過峰，趙介軍，聶義

（江蘇出入境檢驗檢疫局，江蘇 無錫 214174）

0 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器在種類上已由過去的少數(shù)品種擴(kuò)展到光敏、熱敏、力敏、電壓敏、磁敏、氣敏、濕敏、聲敏、射線敏、離子敏和生物敏傳感器等各種類型。隨著技術(shù)的發(fā)展，新型傳感器也正向著智能化、小型化、集成化和多功能化等方向發(fā)展。傳感器已在國防、工業(yè)、物流、零售、醫(yī)療和家居等各行各業(yè)的各個領(lǐng)域中被廣泛地推廣使用。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷地發(fā)展與應(yīng)用的需求下，我國乃至世界的傳感器產(chǎn)業(yè)迎來了重要的發(fā)展機(jī)遇。據(jù)國外咨詢公司Gartner預(yù)測，我國傳感器的市場需求將遠(yuǎn)超歐美，到2020年連接設(shè)備的總量將達(dá)到208億。有預(yù)計稱， “十三五”期間，中國傳感器市場的年均復(fù)合增長率將達(dá)到31%以上。以RFID標(biāo)簽為例，IDTechex發(fā)布預(yù)測，到2017年RFID市場價值將上升到278.8億美元，包括正在創(chuàng)建的新市場，如采用有源RFID的實時定位系統(tǒng)在2017年的市場價值可能會超過60億美元。

雖然傳感器產(chǎn)業(yè)獲得了規(guī)模化發(fā)展，但行業(yè)又在向基于新材料與技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和以西門子等為代表的寡頭壟斷制造的趨勢方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢對我國傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是我國傳感器環(huán)境可靠性水平更需進(jìn)一步地提升。

1 傳感器環(huán)境可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)的不足

目前，傳感器在環(huán)境可靠性標(biāo)準(zhǔn)化評價方面存在的不足主要表現(xiàn)為：1）對傳感器環(huán)境可靠性標(biāo)準(zhǔn)化評價不夠重視，缺少對傳感器環(huán)境可靠性標(biāo)準(zhǔn)化評價的總體構(gòu)建布局，缺少頂層設(shè)計規(guī)劃，現(xiàn)有的相關(guān)傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中以靈敏度、校準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)為主，缺少環(huán)境可靠性方面的評價標(biāo)準(zhǔn)；2）各部門之間的溝通與協(xié)作不夠，僅有的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)之間缺少協(xié)作統(tǒng)籌，甚至標(biāo)準(zhǔn)之間還存在矛盾與沖突；3）企業(yè)參與度不高，制造企業(yè)對于標(biāo)準(zhǔn)還停留在僅要考慮一致性、靈敏性等狹義的概念上，對于可靠性方面的關(guān)注和重視程度不高；4）對可靠性的基礎(chǔ)性評價研究不足，針對新材料、新工藝在傳感器上的運(yùn)用缺少評價數(shù)據(jù)，對可靠性驗證等缺少評估模型與檢測方法與手段等[1-2]。

2 典型傳感器環(huán)境可靠性的測試情況

筆者在國家物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室對典型r傳感器進(jìn)行了可靠性測試分析。共選取180個超高頻（UHF）牛只標(biāo)簽和服裝標(biāo)簽為試驗對象進(jìn)行環(huán)境可靠性試驗，其中：硅膠材質(zhì)的牛只標(biāo)簽60個，1#紙質(zhì)的服裝標(biāo)簽60個，2#紙質(zhì)的服裝標(biāo)簽60個。分別進(jìn)行低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、溫度變化、溫度濕度、振動和太陽輻射等試驗，其中：低溫步進(jìn)試驗在-60～0℃溫度區(qū)間采用步進(jìn)方式進(jìn)行試驗，每個溫度保持96 h；高溫步進(jìn)試驗在40～100℃溫度區(qū)間采用步進(jìn)方式進(jìn)行試驗，每個溫度保持96 h；溫度變化試驗選取-20～60℃等4個典型的溫變區(qū)間進(jìn)行試驗，每個溫變區(qū)間保持3 h、循環(huán)數(shù)為5次；溫度濕度試驗選取30℃、93%RH等4個典型的溫濕度環(huán)境點進(jìn)行試驗，每個溫濕度環(huán)境點保持48 h；振動試驗為正弦掃頻、頻率范圍為10～500 Hz，振幅為0.75 mm，循環(huán)10次、3方向進(jìn)行試驗，每個方向2 h；太陽輻射試驗的條件為0.55 W/m2、340 nm、 連續(xù)照射、持續(xù)15 d[3]。

3類標(biāo)簽在經(jīng)歷低溫步進(jìn)試驗、高溫步進(jìn)試驗、溫度變化試驗、溫度濕度試驗、振動試驗和太陽輻射試驗后，其平均讀寫距離的衰減情況如表1所示。對3類標(biāo)簽進(jìn)行橫向比較，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素對被測試標(biāo)簽均產(chǎn)生了顯著的影響，導(dǎo)致其穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)出現(xiàn)了下降。

表1 試驗后平均讀寫距離的衰減情況

3 典型環(huán)境可靠性測試的分析結(jié)果

根據(jù)環(huán)境可靠性試驗的情況，可從外部環(huán)境因素導(dǎo)致失效和外部環(huán)境因素導(dǎo)致讀寫距離衰減兩個角度進(jìn)行分析。

從外部環(huán)境因素導(dǎo)致失效的角度來看：1）牛只標(biāo)簽對低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)和太陽輻射3種環(huán)境因素非常敏感，會發(fā)生50%～70%概率的失效；2）1#服裝標(biāo)簽經(jīng)低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、溫度變化、振動和太陽輻射試驗后可靠性高，無失效現(xiàn)象；但其對溫濕度試驗較敏感，有20%的標(biāo)簽失效；3）2#服裝標(biāo)簽經(jīng)低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、溫度變化、溫濕度和太陽輻射試驗后可靠高，無失效；但其對振動試驗較敏感，有10%的標(biāo)簽失效。

從外部環(huán)境因素導(dǎo)致讀寫距離衰減的角度來看：1）對牛只標(biāo)簽產(chǎn)生衰減影響的環(huán)境因素由高到低依次為高溫、低溫、太陽輻射、振動、溫度濕度、溫度變化和氣體腐蝕；2）對1#服裝標(biāo)簽產(chǎn)生衰減影響的環(huán)境因素由高到低依次為低溫、溫度濕度、高溫、溫度變化、太陽輻射、振動和氣體腐蝕；3）對2#服裝標(biāo)簽產(chǎn)生衰減影響的環(huán)境因素由高到低依次為溫度變化、低溫、高溫、振動、溫度濕度、太陽輻射和氣體腐蝕。

4 傳感器環(huán)境可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的思考

由于傳感器越來越多地被應(yīng)用到社會發(fā)展及人類生活的各個領(lǐng)域，所以對其環(huán)境可靠性水平進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評價顯得越來越重要。對于傳感器環(huán)境可靠性標(biāo)準(zhǔn)化評價的構(gòu)建，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行。

a）應(yīng)圍繞傳感器特殊的使用領(lǐng)域需求，建立特定用途的傳感器的可靠性的特殊要求。由于傳感器被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，而每個行業(yè)都具有自身特殊的使用環(huán)境要求。以溫度傳感器為例，其被運(yùn)用在博物館文物、疫苗冷鏈、農(nóng)業(yè)、工業(yè)制造和食品儲運(yùn)等方面，雖同為溫度傳感器但其應(yīng)用的環(huán)境與要求卻截然不同，疫苗冷鏈用溫度傳感器需要考慮低溫與振動等環(huán)境下的要求，農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)用溫度傳感器需要考慮溫度與濕度交變等環(huán)境下的要求，工業(yè)制造用溫度傳感器需要考慮粉塵與腐蝕等環(huán)境下的要求等。因此，應(yīng)圍繞傳感器在特殊使用領(lǐng)域的特殊需求，建立對特定用途傳感器的環(huán)境可靠性的特殊要求。

b）應(yīng)圍繞傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展需求，建立傳感器材料環(huán)境可靠性管控要求。隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，新技術(shù)、新材料和新工藝將會被廣泛地推廣運(yùn)用。例如：在信息存儲和傳輸方面，需要使用大規(guī)模集成電路以使傳感器具備通信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式進(jìn)行雙向通信；在復(fù)合敏感功能方面，需要能夠同時測量多種物理量或化學(xué)量；在材料選用方面，需使用原子材料或納米材料以使傳感器更具靈敏性等。因此，應(yīng)圍繞傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需求，針對傳感器用新技術(shù)、新材料和新工藝進(jìn)行可靠性研究并建立環(huán)境可靠性管控要求。

c）應(yīng)圍繞環(huán)境可靠性檢測技術(shù)的發(fā)展，建立傳感器可靠性評價技術(shù)。傳感器環(huán)境可靠性水平評價需要進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境可靠性檢測，在檢測方法選取時應(yīng)結(jié)合考慮檢測技術(shù)的發(fā)展水平。例如：需要的檢測設(shè)備是否技術(shù)成熟、運(yùn)行是否可靠，選用的檢測操作流程是否完善、穩(wěn)健等。建議可從GB/T 2423系列標(biāo)準(zhǔn)中選取檢測方法和設(shè)備要求[4]，從GB/T 2424系列標(biāo)準(zhǔn)中選取試驗導(dǎo)則[5]，從GB/T 4798系列標(biāo)準(zhǔn)選取測試條件等[6]。通過在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中選取成熟的技術(shù)要求進(jìn)行裁剪，可充分地融合環(huán)境可靠性檢測技術(shù)的發(fā)展水平，同時更能被行業(yè)公眾所接受和認(rèn)可，而且也可盡最大可能地避免與現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的矛盾沖突。

d）應(yīng)圍繞評價結(jié)果能被各方迅速識別的需求，建立一種統(tǒng)一的可靠性水平標(biāo)識體系。在環(huán)境可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)考慮傳感器設(shè)計、生產(chǎn)、使用、銷售、質(zhì)檢等人員的技術(shù)能力差異，建立一種統(tǒng)一的可靠性水平標(biāo)識體系。通過標(biāo)識體系，使得傳感器環(huán)境可靠性水平的特性及等級得到統(tǒng)一的劃分，并使傳感器環(huán)境可靠性水平一目了然，方便傳感器使用人員、銷售人員和第三方質(zhì)量檢測人員對產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行挑選和驗證。

5 傳感器環(huán)境可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的設(shè)想

傳感器環(huán)境可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)至少包括對檢測設(shè)備、操作方法、耐環(huán)境類型、耐環(huán)境等級、測試條件和標(biāo)識方法等內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定。檢測設(shè)備和操作方法等可從前文提及的標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行裁剪使用。對于耐環(huán)境類型、耐環(huán)境等級、測試條件和標(biāo)識方法可用下述方法進(jìn)行規(guī)定。

a）對于耐環(huán)境類型及其等級基準(zhǔn)的建立

以字母代表單一環(huán)境應(yīng)力類別，分別用A、B、C、D、E、F、G進(jìn)行表示。用兩位數(shù)字表示其耐環(huán)境水平等級和測試條件，表示方式為：05、10、15、20、25、30、35。耐環(huán)境類型及其等級基準(zhǔn)示例如表2所示。

b）對于單一耐環(huán)境類型及其等級的評價

以低溫指標(biāo)為例：若某傳感器的環(huán)境可靠性水平標(biāo)識為 “A15”，則表明其只能耐低溫，同時其耐低溫等級為 “-20℃”。

c）對于多種耐環(huán)境類型及其等級的評價

以多種耐環(huán)境指標(biāo)為例：若某傳感器的環(huán)境可靠性水平標(biāo)識為 “A15B15C15D20E25F30G30”，則表明其達(dá)到如下指標(biāo)。

1）低溫：-20℃，24 h；

2）高溫：60℃，24 h；

3）溫度變化：-30～70℃，保持時間3 h，循環(huán)數(shù)為5個；

4）溫度濕度：50℃，93%RH，48 h；

5）振動：正弦掃頻，頻率為10～500 Hz、振幅為0.75 mm，3個方向，每個方向8 h；

6）太陽輻射：輻照度為0.55 W/m2（340 nm），黑板溫度為65℃，連續(xù)照射1 000 h；

7） 氣體腐蝕： 25 ℃， 75%RH， H2S為10×10-9，NO2為 200×10-9， SO2為 200×10-9， Cl2為 10×10-9，21 d。

6 結(jié)束語

通過典型傳感器環(huán)境可靠性測試分析，發(fā)現(xiàn)了傳感器環(huán)境可靠性水平存在嚴(yán)重的參差不齊的情況，因此，急需探索與建立物聯(lián)網(wǎng)傳感器環(huán)境可靠性評價的標(biāo)準(zhǔn)，使其能為設(shè)計人員提供驗證依據(jù)，能為第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)管提供評定依據(jù)，更能為使用人員提供選用評價依據(jù)。從而規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)傳感器的環(huán)境可靠性評價方法，進(jìn)而推動我國物聯(lián)網(wǎng)傳感器行業(yè)規(guī)范、健康地發(fā)展。

[1]李鷹，李倩，朱建紅，等.RFID系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)化體系研究 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010，28（2）：41-51.

[2]羅衡峰，朱建紅，李金華，等.RFID系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體系及評估模型 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2009， 27 （5）： 56-59.

[3]過峰，聶義，俞建峰，射頻電子標(biāo)簽可靠性試驗研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2016，34（4）：5-11.

[4]全國電工產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗A：低溫：GB/T 2423.1-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[5]全國電工產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：高溫低溫試驗導(dǎo)則：GB/T 2424.1-2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[6]全國電工產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件第1部分：貯存：GB/T 4798.1-2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

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2016年1月22 日