淺析MEMS傳感器在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用

張明珠 莊偉瑋 黃偉彬 余明松

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司/廣東中創(chuàng)智家科學(xué)研究有限公司 廣州 510663）

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多不同類型的家用產(chǎn)品連接到網(wǎng)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(dòng)的前提條件和必要條件，催生出大量新型智能家居應(yīng)用場(chǎng)景，如智能水杯、智能門鎖等。這些應(yīng)用對(duì)傳感器等器件的尺寸、功耗、價(jià)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(shù)介紹

MEMS（英文Microelectromechanical Systems，也稱“微機(jī)電系統(tǒng)”）是一種將微電子技術(shù)與機(jī)械工程技術(shù)融合到一起的工業(yè)技術(shù)，其最通用的形式為使用微型和納米制造技術(shù)制造的微型機(jī)電設(shè)備[1]。雖然MEMS使用許多與傳統(tǒng)相同的制造技術(shù)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(jī)電功能。正是這種機(jī)電功能使MEMS技術(shù)能夠用于實(shí)現(xiàn)最常見(jiàn)的MEMS設(shè)備類型，包括微型傳感器和執(zhí)行器。

在過(guò)去的20年里，世界各國(guó)的研發(fā)人員已經(jīng)針對(duì)大部分可行的傳感應(yīng)用開(kāi)發(fā)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(guān)MEMS傳感器類型的公開(kāi)報(bào)道案例包括：溫度傳感、壓力傳感、慣性力傳感、觸覺(jué)力傳感、化學(xué)和生物物種傳感、聲音傳感、磁場(chǎng)傳感、電磁波譜的幾個(gè)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(yōu)化的同時(shí)，MEMS傳感器的制造方法也在不斷地優(yōu)化降本，使其能夠以極低的成本水平進(jìn)行大批量生產(chǎn)。在這其中發(fā)揮最主要的是：MEMS利用了與IC行業(yè)相同的批量制造技術(shù)，使得每個(gè)MEMS可以類似于IC行業(yè)一樣組合數(shù)量每2年翻一番（即“摩爾定律”）和價(jià)格每?jī)赡隃p半。在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品數(shù)量不斷爆增的趨勢(shì)下，IPv6技術(shù)和成本不斷優(yōu)化的MEMS傳感器技術(shù)有機(jī)會(huì)成為IoT領(lǐng)域的主流。

迄今為止，這些MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器主要用于車輛以及娛樂(lè)和通信技術(shù)，以執(zhí)行特殊功能。然而，MEMS傳感器的未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏佣鄻踊鸵巳雱佟狹EMS傳感器已成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的關(guān)鍵組件。

未來(lái)的傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）在為我們的日常生活提供信息方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。從MEMS制造的問(wèn)題出發(fā)，我們介紹了典型的MEMS傳感器在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中的應(yīng)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(shì)發(fā)展在消耗方面，包括MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)、壓電微機(jī)械同軸換能器（PMUT）和MEMS能量收集在內(nèi)的MEMS組件被研究以輔助未來(lái)的傳感器，例如基于事件或幾乎零功率的傳感器。基于靈活性和接口被討論為另一個(gè)重要的開(kāi)發(fā)私奔，下一代可穿戴或多功能傳感器的趨勢(shì)，圍繞大數(shù)據(jù)和人機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)人類操縱的問(wèn)題，人工智能（AI）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)最終通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)及其波浪識(shí)別作為各種場(chǎng)景的未來(lái)趨勢(shì)。

隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步以滿足5G基礎(chǔ)設(shè)施下物聯(lián)網(wǎng)需求的需求不斷增加，傳統(tǒng)的MEMS傳感器正面臨著新一輪的進(jìn)化。

2 IoT/智能家居簡(jiǎn)介

IoT概念：物聯(lián)網(wǎng)(IoT)被定義為物理對(duì)象（即“事物”）及其互連通信網(wǎng)絡(luò)的集合，允許物理對(duì)象收集、存儲(chǔ)、處理和交換信息。重要的是，物理對(duì)象可以是在最普遍的形式中，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的世界[3]。此外，物理對(duì)象還可以對(duì)收集、處理和交換的信息做出決定，并采取行動(dòng)來(lái)控制物理對(duì)象及其嵌入的環(huán)境。使物理對(duì)象能夠參與物聯(lián)網(wǎng)的能力通常由不同類型的先進(jìn)技術(shù)組合而成，包括電子、傳感器、執(zhí)行器和軟件。這些能力要么是相互連接的到或集成到傳統(tǒng)產(chǎn)品和系統(tǒng)中，例如汽車、家用電器、暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）、消費(fèi)電子產(chǎn)品、娛樂(lè)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、運(yùn)動(dòng)和參與設(shè)備、商業(yè)樓宇控制、工業(yè)制造設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等。

IoT/智能家電的實(shí)現(xiàn)需要幾個(gè)重要的元素：

1）第一個(gè)是通信網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備（可能使用不同的操作系統(tǒng)）能夠相互通信。這個(gè)元素利用了現(xiàn)有的TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議套件。

2）第二個(gè)是現(xiàn)代集成電路中可用的巨大而廉價(jià)的信息存儲(chǔ)和處理能力。

3）第三種是廉價(jià)且不顯眼的設(shè)備，可以感應(yīng)和驅(qū)動(dòng)來(lái)控制事物和/或事物嵌入的環(huán)境，也即傳感器。可以感應(yīng)和驅(qū)動(dòng)的微型設(shè)備在半導(dǎo)體行業(yè)中通常稱為“MEMS”，它是“微機(jī)電系統(tǒng)”。MEMS是一種新興技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要推動(dòng)者。

3 MEMS傳感器特點(diǎn)與IoT/智能家電實(shí)際需求的完美結(jié)合/應(yīng)用

得益于MEMS傳感器的特點(diǎn)，MEMS傳感器與IoT/智能家電的某些細(xì)化模塊能完美結(jié)合[4]。如智能水杯、智能門鎖，其使用場(chǎng)景對(duì)傳感器的功耗、尺寸有嚴(yán)格要求。如智能開(kāi)關(guān)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀等使用量大的設(shè)備，則對(duì)傳感器的成本有嚴(yán)格要求。

1）IoT的發(fā)展要求把各個(gè)類型的事物連接到網(wǎng)上，包括智能水杯、智能門鎖等，這些應(yīng)用對(duì)傳感器等器件的尺寸、功耗、價(jià)格等有很高要求的場(chǎng)合。

①低功耗：物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)關(guān)通常需要無(wú)線和電池供電。由于單位成本低，更換整個(gè)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(huì)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。一些MEMS面臨與其較大的同類產(chǎn)品相同的功率要求。其他人利用電磁學(xué)或流體動(dòng)力學(xué)中的不同力來(lái)減少功率使用而不犧牲功能。

例如：考慮表面張力通過(guò)小管道輸送水的情況。

②小尺寸：用戶通常希望物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在辦公室和家庭環(huán)境中體積小且不顯眼。根據(jù)定義，MEMS并不引人注目。但除了用戶需求之外，在某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可能需要將設(shè)備添加到現(xiàn)有機(jī)器（例如汽車）中，而該機(jī)器對(duì)于更多硬件的空間有限。在可穿戴設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等其他情況下，小尺寸是必須滿足的關(guān)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(shí)，規(guī)模通常是一個(gè)主要問(wèn)題。例如，當(dāng)在農(nóng)田上放置傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)天氣和濕度水平時(shí)，每英畝都需要播種許多設(shè)備?；蛘呖紤]一個(gè)資產(chǎn)跟蹤解決方案，其中可能有大量（且可變）的資產(chǎn)需要跟蹤。在其他應(yīng)用中，例如運(yùn)輸，設(shè)備可能只是一次性使用。MEMS是通過(guò)一種稱為光刻的工藝制造的，這使得大規(guī)模生產(chǎn)它們變得容易且具有成本效益。

隨著越來(lái)越多的設(shè)備和應(yīng)用添加到物聯(lián)網(wǎng)，MEMS將成為更可行的解決方案。很高興看到這兩種技術(shù)將如何發(fā)展并相互影響。

2）IoT及傳感器的發(fā)展，要求把盡可能多的傳感器集成到一起。

舉例：你有沒(méi)有想過(guò)你的iPhone有多少個(gè)單獨(dú)的組件？有加速度計(jì)和陀螺儀來(lái)檢測(cè)手機(jī)的運(yùn)動(dòng)。有光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器來(lái)測(cè)量手機(jī)的環(huán)境。然后是用于連接的RFID、藍(lán)牙和WiFi傳感器，以及用于聲音的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器。大多數(shù)這些組件是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。MEMS設(shè)備是尺寸在1μm到1mm之間的機(jī)器。

3）MEMS設(shè)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(chuàng)新的理想領(lǐng)域。

4 MEMS傳感器的額外優(yōu)勢(shì)及在IoT/智能家電領(lǐng)域的應(yīng)用

如前文所述，MEMS除了是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)使能技術(shù)，因?yàn)镸EMS制造使小型、低成本、高性能的傳感器和執(zhí)行器成為可能[5]。此外，MEMS還具有其他獨(dú)特而重要的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的部署和發(fā)展非常有益和有影響的。

人類通過(guò)以下方式感知環(huán)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)。這些感知能力是數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化的結(jié)果，使人類能夠構(gòu)建技術(shù)相對(duì)先進(jìn)、安全、健康、舒適、和富裕的社會(huì)。雖然人類的感官已經(jīng)進(jìn)化到非常擅長(zhǎng)特定的功能能力，但與MEMS傳感器技術(shù)，例如，我們?cè)谌魏螘r(shí)刻可以關(guān)注的同時(shí)發(fā)生的事情的數(shù)量是有限的。也就是說(shuō)，當(dāng)面對(duì)同時(shí)監(jiān)控多個(gè)刺激時(shí)，人類很容易受到影響感覺(jué)超負(fù)荷。結(jié)果是一些重要的感覺(jué)信息可能被完全忽視或檢測(cè)得太晚而無(wú)法做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

另一方面，MEMS傳感器，特別是當(dāng)與巨大的信息處理能力相結(jié)合時(shí)，不會(huì)不堪重負(fù)，并且可以連續(xù)、同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境（和用戶）中的大量重要參數(shù)，而不會(huì)出現(xiàn)感覺(jué)過(guò)載的情況。這有助于營(yíng)造一個(gè)更安全、更高效和更有價(jià)值的環(huán)境。其次，雖然人類可以檢測(cè)到環(huán)境中某些參數(shù)的變化，但我們往往難以檢測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)參數(shù)的適度變化率。

相比之下，MEMS傳感器可以在短期和長(zhǎng)期內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)我們感興趣的參數(shù)，并分析收集到的數(shù)據(jù)，為用戶提供有關(guān)趨勢(shì)的信息，警告用戶發(fā)生異?；蛞馔馐录乐构收虾褪鹿?，防止活動(dòng)和服務(wù)的中斷和失敗，以及維持更高質(zhì)量和更安全的服務(wù)。

“冰箱中的氣味傳感器可以7×24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控所儲(chǔ)存食物的新鮮度，及時(shí)告知用戶對(duì)變質(zhì)的食物進(jìn)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(huì)錯(cuò)過(guò)環(huán)境中本來(lái)可以幫助我們的重要線索。相比之下，MEMS傳感器及其相關(guān)的強(qiáng)大處理能力可以不斷地與環(huán)境交換信息，從而提高我們對(duì)環(huán)境的情境意識(shí)和感知能力。例如，當(dāng)我們走進(jìn)當(dāng)?shù)丨h(huán)境時(shí)，MEMS傳感器可以通知或提醒我們?cè)摥h(huán)境中的機(jī)會(huì)和危險(xiǎn)，否則我們可能會(huì)忽略這些機(jī)會(huì)和危險(xiǎn)。

第四，大多數(shù)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(jué)獵犬的嗅覺(jué)靈敏度比人類高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，例如，獵犬的嗅覺(jué)是據(jù)稱億級(jí)別，如銀尖灰熊，嗅覺(jué)比獵犬還要靈敏七倍。另一方面，MEMS傳感器的靈敏度遠(yuǎn)高于任何人，甚至某些動(dòng)物，因此能夠檢測(cè)到比其他方式低得多的嗅覺(jué)參數(shù)或任何其他參數(shù)的水平。

第五，大多數(shù)例如，人耳（在與年齡相關(guān)的退化或與噪聲相關(guān)的聽(tīng)力損失之前）可以檢測(cè)到大約20～20000Hz頻帶內(nèi)的聲音，但我們大多聽(tīng)不到這個(gè)有限頻譜之外的任何聲音。然而，一些動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化能夠聽(tīng)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類帶寬范圍的聲波。例如，狗可以檢測(cè)到大約60～60000Hz以上的聲音。其他一些動(dòng)物的范圍甚至更大；海豚海洋動(dòng)物的范圍從大約75～150000Hz以上,蝙蝠有能力通過(guò)檢測(cè)和處理反射聲信號(hào)在大約10000Hz到超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)確定它們的相對(duì)位置200000Hz。同樣，雖然人眼可以在大約400～700nm的光學(xué)波長(zhǎng)范圍內(nèi)檢測(cè)到來(lái)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(shí)上，人類可見(jiàn)光譜的那部分只是電磁光譜的一小部分。一些動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化出在可見(jiàn)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(lái)自獵物的熱量（即），紅外信號(hào)）。北極馴鹿、蜜蜂和其他動(dòng)物具有在紫外線下看到的能力。使用其紫外線視覺(jué)的馴鹿有能力檢測(cè)到在400nm以上400nm波長(zhǎng)下幾乎不可見(jiàn)的狼。蜜蜂利用紫外線視覺(jué)在花朵中尋找花蜜。MEMS傳感器可以設(shè)計(jì)成具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類的動(dòng)態(tài)范圍，甚至可以排除播種。眾所周知，如果軸承剛好，旋轉(zhuǎn)機(jī)械會(huì)發(fā)出非常高頻的聲學(xué)信號(hào)。雖然人類聽(tīng)不到這種現(xiàn)象，但MEMS傳感器可以檢測(cè)到這些頻率的聲波并發(fā)出警報(bào)，以便提前檢查系統(tǒng)災(zāi)難性事件即將發(fā)生。此外，據(jù)報(bào)道，MEMS傳感器可以“看到”。

第六，人類對(duì)許多感興趣的參數(shù)沒(méi)有感知能力。例如：一些動(dòng)物，如鯊魚(yú)和海豚，可以檢測(cè)附近的變化電場(chǎng)，而沒(méi)有人有任何已知的能力來(lái)感知這個(gè)參數(shù)。相比之下，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾乎可以感知任何已知參數(shù)的MEMS傳感器和文獻(xiàn)中報(bào)道。

第七，人類甚至是訓(xùn)練有素的動(dòng)物都會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)在傳感任務(wù)中疲勞。然而，MEMS傳感器作為無(wú)生命的設(shè)備幾乎可以無(wú)限期地運(yùn)行而不會(huì)感到疲倦。顯然，這些是非常強(qiáng)大的好處，可以為物聯(lián)網(wǎng)提供比目前僅使用人類感官或大規(guī)模離散傳感器設(shè)備所能提供的功能更多的功能。

傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知物理世界的“神經(jīng)末梢”，與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相輔相成。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，勢(shì)必對(duì)傳感器的功能、工藝、用途等提出更高的要求，更具優(yōu)勢(shì)的MEMS傳感器將在物聯(lián)網(wǎng)智能家居領(lǐng)域大放異彩。