2016 已經(jīng)發(fā)布，牽頭制定的三項(xiàng) MEMS 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)本次會(huì)議討論將進(jìn)入CD 階段，未來(lái)我國(guó)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(cè)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]。

MEMS傳感器可靠性研究現(xiàn)狀

MEMS 技術(shù)是一門(mén)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 PL[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(cè)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(méi)有統(tǒng)一的國(guó)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(hào)轉(zhuǎn)換的失效機(jī)理?；谖锫?lián)網(wǎng)智能家居對(duì)MEMS傳感器的可靠性

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

針對(duì)上述國(guó)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(wèn)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(hào)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

（1）開(kāi)展 MEMS 傳感器各工作單元可靠性測(cè)試技術(shù)和獨(dú) 立評(píng)價(jià)方法的研究

基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居對(duì) MEMS 傳感器的可靠性質(zhì)量評(píng)價(jià) 的檢測(cè)技術(shù)，根據(jù) MEMS 傳感器的實(shí)際工作環(huán)境，開(kāi)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(hào)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(cè)技術(shù)的研究，分 析測(cè)試參數(shù)要求及測(cè)試手段，并建立相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)及獨(dú)立 評(píng)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(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)體系。

（2）開(kāi)展MEMS 傳感器整體可靠性測(cè)試技術(shù)及綜合評(píng)價(jià)模型的研究

根據(jù)（1）中的檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)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(cè)技術(shù)及評(píng)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(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，建立綜合指標(biāo)參數(shù)評(píng)價(jià)模型。

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

多環(huán)境交替綜合模擬法分立檢測(cè) 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(cè)MEMS 傳感器各單元器件，分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)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(píng)定可靠性損傷程度。

有針對(duì)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(píng)測(cè)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(cè) MEMS 傳感器

多環(huán)境交替綜合模擬法整體檢測(cè) MEMS 傳感器示意圖 如圖 2 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能家居對(duì)人類生活的幫助越來(lái)越大，同時(shí)人們對(duì)其依 賴性也越來(lái)越強(qiáng)。MEMS 傳感器的可靠性研究效果決定了人 們對(duì)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(chǎng) 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(cè) 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(duì)象，全面檢測(cè) 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(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。