浅析MEMS传感器在智能家居领域的应用

张明珠 庄伟玮 黄伟彬 余明松

（威凯检测技术有限公司/广东中创智家科学研究有限公司 广州 510663）

引言

随着物联网技术的发展，越来越多不同类型的家用产品连接到网上，并具备了感知外部世界和获取外部信息的能力，形成智能活动的前提条件和必要条件，催生出大量新型智能家居应用场景，如智能水杯、智能门锁等。这些应用对传感器等器件的尺寸、功耗、价格等提出更高的要求，MEMS传感器将成为更可行的解决方案。

1 MEMS传感器技术介绍

MEMS（英文Microelectromechanical Systems，也称“微机电系统”）是一种将微电子技术与机械工程技术融合到一起的工业技术，其最通用的形式为使用微型和纳米制造技术制造的微型机电设备[1]。虽然MEMS使用许多与传统相同的制造技术制造IC，但MEMS在功能上并非像IC那样只有纯粹的电子功能，而是普遍搭载了某种类型的机电功能。正是这种机电功能使MEMS技术能够用于实现最常见的MEMS设备类型，包括微型传感器和执行器。

在过去的20年里，世界各国的研发人员已经针对大部分可行的传感应用开发出了大量的和各种形式的基于MEMS的传感器。迄今为止收集到的有关MEMS传感器类型的公开报道案例包括：温度传感、压力传感、惯性力传感、触觉力传感、化学和生物物种传感、声音传感、磁场传感、电磁波谱的几个波段中的辐射传感、接近度传感、液位传感、流速传感、地震传感等等[2]。

在性能不断优化的同时，MEMS传感器的制造方法也在不断地优化降本，使其能够以极低的成本水平进行大批量生产。在这其中发挥最主要的是：MEMS利用了与IC行业相同的批量制造技术，使得每个MEMS可以类似于IC行业一样组合数量每2年翻一番（即“摩尔定律”）和价格每两年减半。在物联网产品数量不断爆增的趋势下，IPv6技术和成本不断优化的MEMS传感器技术有机会成为IoT领域的主流。

迄今为止，这些MEMS（微机电系统）传感器主要用于车辆以及娱乐和通信技术，以执行特殊功能。然而，MEMS传感器的未来应用领域将更加多样化和引人入胜——MEMS传感器已成为物联网(IoT)的关键组件。

未来的传感器和微机电系统（MEMS）在为我们的日常生活提供信息方面发挥着越来越重要的作用。从MEMS制造的问题出发，我们介绍了典型的MEMS传感器在物联网（IoT）中的应用，如MEMS物理传感器、MEMS声传感器、MEMS气体传感器。朝着智能化和低功耗的趋势发展在消耗方面，包括MEMS/NEMS开关、压电微机械同轴换能器（PMUT）和MEMS能量收集在内的MEMS组件被研究以辅助未来的传感器，例如基于事件或几乎零功率的传感器。基于灵活性和接口被讨论为另一个重要的开发私奔，下一代可穿戴或多功能传感器的趋势，围绕大数据和人机实现对人类操纵的问题，人工智能（AI）和虚拟现实（VR）技术最终通过传感器节点及其波浪识别作为各种场景的未来趋势。

随着传感器技术的进步以满足5G基础设施下物联网需求的需求不断增加，传统的MEMS传感器正面临着新一轮的进化。

2 IoT/智能家居简介

IoT概念：物联网(IoT)被定义为物理对象（即“事物”）及其互连通信网络的集合，允许物理对象收集、存储、处理和交换信息。重要的是，物理对象可以是在最普遍的形式中，物联网是一个万物互联的世界[3]。此外，物理对象还可以对收集、处理和交换的信息做出决定，并采取行动来控制物理对象及其嵌入的环境。使物理对象能够参与物联网的能力通常由不同类型的先进技术组合而成，包括电子、传感器、执行器和软件。这些能力要么是相互连接的到或集成到传统产品和系统中，例如汽车、家用电器、暖通空调系统（HVAC）、消费电子产品、娱乐系统、安全系统、发电机、医疗设备、运动和参与设备、商业楼宇控制、工业制造设备、健康监测设备等。

IoT/智能家电的实现需要几个重要的元素：

1）第一个是通信网络，使设备（可能使用不同的操作系统）能够相互通信。这个元素利用了现有的TCP/IP互联网标准协议套件。

2）第二个是现代集成电路中可用的巨大而廉价的信息存储和处理能力。

3）第三种是廉价且不显眼的设备，可以感应和驱动来控制事物和/或事物嵌入的环境，也即传感器。可以感应和驱动的微型设备在半导体行业中通常称为“MEMS”，它是“微机电系统”。MEMS是一种新兴技术，是物联网的重要推动者。

3 MEMS传感器特点与IoT/智能家电实际需求的完美结合/应用

得益于MEMS传感器的特点，MEMS传感器与IoT/智能家电的某些细化模块能完美结合[4]。如智能水杯、智能门锁，其使用场景对传感器的功耗、尺寸有严格要求。如智能开关、空气质量监测仪等使用量大的设备，则对传感器的成本有严格要求。

1）IoT的发展要求把各个类型的事物连接到网上，包括智能水杯、智能门锁等，这些应用对传感器等器件的尺寸、功耗、价格等有很高要求的场合。

①低功耗：物联网传感器和网关通常需要无线和电池供电。由于单位成本低，更换整个装置通常比用新电池重新安装更便宜。因此，任何功率使用的减少都会延长设备的使用寿命。一些MEMS面临与其较大的同类产品相同的功率要求。其他人利用电磁学或流体动力学中的不同力来减少功率使用而不牺牲功能。

例如：考虑表面张力通过小管道输送水的情况。

②小尺寸：用户通常希望物联网设备在办公室和家庭环境中体积小且不显眼。根据定义，MEMS并不引人注目。但除了用户需求之外，在某些物联网应用中，可能需要将设备添加到现有机器（例如汽车）中，而该机器对于更多硬件的空间有限。在可穿戴设备和生物医学应用等其他情况下，小尺寸是必须满足的关键要求。由于其体积小，MEMS满足并超越了这些要求。

③成本效益：在部署IoT解决方案时，规模通常是一个主要问题。例如，当在农田上放置传感器来监测天气和湿度水平时，每英亩都需要播种许多设备。或者考虑一个资产跟踪解决方案，其中可能有大量（且可变）的资产需要跟踪。在其他应用中，例如运输，设备可能只是一次性使用。MEMS是通过一种称为光刻的工艺制造的，这使得大规模生产它们变得容易且具有成本效益。

随着越来越多的设备和应用添加到物联网，MEMS将成为更可行的解决方案。很高兴看到这两种技术将如何发展并相互影响。

2）IoT及传感器的发展，要求把尽可能多的传感器集成到一起。

举例：你有没有想过你的iPhone有多少个单独的组件？有加速度计和陀螺仪来检测手机的运动。有光传感器、温度传感器、压力传感器和湿度传感器来测量手机的环境。然后是用于连接的RFID、蓝牙和WiFi传感器，以及用于声音的麦克风和扬声器。大多数这些组件是微机电系统(MEMS)。MEMS设备是尺寸在1μm到1mm之间的机器。

3）MEMS设备的小尺寸、成本效益和低功耗要求使其成为IoT、传感器硬件创新的理想领域。

4 MEMS传感器的额外优势及在IoT/智能家电领域的应用

如前文所述，MEMS除了是物联网的一项使能技术，因为MEMS制造使小型、低成本、高性能的传感器和执行器成为可能[5]。此外，MEMS还具有其他独特而重要的优势，这些优势对物联网的部署和发展非常有益和有影响的。

人类通过以下方式感知环境和世界并与之交互它们的主要感官。最常被提及的人类感官包括视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉。这些感知能力是数百万年进化的结果，使人类能够构建技术相对先进、安全、健康、舒适、和富裕的社会。虽然人类的感官已经进化到非常擅长特定的功能能力，但与MEMS传感器技术，例如，我们在任何时刻可以关注的同时发生的事情的数量是有限的。也就是说，当面对同时监控多个刺激时，人类很容易受到影响感觉超负荷。结果是一些重要的感觉信息可能被完全忽视或检测得太晚而无法做出适当的反应。

另一方面，MEMS传感器，特别是当与巨大的信息处理能力相结合时，不会不堪重负，并且可以连续、同时监测环境（和用户）中的大量重要参数，而不会出现感觉过载的情况。这有助于营造一个更安全、更高效和更有价值的环境。其次，虽然人类可以检测到环境中某些参数的变化，但我们往往难以检测较长时间段内参数的适度变化率。

相比之下，MEMS传感器可以在短期和长期内持续监测我们感兴趣的参数，并分析收集到的数据，为用户提供有关趋势的信息，警告用户发生异常或意外事件，防止故障和事故，防止活动和服务的中断和失败，以及维持更高质量和更安全的服务。

“冰箱中的气味传感器可以7×24 h实时监控所储存食物的新鲜度，及时告知用户对变质的食物进行处理。”

第三，人类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。这意味着我们可能会错过环境中本来可以帮助我们的重要线索。相比之下，MEMS传感器及其相关的强大处理能力可以不断地与环境交换信息，从而提高我们对环境的情境意识和感知能力。例如，当我们走进当地环境时，MEMS传感器可以通知或提醒我们该环境中的机会和危险，否则我们可能会忽略这些机会和危险。

第四，大多数人类感官的灵敏度水平有限。人类的感知能力有限。众所周知，嗅觉猎犬的嗅觉灵敏度比人类高几个数量级，例如，猎犬的嗅觉是据称亿级别，如银尖灰熊，嗅觉比猎犬还要灵敏七倍。另一方面，MEMS传感器的灵敏度远高于任何人，甚至某些动物，因此能够检测到比其他方式低得多的嗅觉参数或任何其他参数的水平。

第五，大多数例如，人耳（在与年龄相关的退化或与噪声相关的听力损失之前）可以检测到大约20～20000Hz频带内的声音，但我们大多听不到这个有限频谱之外的任何声音。然而，一些动物已经进化能够听到远远超出人类带宽范围的声波。例如，狗可以检测到大约60～60000Hz以上的声音。其他一些动物的范围甚至更大；海豚海洋动物的范围从大约75～150000Hz以上,蝙蝠有能力通过检测和处理反射声信号在大约10000Hz到超过动态范围内确定它们的相对位置200000Hz。同样，虽然人眼可以在大约400～700nm的光学波长范围内检测到来自物体的反射光，但我们看不到该范围之外的任何东西，特别是在光谱的红外或紫外部分以及其他电磁波段。事实上，人类可见光谱的那部分只是电磁光谱的一小部分。一些动物已经进化出在可见光以及红外和紫外光谱中都能看到的能力。例如：蛇可以感知来自猎物的热量（即），红外信号）。北极驯鹿、蜜蜂和其他动物具有在紫外线下看到的能力。使用其紫外线视觉的驯鹿有能力检测到在400nm以上400nm波长下几乎不可见的狼。蜜蜂利用紫外线视觉在花朵中寻找花蜜。MEMS传感器可以设计成具有远远超过人类的动态范围，甚至可以排除播种。众所周知，如果轴承刚好，旋转机械会发出非常高频的声学信号。虽然人类听不到这种现象，但MEMS传感器可以检测到这些频率的声波并发出警报，以便提前检查系统灾难性事件即将发生。此外，据报道，MEMS传感器可以“看到”。

第六，人类对许多感兴趣的参数没有感知能力。例如：一些动物，如鲨鱼和海豚，可以检测附近的变化电场，而没有人有任何已知的能力来感知这个参数。相比之下，已经开发出几乎可以感知任何已知参数的MEMS传感器和文献中报道。

第七，人类甚至是训练有素的动物都会在相对较短的时间内在传感任务中疲劳。然而，MEMS传感器作为无生命的设备几乎可以无限期地运行而不会感到疲倦。显然，这些是非常强大的好处，可以为物联网提供比目前仅使用人类感官或大规模离散传感器设备所能提供的功能更多的功能。

传感器作为物联网感知物理世界的“神经末梢”，与物联网产业发展相辅相成。随着物联网产业的飞速发展，势必对传感器的功能、工艺、用途等提出更高的要求，更具优势的MEMS传感器将在物联网智能家居领域大放异彩。