物联网传感器可靠性测试与评价标准的构建★

过峰，赵介军，聂义

（江苏出入境检验检疫局，江苏 无锡 214174）

0 引言

近年来，随着物联网技术的不断发展，传感器在种类上已由过去的少数品种扩展到光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏和生物敏传感器等各种类型。随着技术的发展，新型传感器也正向着智能化、小型化、集成化和多功能化等方向发展。传感器已在国防、工业、物流、零售、医疗和家居等各行各业的各个领域中被广泛地推广使用。

在物联网技术不断地发展与应用的需求下，我国乃至世界的传感器产业迎来了重要的发展机遇。据国外咨询公司Gartner预测，我国传感器的市场需求将远超欧美，到2020年连接设备的总量将达到208亿。有预计称， “十三五”期间，中国传感器市场的年均复合增长率将达到31%以上。以RFID标签为例，IDTechex发布预测，到2017年RFID市场价值将上升到278.8亿美元，包括正在创建的新市场，如采用有源RFID的实时定位系统在2017年的市场价值可能会超过60亿美元。

虽然传感器产业获得了规模化发展，但行业又在向基于新材料与技术的创新驱动发展和以西门子等为代表的寡头垄断制造的趋势方向发展，这种发展趋势对我国传感器产业的发展提出了新的挑战，尤其是我国传感器环境可靠性水平更需进一步地提升。

1 传感器环境可靠性评价标准的不足

目前，传感器在环境可靠性标准化评价方面存在的不足主要表现为：1）对传感器环境可靠性标准化评价不够重视，缺少对传感器环境可靠性标准化评价的总体构建布局，缺少顶层设计规划，现有的相关传感器国家标准及行业标准中以灵敏度、校准和技术规范类标准为主，缺少环境可靠性方面的评价标准；2）各部门之间的沟通与协作不够，仅有的国际标准、国家标准、行业标准和联盟标准之间缺少协作统筹，甚至标准之间还存在矛盾与冲突；3）企业参与度不高，制造企业对于标准还停留在仅要考虑一致性、灵敏性等狭义的概念上，对于可靠性方面的关注和重视程度不高；4）对可靠性的基础性评价研究不足，针对新材料、新工艺在传感器上的运用缺少评价数据，对可靠性验证等缺少评估模型与检测方法与手段等[1-2]。

2 典型传感器环境可靠性的测试情况

笔者在国家物联网重点实验室对典型r传感器进行了可靠性测试分析。共选取180个超高频（UHF）牛只标签和服装标签为试验对象进行环境可靠性试验，其中：硅胶材质的牛只标签60个，1#纸质的服装标签60个，2#纸质的服装标签60个。分别进行低温步进、高温步进、温度变化、温度湿度、振动和太阳辐射等试验，其中：低温步进试验在-60～0℃温度区间采用步进方式进行试验，每个温度保持96 h；高温步进试验在40～100℃温度区间采用步进方式进行试验，每个温度保持96 h；温度变化试验选取-20～60℃等4个典型的温变区间进行试验，每个温变区间保持3 h、循环数为5次；温度湿度试验选取30℃、93%RH等4个典型的温湿度环境点进行试验，每个温湿度环境点保持48 h；振动试验为正弦扫频、频率范围为10～500 Hz，振幅为0.75 mm，循环10次、3方向进行试验，每个方向2 h；太阳辐射试验的条件为0.55 W/m2、340 nm、 连续照射、持续15 d[3]。

3类标签在经历低温步进试验、高温步进试验、温度变化试验、温度湿度试验、振动试验和太阳辐射试验后，其平均读写距离的衰减情况如表1所示。对3类标签进行横向比较，可以发现环境因素对被测试标签均产生了显著的影响，导致其稳定性和可靠性等指标出现了下降。

表1 试验后平均读写距离的衰减情况

3 典型环境可靠性测试的分析结果

根据环境可靠性试验的情况，可从外部环境因素导致失效和外部环境因素导致读写距离衰减两个角度进行分析。

从外部环境因素导致失效的角度来看：1）牛只标签对低温步进、高温步进和太阳辐射3种环境因素非常敏感，会发生50%～70%概率的失效；2）1#服装标签经低温步进、高温步进、温度变化、振动和太阳辐射试验后可靠性高，无失效现象；但其对温湿度试验较敏感，有20%的标签失效；3）2#服装标签经低温步进、高温步进、温度变化、温湿度和太阳辐射试验后可靠高，无失效；但其对振动试验较敏感，有10%的标签失效。

从外部环境因素导致读写距离衰减的角度来看：1）对牛只标签产生衰减影响的环境因素由高到低依次为高温、低温、太阳辐射、振动、温度湿度、温度变化和气体腐蚀；2）对1#服装标签产生衰减影响的环境因素由高到低依次为低温、温度湿度、高温、温度变化、太阳辐射、振动和气体腐蚀；3）对2#服装标签产生衰减影响的环境因素由高到低依次为温度变化、低温、高温、振动、温度湿度、太阳辐射和气体腐蚀。

4 传感器环境可靠性评价标准构建的思考

由于传感器越来越多地被应用到社会发展及人类生活的各个领域，所以对其环境可靠性水平进行标准化评价显得越来越重要。对于传感器环境可靠性标准化评价的构建，笔者认为应从以下几个方面进行。

a）应围绕传感器特殊的使用领域需求，建立特定用途的传感器的可靠性的特殊要求。由于传感器被广泛地应用于各个领域中，而每个行业都具有自身特殊的使用环境要求。以温度传感器为例，其被运用在博物馆文物、疫苗冷链、农业、工业制造和食品储运等方面，虽同为温度传感器但其应用的环境与要求却截然不同，疫苗冷链用温度传感器需要考虑低温与振动等环境下的要求，农业与畜牧业用温度传感器需要考虑温度与湿度交变等环境下的要求，工业制造用温度传感器需要考虑粉尘与腐蚀等环境下的要求等。因此，应围绕传感器在特殊使用领域的特殊需求，建立对特定用途传感器的环境可靠性的特殊要求。

b）应围绕传感器产业技术发展需求，建立传感器材料环境可靠性管控要求。随着科技的不断发展进步，新技术、新材料和新工艺将会被广泛地推广运用。例如：在信息存储和传输方面，需要使用大规模集成电路以使传感器具备通信网络以数字形式进行双向通信；在复合敏感功能方面，需要能够同时测量多种物理量或化学量；在材料选用方面，需使用原子材料或纳米材料以使传感器更具灵敏性等。因此，应围绕传感器产业发展的实际需求，针对传感器用新技术、新材料和新工艺进行可靠性研究并建立环境可靠性管控要求。

c）应围绕环境可靠性检测技术的发展，建立传感器可靠性评价技术。传感器环境可靠性水平评价需要进行相应的环境可靠性检测，在检测方法选取时应结合考虑检测技术的发展水平。例如：需要的检测设备是否技术成熟、运行是否可靠，选用的检测操作流程是否完善、稳健等。建议可从GB/T 2423系列标准中选取检测方法和设备要求[4]，从GB/T 2424系列标准中选取试验导则[5]，从GB/T 4798系列标准选取测试条件等[6]。通过在相关的标准中选取成熟的技术要求进行裁剪，可充分地融合环境可靠性检测技术的发展水平，同时更能被行业公众所接受和认可，而且也可尽最大可能地避免与现有相关标准的矛盾冲突。

d）应围绕评价结果能被各方迅速识别的需求，建立一种统一的可靠性水平标识体系。在环境可靠性评价标准中应考虑传感器设计、生产、使用、销售、质检等人员的技术能力差异，建立一种统一的可靠性水平标识体系。通过标识体系，使得传感器环境可靠性水平的特性及等级得到统一的划分，并使传感器环境可靠性水平一目了然，方便传感器使用人员、销售人员和第三方质量检测人员对产品的品质进行挑选和验证。

5 传感器环境可靠性评价标准构建的设想

传感器环境可靠性评价标准应至少包括对检测设备、操作方法、耐环境类型、耐环境等级、测试条件和标识方法等内容进行规定。检测设备和操作方法等可从前文提及的标准中进行裁剪使用。对于耐环境类型、耐环境等级、测试条件和标识方法可用下述方法进行规定。

a）对于耐环境类型及其等级基准的建立

以字母代表单一环境应力类别，分别用A、B、C、D、E、F、G进行表示。用两位数字表示其耐环境水平等级和测试条件，表示方式为：05、10、15、20、25、30、35。耐环境类型及其等级基准示例如表2所示。

b）对于单一耐环境类型及其等级的评价

以低温指标为例：若某传感器的环境可靠性水平标识为 “A15”，则表明其只能耐低温，同时其耐低温等级为 “-20℃”。

c）对于多种耐环境类型及其等级的评价

以多种耐环境指标为例：若某传感器的环境可靠性水平标识为 “A15B15C15D20E25F30G30”，则表明其达到如下指标。

1）低温：-20℃，24 h；

2）高温：60℃，24 h；

3）温度变化：-30～70℃，保持时间3 h，循环数为5个；

4）温度湿度：50℃，93%RH，48 h；

5）振动：正弦扫频，频率为10～500 Hz、振幅为0.75 mm，3个方向，每个方向8 h；

6）太阳辐射：辐照度为0.55 W/m2（340 nm），黑板温度为65℃，连续照射1 000 h；

7） 气体腐蚀： 25 ℃， 75%RH， H2S为10×10-9，NO2为 200×10-9， SO2为 200×10-9， Cl2为 10×10-9，21 d。

6 结束语

通过典型传感器环境可靠性测试分析，发现了传感器环境可靠性水平存在严重的参差不齐的情况，因此，急需探索与建立物联网传感器环境可靠性评价的标准，使其能为设计人员提供验证依据，能为第三方检测机构进行质量监管提供评定依据，更能为使用人员提供选用评价依据。从而规范物联网传感器的环境可靠性评价方法，进而推动我国物联网传感器行业规范、健康地发展。

[1]李鹰，李倩，朱建红，等.RFID系统测试标准化体系研究 [J].电子产品可靠性与环境试验，2010，28（2）：41-51.

[2]罗衡峰，朱建红，李金华，等.RFID系统安全评估指标体系及评估模型 [J].电子产品可靠性与环境试验，2009， 27 （5）： 56-59.

[3]过峰，聂义，俞建峰，射频电子标签可靠性试验研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2016，34（4）：5-11.

[4]全国电工产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温：GB/T 2423.1-2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[5]全国电工产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：高温低温试验导则：GB/T 2424.1-2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

[6]全国电工产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品应用环境条件第1部分：贮存：GB/T 4798.1-2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

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2016年1月22 日