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

《物联网技术》杂志
2021-10-17 22:04
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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396亿元[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(MicroElectroMechanicalSystems, MEMS)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(金属、半导体、聚合物)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 2015 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

2017 年 6 月,IEC TC47/SC47E(半导体分立器件标准化分技术委员会)和 IEC TC47/SC47F(MEMS 标准化分技术委员会)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 :2016 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参与标准化的相关工作,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 PL[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 MEMS传感器的可靠性没有统一的国家标准,并且 MEMS传感器的可靠性分析局限于研究MEMS传感器微纳材料和微纳结构的失效机理,却忽视了分析 MEMS传感器的核心功能数据处理、信息传输及信号转换的失效机理。基于物联网智能家居对MEMS传感器的可靠性

2 智能家居领域 MEMS 传感器可靠性检测内容构思

针对上述国家智能家居领域 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,本文以具体 智能家居产品为落脚点,从 MEMS 传感器的实际工作环境出 发,全面分析传感器读取数据的真实性、微处理器数据处理 的稳定性以及微执行器信号转换的准确性。

(1)开展 MEMS 传感器各工作单元可靠性测试技术和独 立评价方法的研究

基于物联网智能家居对 MEMS 传感器的可靠性质量评价 的检测技术,根据 MEMS 传感器的实际工作环境,开展与“微 传感器数据读取真实性”“微处理器数据处理稳定性”“微执 行器信号转换准确性”相应的多环境交替综合模拟法(温度、 湿度、振动、冲击、盐雾、静电放电等)检测技术的研究,分 析测试参数要求及测试手段,并建立相应的检测技术及独立 评价方法,为研发、设计和生产加工 MEMS 传感器提供科学 的可靠性检测技术及评价体系。


(2)开展MEMS 传感器整体可靠性测试技术及综合评价模型的研究

根据(1)中的检测技术和数据结果,对比参考现有质量标准中的技术要求,重点研究 MEMS 传感器整体可靠性在相应典型环境中的检测技术及评价方法。根据现有理论建立物理模型,统计、处理检测数据结果,建立综合指标参数评价模型。

3 智能家居领域 MEMS 传感器可靠性检测技术构思

多环境交替综合模拟法分立检测 MEMS传感器各单元器件

围绕MEMS 传感器的实际使用环境,合理选用多环境(温度、湿度、盐雾、振动等)交替综合模拟法分立检测MEMS 传感器各单元器件,分别统计数据,对比可靠性试验前后各单元器件独立运行参数(量程、灵敏度、重复性、稳定性、频响范围等),评定可靠性损伤程度。

有针对性地分析 MEMS传感器各单元器件可靠性损伤和失效机制

从器件材料特性、电子运动和信息传输的角度出发,利用多种(物理、统计、经验等)加速模型研究微传感器,利用多节点分析法研究微执行器,利用评测指标 MTTF法(Mean Time To Failure,MTTF) 和 FIT 法 (Failures In Time,FIT) 研究微处理器,解释各单元器件可靠性损伤和失效机制,如图 1所示。

(3)多环境交替综合模拟法整体检测 MEMS 传感器

多环境交替综合模拟法整体检测 MEMS 传感器示意图 如图 2 所示。

4 结 语

智能家居对人类生活的帮助越来越大,同时人们对其依 赖性也越来越强。MEMS 传感器的可靠性研究效果决定了人 们对智能家居产品的信赖程度,也决定了智能家居产品的市场 前景。本文根据 MEMS 传感器的实际工作环境,选用多环境 交替综合模拟法检测 MEMS 传感器的可靠性,并先后以个体 和整体 MEMS 传感器(微传感器、微执行器、微处理器)为 研究对象,全面检测 MEMS 传感器的可靠性,从而更加客观 真实地模拟实际工作环境下 MEMS 传感器的可靠性效果,为 解决 MEMS 传感器在材料选择、结构设计、工艺制造和应用 等环节中的可靠性评价提供技术支持。



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