北京必創(chuàng)科技股份有限公司,北京100085

關(guān)鍵字：MEMS傳感器；微功率；安全性能

一、背景

目前，國(guó)內(nèi)尚無對(duì)無線微功率電子產(chǎn)品安全性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，筆者在研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)電子產(chǎn)品安全性能、無線射頻技術(shù)、電池安全性能、電磁兼容技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合無線電子產(chǎn)品CE認(rèn)證測(cè)試、防爆認(rèn)證測(cè)試等實(shí)踐基礎(chǔ)上，對(duì)2.4GHz微功率無線MEMS傳感器安全性能要求做了詳盡的闡述，鑒于文章篇幅的限制，本文沒對(duì)具體測(cè)試方法給出詳細(xì)的論述，但可依據(jù)文中相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

本文論述了無線MEMS傳感器基本安全性能要求，適用于微功率（短距離）無線MEMS傳感器，不適用于大功率無線設(shè)備，是無線MEMS傳感器安全性能的必要條件，可做為無線傳感器質(zhì)量性能的充分條件使用，亦可用于2.4GHz微功率（短距離）無線電其他設(shè)備。

二、適用的傳感器定義和結(jié)構(gòu)

1、2.4GHz微功率無線MEMS傳感器

采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)通訊技術(shù)，使用一次性電池、可充電電池供電，內(nèi)部集成MEMS敏感元件或具備低電壓或低電流模擬信號(hào)采集接口或數(shù)字信號(hào)采集接口外接MEMS敏感元件，能感知被測(cè)設(shè)備物理或化學(xué)特性的設(shè)備。

2、無線傳感器節(jié)點(diǎn)特征

本類設(shè)備是指工作于（2400～2483.5）MHz 頻段，除數(shù)字無繩電話、藍(lán)牙設(shè)備和無線局域網(wǎng)設(shè)備以外的其它短距離無線電設(shè)備。

3、無線MEMS傳感器基本結(jié)構(gòu)

無線MEMS傳感器有MEMS敏感元件、數(shù)據(jù)處理單元、射頻單元及電池管理單元組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、射頻性能要求[1-5]

1、全向發(fā)射功率：對(duì)于無線通訊技術(shù)采用FHSS和DSSS等跳頻或擴(kuò)頻技術(shù)，其全向發(fā)射功率≤100mW；其他調(diào)制技術(shù)，其全向發(fā)射功率≤10mW；

2、最大功率譜密度：≤10mW/MHz；

3、載頻容限：±75kHz；

4、占用帶寬（功率能量99%）：≤2MHz；

5、頻率范圍：峰值下30dB的帶寬邊沿必須處于2400MHz～2483.5MHz之間；

6、發(fā)射機(jī)雜散輻射要求滿足表1；

7、接受機(jī)雜散輻射限值滿足表2。

表1 發(fā)射機(jī)雜散輻射限值

表2 接收機(jī)雜散輻射

四、EMC性能要求[6～8]

1、輻射連續(xù)騷擾測(cè)試

1GHz以下限值要求：無線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試距離10m處，1GHz以下輻射騷擾限值滿足表3。

1GHz以上限值要求：無線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試距離3m處，1GHz以上輻射騷擾限值滿足表4。

表3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試距離10m處的輻射騷擾限值

表4 無線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試距離3m處的輻射騷擾限值

2、輻射騷擾抗擾度

試驗(yàn)等級(jí)：無線傳感器節(jié)點(diǎn)按表5試驗(yàn)等級(jí)進(jìn)行測(cè)試。

輻射騷擾抗擾度要求：用1kHz的正弦波對(duì)未調(diào)制的載波信號(hào)進(jìn)行80%的幅度調(diào)制后，在預(yù)定的80MHz～1GHz，1.4GHz～2.7GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)設(shè)備前、后、左、右進(jìn)行橫向、豎向掃頻試驗(yàn)。最后給出測(cè)試滿足要求的試驗(yàn)等級(jí)。

表5 輻射騷擾抗擾度試驗(yàn)等級(jí)

3、靜電放電抗擾度

試驗(yàn)等級(jí)：無線傳感器節(jié)點(diǎn)按表6試驗(yàn)等級(jí)進(jìn)行測(cè)試。

靜電放電抗擾度要求：選擇合適的試驗(yàn)等級(jí)進(jìn)行接觸和非接觸靜電放電試驗(yàn)。試驗(yàn)方法見GB/T17626.3，給出試驗(yàn)通過的等級(jí)。

表6 靜電放電抗擾度試驗(yàn)等級(jí)

五、防護(hù)外殼要求[9,10]

外殼防護(hù)：無線傳感器節(jié)點(diǎn)外殼依據(jù)其產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，按GB4208-2008相關(guān)試驗(yàn)條件做防護(hù)等級(jí)測(cè)試；

外殼防爆性能：對(duì)于使用于存在爆炸性環(huán)境的危險(xiǎn)場(chǎng)所，其外殼材質(zhì)、熱穩(wěn)定性、耐光性、絕緣電阻、阻燃性、結(jié)構(gòu)等按GB3836相關(guān)試驗(yàn)要求進(jìn)行測(cè)試，符合防爆產(chǎn)品防護(hù)外殼要求。

六、發(fā)熱要求[11]

要求無線傳感器節(jié)點(diǎn)防止：可觸及零部件超過某一規(guī)定的溫度；元器件、零部件、絕緣和塑料材料超過可能會(huì)減低設(shè)備預(yù)期壽命的正常使用期間的電氣、機(jī)械或其他性能的溫度；電路出現(xiàn)火花，電路燃燒的溫度。

1、溫升要求

無線傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，對(duì)其可能產(chǎn)生熱量的元器件、零部件、材料等進(jìn)行溫升測(cè)試，符合GB4943-2001中第4.5.1要求。

2、阻燃要求

電路出現(xiàn)火花，電路及最小元器件均不出現(xiàn)點(diǎn)燃。

3、表面溫度要求

在正常和故障狀態(tài)下，所有元件、導(dǎo)線等最高表面溫度不超過135℃。（注：特殊要求，依據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)規(guī)范）

4、耐異常熱要求

（1）無線傳感器帶危險(xiǎn)電壓零部件的熱塑性塑料件應(yīng)耐異常熱；

（2）使該塑料件按照IEC60695-10-2承受球壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)其是否合格。如果根據(jù)對(duì)材料物理特新的檢查已清楚表明該材料能滿足本試驗(yàn)的要求，則本試驗(yàn)不必進(jìn)行；

（3）試驗(yàn)應(yīng)在加熱箱內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)溫度要比在進(jìn)行本節(jié)第1條“溫升要求”中所涉及的溫升試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的該塑料件的最高溫升高40±2K。但是，支撐一次電路零部件的熱塑料件應(yīng)在至少為125℃ 的溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。

七、機(jī)械性能要求

1、設(shè)備應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，而且其結(jié)構(gòu)應(yīng)能經(jīng)受在預(yù)期使用時(shí)可能遇到操作和搬運(yùn)的考驗(yàn)；

2、設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止諸如螺絲釘無意間的松動(dòng)而使危險(xiǎn)帶電零部件與可觸及導(dǎo)電零部件，或者與可觸及導(dǎo)電零部件導(dǎo)電連接的零部件之間的絕緣發(fā)生短路；

3、外殼無尖銳的邊緣。

八、電源性能要求[12]

1、過流保護(hù)功能

當(dāng)負(fù)載之間放電電流達(dá)到過流保護(hù)電流并且電流維持時(shí)間達(dá)到過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，切斷放電回路，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能，只要斷開下負(fù)載就可以恢復(fù)放電。

2、短路保護(hù)

當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，保護(hù)電路立即動(dòng)作，切斷放電回路，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

3、電池

（1）電池和電池組短路電流限制在1.2A以下，即使短路，電池或電池組不會(huì)發(fā)生爆炸、泄露、著火；

（2）對(duì)于鋰離子電池和電池組，除滿足（1）項(xiàng)要求，還應(yīng)滿足GB31241相關(guān)要求。

注：對(duì)于特殊電池和電池組短路電流限值及其他類型電池，按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書要求。

九、安全標(biāo)記[13]

1、安全標(biāo)記要求

（1）有關(guān)安全的標(biāo)記，應(yīng)在無線傳感器節(jié)點(diǎn)整個(gè)壽命期間保持字跡清晰、易于辨認(rèn)；

（2）用浸水、浸酒精、浸汽油的布分別擦拭標(biāo)記，應(yīng)保持字跡清晰、易于辨認(rèn)；

（3）當(dāng)暴露于陽(yáng)光時(shí)，標(biāo)記不能因褪色而難于辨認(rèn)；

（4）標(biāo)記的文字應(yīng)采用漢字。為避免語(yǔ)言問題使用符號(hào)時(shí)，應(yīng)采用GB9159附錄B規(guī)定的符號(hào)；

（5）為保證安全而專門設(shè)置的開關(guān)和隔離器，應(yīng)有明顯的標(biāo)記，以防與其他開關(guān)混淆。標(biāo)記符合（4）的要求；

（6）用于防止有害輻射并在維修期間可拆卸的部件，應(yīng)標(biāo)以適當(dāng)?shù)木鏄?biāo)記。

2、警告標(biāo)記要求

（1）警告標(biāo)記清晰可見，如果警告標(biāo)識(shí)針對(duì)某一特定部分，標(biāo)識(shí)應(yīng)放置在此部件或附近；

（2）符號(hào)應(yīng)該至少2.75mm高，文字至少1.5mm高，且與背景有顏色對(duì)比區(qū)分；

（3）符號(hào)或文字若模印或刻在材料上則至少2.0mm，如果與背景沒有顏色對(duì)比，應(yīng)至少有應(yīng)至少有0.5mm深的槽或凸起高度。

十、結(jié)語(yǔ)

鑒于國(guó)內(nèi)尚無針對(duì)無線微功率MEMS傳感器安全性能的專門測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，本文以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)的原則，結(jié)合無線微功率MEMS傳感器在工程機(jī)械、石油化工等多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用要求以及對(duì)無線微功率MEMS傳感器的CE認(rèn)證、防爆認(rèn)證、無線電設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)認(rèn)證及型式檢驗(yàn)等多種測(cè)試要求，綜合提出針對(duì)無線微功率MEMS傳感器安全性能的測(cè)試要求。

本文測(cè)試對(duì)象為2.4GHz微功率無線傳感器，旨在研究制定我國(guó)無線微功率傳感器安全性能要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2.4GHz微功率無線傳感器安全性能進(jìn)行通用規(guī)定，是傳感器網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化程度有重要意義。