試驗(yàn)設(shè)計(jì)在傳感器工藝創(chuàng)新中的應(yīng)用研究

陳國順

(廈門頂尖電子有限公司，福建 廈門 361005)

0 引 言

試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment,DOE)是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、以降低試驗(yàn)誤差和生產(chǎn)費(fèi)用，減少試驗(yàn)工作量并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析的一種方法[1]，廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)研究或產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)等領(lǐng)域，現(xiàn)實(shí)中有許多探討DOE理論意義的文章發(fā)表，然而往往當(dāng)問題較為復(fù)雜、試驗(yàn)因子多或因子水平多，導(dǎo)致試驗(yàn)次數(shù)過多而不易實(shí)施等問題時(shí)，工程技術(shù)分析人員往往對(duì)此找不到解決問題有效方法與捷徑。

本文在簡要介紹一種電阻應(yīng)變式傳感器工作原理與工藝創(chuàng)新背景的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DOE全因子設(shè)計(jì)方法，結(jié)合Minitab統(tǒng)計(jì)分析工具，對(duì)此傳感器進(jìn)行工藝創(chuàng)新所涉及的多個(gè)試驗(yàn)因子進(jìn)行研究，確定采用分階段導(dǎo)入不同的試驗(yàn)因子模式，有效縮減試驗(yàn)次數(shù)、大幅降低試驗(yàn)難度，從而迅速有效地鎖定與固化工藝創(chuàng)新參數(shù)，使DOE不再是少數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)家的專屬工具，而是各類工程技術(shù)人員進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新與研究的工具。

1 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理與基本工藝結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),即金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象[2]。 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成，當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化,通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小[3]。

應(yīng)變計(jì)是傳感器的“心臟”,應(yīng)變計(jì)敏感柵上等位置的保護(hù)膠和粘貼應(yīng)變計(jì)到彈性體上的膠劑均是傳感器的“肌肉”，所有這些材料的選用得當(dāng)與否，都將影響傳感器的各類性能，特別是粘貼應(yīng)變計(jì)到彈性體上的膠劑的性能好壞直接影響著應(yīng)變計(jì)的工作特性，如，零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)等,也即影響著傳感器的測(cè)量精度。其中應(yīng)變計(jì)通常是由敏感柵、基底、保護(hù)膠層、引線等組成,如圖1所示[4]。

圖1 電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 應(yīng)用研究案例

2.1 案例背景

本文工藝創(chuàng)新研究對(duì)象是電阻應(yīng)變式傳感器傳感器，應(yīng)用在客戶的某一型號(hào)商用電子秤上，此型號(hào)的商用電子秤應(yīng)用之初，卻被發(fā)現(xiàn)存在稱重跳動(dòng)問題，初查是傳感器存在問題，進(jìn)行各種各樣的測(cè)試分析與驗(yàn)證試驗(yàn)，然而核心問題仍未解決，為此，對(duì)整個(gè)傳感器的制造流程進(jìn)行了工藝再研究。

2.2 DOE設(shè)計(jì)導(dǎo)入

對(duì)問題進(jìn)行匯總分析,采用關(guān)聯(lián)圖法[5]將問題的各種現(xiàn)象與原因進(jìn)行匯總，并如圖2所示。

圖2 稱重跳動(dòng)問題綜合分析關(guān)聯(lián)圖

在圖2分析的基礎(chǔ)上，將問題分為二部分，一部分集中資源對(duì)絕緣阻抗變化問題進(jìn)行研究，同時(shí)進(jìn)行工藝創(chuàng)新，導(dǎo)入DOE分析方法，采用新的工藝材料，并對(duì)DOE設(shè)計(jì)因子進(jìn)行分階段導(dǎo)入，保證能迅速有效地“鎖定”問題真因的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)與確定相關(guān)工藝材料與參數(shù)，主要分為3個(gè)階段的試驗(yàn)，分別是環(huán)境要因試驗(yàn)、工藝參數(shù)確認(rèn)試驗(yàn)與最終確認(rèn)性驗(yàn)證試驗(yàn)。另一部分借用客戶端的資源進(jìn)行外圍電路、軟件等可能問題的排查,保證無疏漏問題點(diǎn)。

2.3 環(huán)境要因試驗(yàn)

確定要進(jìn)行工藝創(chuàng)新，導(dǎo)入新的材料，但所有的前提就是要先確認(rèn)環(huán)境的影響因素。只有確定了環(huán)境的影響程度才能確立后續(xù)的試驗(yàn)環(huán)境水平，否則，無法準(zhǔn)確驗(yàn)證新工藝創(chuàng)新的有效性與時(shí)效性[6]。

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獲知主要環(huán)境要因有2個(gè)：溫度與濕度，但兩者對(duì)絕緣阻抗的影響與關(guān)系仍是未知數(shù)，同時(shí)也從故障品分析入手，絕緣阻抗也與傳感器內(nèi)的連接引線緊密相關(guān)，所以，本試驗(yàn)再引入一種新線B進(jìn)行測(cè)試(原來舊線定義為 線A)。

本試驗(yàn)因子為3個(gè)，除連接引線采用2個(gè)水平設(shè)計(jì)外，溫度與濕度分別導(dǎo)入3個(gè)水平設(shè)計(jì)，分別為0，20，40 ℃與30 %RH，60 %RH，90 %RH,采用全因子設(shè)計(jì)，共進(jìn)行3×3×2=18個(gè)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)3個(gè)因子的主效果如圖3所示。

圖3 環(huán)境要因試驗(yàn)主效果圖

從圖3不難看出：溫度與連接引線種類與絕緣阻抗的影響不是很明顯，而濕度對(duì)阻抗的影響程度，則出乎意料，特別在越高溫度環(huán)境，其阻抗更是趨向于0。為了進(jìn)一步了解濕度對(duì)阻抗的影響程度，選擇10只傳感器進(jìn)行單獨(dú)濕度環(huán)境試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同濕度下傳感器的絕緣阻抗變化圖(25±2 ℃)

從圖上看出：隨著濕度的升高，絕緣阻抗呈幾何級(jí)數(shù)顯著下降，高低濕度下的阻抗差別一般至少相差30倍以上，個(gè)別不良品相差高達(dá)上萬倍，特別在60 %RH以上變化尤為明顯。其中1#～5#為不良品，在90 %RH時(shí)阻抗均小于300 MΩ,而6#～10#為未確認(rèn)狀態(tài)，則均大于850 MΩ，這為后續(xù)測(cè)試提供試驗(yàn)條件與初步判別標(biāo)準(zhǔn)，也初步驗(yàn)證本案的異常與絕緣阻抗在高濕環(huán)境下偏低是密切相關(guān)的。

2.4 工藝參數(shù)確認(rèn)試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)因子創(chuàng)建與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

確定濕度是環(huán)境影響的外因，但問題的核心要因仍在內(nèi)因，通過觀察整個(gè)制造工藝,結(jié)合傳感器工作原理，決定工藝創(chuàng)新從制程2個(gè)關(guān)鍵材料(參數(shù))膠劑與引線入手，前者還會(huì)影響傳感器的其他性能，后者引線在上一個(gè)試驗(yàn)時(shí)，因主要關(guān)注濕度因素且引線只應(yīng)用舊膠劑進(jìn)行涂覆，兩者的交互效果仍是個(gè)未知數(shù)，所以，仍需進(jìn)行深入試驗(yàn)分析。這2個(gè)因子分別命名為膠1、膠2和線 A、線B,其中，只有線A為舊材料，其他均為制程工藝創(chuàng)新而導(dǎo)入的新材料。同時(shí)，根據(jù)上一個(gè)環(huán)境要因試驗(yàn)結(jié)果，主要影響因素在于濕度，所以，在后續(xù)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，均都直接確定以99 %RH濕度為試驗(yàn)環(huán)境(溫度在25±2 ℃),持續(xù)時(shí)間恒定；測(cè)量環(huán)境為90 %RH,便于與參照對(duì)比。本試驗(yàn)在DOE分析前的數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 工藝參數(shù)確認(rèn)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)表

2.4.2 會(huì)話窗口信息與效果圖分析

為了找尋重要效果因子，首先查看會(huì)話窗口輸出信息如下：

Factorial Fit:Resistance(103MΩ)versus Glue,Wire

Estimated Effects and Coefficients for Resistance(103MΩ)

Term Effect Coef SE CoefTP

Constant 1.862 50 0.108 3 17.21 0.00 0

Glue 0.175 00 0.087 50 0.108 3 0.81 0.464

Wire -0.125 00 -0.062 50 0.108 3 -0.58 0.595

Glue*Wire 1.525 00 0.762 50 0.108 3 7.04 0.002

Analysis of Variance for Resistance(103MΩ)

Source DF Seq SS Adj S Adj MSFP

Main Effects 2 0.092 50 0.092 50 0.046 25 0.49 0.643

2-Way Interactions 1 4.651 25 4.651 25 4.651 25 49.61 0.002

從以上會(huì)話輸出信息，對(duì)此試驗(yàn)研究的全因子模型中，包含2個(gè)主效果，1個(gè)雙向因子交互，從使用評(píng)估效果和系數(shù)表中的P列值來決定哪個(gè)效果是關(guān)鍵因素[7]，使用Alpha=0.05，可以看出膠劑與引線本身的主效果不是顯著的，其各自P值均大于0.05，而兩者的交互效果P值為0.002，遠(yuǎn)于0.05,則雙向因子交互才是關(guān)鍵因素，這個(gè)初步結(jié)果，與試驗(yàn)之前主觀地認(rèn)為膠劑才是關(guān)鍵因素不同。

2.4.3 工藝參數(shù)確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)論

進(jìn)一步揭示2個(gè)因子的交互效果，即本次試驗(yàn)的結(jié)論，從圖5 交互效果圖，不難得出，膠1與線A和膠2與線B這兩對(duì)組合時(shí)，其效果最佳且兩者相差不大，Mean值分為2.60，2.65，且與其他組合時(shí)的值相差較大，界限清晰分明。

圖5 膠劑與引線試驗(yàn)交互效果圖

2.5 最終驗(yàn)證試驗(yàn)

在前面2個(gè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了確認(rèn)在工藝參數(shù)確認(rèn)試驗(yàn)中臍與線的組合是否也對(duì)2個(gè)不同的應(yīng)用位置(導(dǎo)出線與應(yīng)變計(jì)位置)而產(chǎn)生不同的效果，在最終驗(yàn)證環(huán)節(jié)就剛好也直接導(dǎo)入這2個(gè)應(yīng)用位置的因子設(shè)計(jì)，試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 最終驗(yàn)證試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)表

從圖6正態(tài)概率圖可得出2個(gè)因子與一個(gè)交互因子這三者均為關(guān)鍵因素。

圖6 膠線組合與位置試驗(yàn)正態(tài)概率圖

作為最后一個(gè)驗(yàn)證環(huán)節(jié)試驗(yàn)，需要檢查是否還有其他要注意的因素，本文進(jìn)行殘差分析(注解：殘差是實(shí)際值減去預(yù)測(cè)值),如圖7所示無發(fā)現(xiàn)需要注意的因素點(diǎn)。

圖7 膠線組合與位置試驗(yàn)殘差分析圖

再進(jìn)一步通過如圖8主效果圖分析得出，2個(gè)因子在不同應(yīng)用位置的結(jié)果是不同的，同時(shí)從圖上2個(gè)效果的斜率相差不大，說明對(duì)結(jié)果的影響是幾乎等同的。

圖8 膠線組合與位置試驗(yàn)主效果圖

本文的最終試驗(yàn)結(jié)論，從圖9正交交互效果圖進(jìn)一步可以看出，是膠1+線A與膠2+線B均可以使用，但只有分別應(yīng)用在引線與應(yīng)變計(jì)的位置時(shí)，其效果才是最佳的。

3 工藝創(chuàng)新簡析

本文所涉及的外在環(huán)境有溫度與濕度2個(gè)因素，內(nèi)在工藝因素有膠劑、引線型號(hào)、應(yīng)用位置等3個(gè)因素，總共有5個(gè)因子(素),環(huán)境因素按3個(gè)等級(jí),則作一個(gè)2重試驗(yàn)，則需要3×3×23×2=144次試驗(yàn)，而經(jīng)創(chuàng)造性地分為3個(gè)階段的DOE分解確認(rèn)，除第一次試驗(yàn)的因子是3個(gè)，后 2次試驗(yàn)的因子數(shù)均都只有2個(gè)，總共試驗(yàn)次數(shù)僅有18+8+8=34次試驗(yàn)，大幅降低試驗(yàn)次數(shù)。

同時(shí)，DOE試驗(yàn)因子進(jìn)行分階段導(dǎo)入，也具有良好的實(shí)踐參考價(jià)值，在大幅減少試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí)、節(jié)省驗(yàn)證周期，其更重要的意義在于，所分解的3個(gè)試驗(yàn)過程，不但各個(gè)試驗(yàn)?zāi)康那逦哟畏置?，試?yàn)條件定位準(zhǔn)確、簡單易行，而且試驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確有效、可互為調(diào)用，如充分借助第一次的試驗(yàn)結(jié)論，濕氣是影響品質(zhì)的關(guān)鍵要因，在后面試驗(yàn)中緊緊“錨住”濕氣這個(gè)要因，降低了試驗(yàn)難度、保證試驗(yàn)條件的準(zhǔn)確有效。最后一次試驗(yàn)，也充分借助于第二次試驗(yàn)結(jié)論，接線與膠劑的交互效應(yīng)，將接線與膠劑膠這2個(gè)因子對(duì)應(yīng)打包成一個(gè)因子，試驗(yàn)因子從原4個(gè)減少到2個(gè)，簡化了試驗(yàn)過程，也提高了試驗(yàn)精確度。

4 結(jié)束語

本文所述的電阻應(yīng)變式傳感器在因品質(zhì)問題被批次召回后，在找不到問題的有效解決方法后，通過采用DOE的品質(zhì)分析方法，結(jié)合Minitab統(tǒng)計(jì)工具，依次通過3個(gè)階段的不同因子試驗(yàn)，從而迅速地發(fā)現(xiàn)并確定引線與膠劑的不同組合與在不同的應(yīng)用位置才是問題的根源和關(guān)鍵工藝創(chuàng)新參數(shù)。整個(gè)試驗(yàn)過程有效地縮減總試驗(yàn)因子與次數(shù)、大幅降低試驗(yàn)難度、節(jié)省驗(yàn)證周期，從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定工藝創(chuàng)新參數(shù)，這種分階段導(dǎo)入DOE因子模式，對(duì)復(fù)雜的工程技術(shù)研究與創(chuàng)新課題的開展具有很好的實(shí)踐借鑒意義，同時(shí)所涉及的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c核心結(jié)論，對(duì)傳感器等高精密電子產(chǎn)品，在制造工藝領(lǐng)域的創(chuàng)新研究，也頗具參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]米 棟.基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)及支持向量機(jī)的向心葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2012,27(10):2337-2341.

[2]楊 艷,安盼龍,趙瑞娟.電阻應(yīng)變式傳感器的研究[J].物理與工程,2010,20(2):29-32.

[3]廖麗媛.基于應(yīng)變式扭矩傳感器的測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海:東華大學(xué)，2013.

[4]張文娜.傳感器技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:11.

[5]張麗娟.正電子湮沒技術(shù)對(duì)功能材料電學(xué)性能與光催化影響的研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[6]陳國順,孟 力.試驗(yàn)設(shè)計(jì)在6σ項(xiàng)目中的應(yīng)用分析[J].電子質(zhì)量,2008,6(2):76-79.

[7]陳國順.6σ在產(chǎn)品測(cè)試流程優(yōu)化(BPI)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2008.