試驗設計在傳感器工藝創新中的應用研究

陳國順

(廈門頂尖電子有限公司，福建 廈門 361005)

0 引 言

試驗設計(design of experiment,DOE)是以概率論和數理統計為理論基礎，對試驗方案進行優化設計、以降低試驗誤差和生產費用，減少試驗工作量并對試驗結果進行科學分析的一種方法[1]，廣泛應用于工程技術研究或產品設計與開發等領域，現實中有許多探討DOE理論意義的文章發表，然而往往當問題較為復雜、試驗因子多或因子水平多，導致試驗次數過多而不易實施等問題時，工程技術分析人員往往對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變式傳感器工作原理與工藝創新背景的基礎上，應用DOE全因子設計方法，結合Minitab統計分析工具，對此傳感器進行工藝創新所涉及的多個試驗因子進行研究，確定采用分階段導入不同的試驗因子模式，有效縮減試驗次數、大幅降低試驗難度，從而迅速有效地鎖定與固化工藝創新參數，使DOE不再是少數統計學家的專屬工具，而是各類工程技術人員進行應用創新與研究的工具。

1 電阻應變式傳感器工作原理與基本工藝結構

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

應變計是傳感器的“心臟”,應變計敏感柵上等位置的保護膠和粘貼應變計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與否，都將影響傳感器的各類性能，特別是粘貼應變計到彈性體上的膠劑的性能好壞直接影響著應變計的工作特性，如，零漂、蠕變、滯后、靈敏系數等,也即影響著傳感器的測量精度。其中應變計通常是由敏感柵、基底、保護膠層、引線等組成,如圖1所示[4]。

圖1 電阻應變計結構示意圖

2 應用研究案例

2.1 案例背景

本文工藝創新研究對象是電阻應變式傳感器傳感器，應用在客戶的某一型號商用電子秤上，此型號的商用電子秤應用之初，卻被發現存在稱重跳動問題，初查是傳感器存在問題，進行各種各樣的測試分析與驗證試驗，然而核心問題仍未解決，為此，對整個傳感器的制造流程進行了工藝再研究。

2.2 DOE設計導入

對問題進行匯總分析,采用關聯圖法[5]將問題的各種現象與原因進行匯總，并如圖2所示。

圖2 稱重跳動問題綜合分析關聯圖

在圖2分析的基礎上，將問題分為二部分，一部分集中資源對絕緣阻抗變化問題進行研究，同時進行工藝創新，導入DOE分析方法，采用新的工藝材料，并對DOE設計因子進行分階段導入，保證能迅速有效地“鎖定”問題真因的同時，發現與確定相關工藝材料與參數，主要分為3個階段的試驗，分別是環境要因試驗、工藝參數確認試驗與最終確認性驗證試驗。另一部分借用客戶端的資源進行外圍電路、軟件等可能問題的排查,保證無疏漏問題點。

2.3 環境要因試驗

確定要進行工藝創新，導入新的材料，但所有的前提就是要先確認環境的影響因素。只有確定了環境的影響程度才能確立后續的試驗環境水平，否則，無法準確驗證新工藝創新的有效性與時效性[6]。

在前期試驗的基礎上，獲知主要環境要因有2個：溫度與濕度，但兩者對絕緣阻抗的影響與關系仍是未知數，同時也從故障品分析入手，絕緣阻抗也與傳感器內的連接引線緊密相關，所以，本試驗再引入一種新線B進行測試(原來舊線定義為 線A)。

本試驗因子為3個，除連接引線采用2個水平設計外，溫度與濕度分別導入3個水平設計，分別為0，20，40 ℃與30 %RH，60 %RH，90 %RH,采用全因子設計，共進行3×3×2=18個組合試驗，試驗3個因子的主效果如圖3所示。

圖3 環境要因試驗主效果圖

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，而濕度對阻抗的影響程度，則出乎意料，特別在越高溫度環境，其阻抗更是趨向于0。為了進一步了解濕度對阻抗的影響程度，選擇10只傳感器進行單獨濕度環境試驗,結果如圖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，絕緣阻抗呈幾何級數顯著下降，高低濕度下的阻抗差別一般至少相差30倍以上，個別不良品相差高達上萬倍，特別在60 %RH以上變化尤為明顯。其中1#～5#為不良品，在90 %RH時阻抗均小于300 MΩ,而6#～10#為未確認狀態，則均大于850 MΩ，這為后續測試提供試驗條件與初步判別標準，也初步驗證本案的異常與絕緣阻抗在高濕環境下偏低是密切相關的。

2.4 工藝參數確認試驗

2.4.1 試驗因子創建與試驗數據

確定濕度是環境影響的外因，但問題的核心要因仍在內因，通過觀察整個制造工藝,結合傳感器工作原理，決定工藝創新從制程2個關鍵材料(參數)膠劑與引線入手，前者還會影響傳感器的其他性能，后者引線在上一個試驗時，因主要關注濕度因素且引線只應用舊膠劑進行涂覆，兩者的交互效果仍是個未知數，所以，仍需進行深入試驗分析。這2個因子分別命名為膠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新而導入的新材料。同時，根據上一個環境要因試驗結果，主要影響因素在于濕度，所以，在后續試驗環節，均都直接確定以99 %RH濕度為試驗環境(溫度在25±2 ℃),持續時間恒定；測量環境為90 %RH,便于與參照對比。本試驗在DOE分析前的數據表如表1所示。

表1 工藝參數確認試驗過程數據表

2.4.2 會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

從以上會話輸出信息，對此試驗研究的全因子模型中，包含2個主效果，1個雙向因子交互，從使用評估效果和系數表中的P列值來決定哪個效果是關鍵因素[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，遠于0.05,則雙向因子交互才是關鍵因素，這個初步結果，與試驗之前主觀地認為膠劑才是關鍵因素不同。

2.4.3 工藝參數確認試驗結論

進一步揭示2個因子的交互效果，即本次試驗的結論，從圖5 交互效果圖，不難得出，膠1與線A和膠2與線B這兩對組合時，其效果最佳且兩者相差不大，Mean值分為2.60，2.65，且與其他組合時的值相差較大，界限清晰分明。

圖5 膠劑與引線試驗交互效果圖

2.5 最終驗證試驗

在前面2個試驗的基礎上，為了確認在工藝參數確認試驗中臍與線的組合是否也對2個不同的應用位置(導出線與應變計位置)而產生不同的效果，在最終驗證環節就剛好也直接導入這2個應用位置的因子設計，試驗過程數據表如表2所示。

表2 最終驗證試驗過程數據表

從圖6正態概率圖可得出2個因子與一個交互因子這三者均為關鍵因素。

圖6 膠線組合與位置試驗正態概率圖

作為最后一個驗證環節試驗，需要檢查是否還有其他要注意的因素，本文進行殘差分析(注解：殘差是實際值減去預測值),如圖7所示無發現需要注意的因素點。

圖7 膠線組合與位置試驗殘差分析圖

再進一步通過如圖8主效果圖分析得出，2個因子在不同應用位置的結果是不同的，同時從圖上2個效果的斜率相差不大，說明對結果的影響是幾乎等同的。

圖8 膠線組合與位置試驗主效果圖

本文的最終試驗結論，從圖9正交交互效果圖進一步可以看出，是膠1+線A與膠2+線B均可以使用，但只有分別應用在引線與應變計的位置時，其效果才是最佳的。

3 工藝創新簡析

本文所涉及的外在環境有溫度與濕度2個因素，內在工藝因素有膠劑、引線型號、應用位置等3個因素，總共有5個因子(素),環境因素按3個等級,則作一個2重試驗，則需要3×3×23×2=144次試驗，而經創造性地分為3個階段的DOE分解確認，除第一次試驗的因子是3個，后 2次試驗的因子數均都只有2個，總共試驗次數僅有18+8+8=34次試驗，大幅降低試驗次數。

同時，DOE試驗因子進行分階段導入，也具有良好的實踐參考價值，在大幅減少試驗次數的同時、節省驗證周期，其更重要的意義在于，所分解的3個試驗過程，不但各個試驗目的清晰、層次分明，試驗條件定位準確、簡單易行，而且試驗結論準確有效、可互為調用，如充分借助第一次的試驗結論，濕氣是影響品質的關鍵要因，在后面試驗中緊緊“錨住”濕氣這個要因，降低了試驗難度、保證試驗條件的準確有效。最后一次試驗，也充分借助于第二次試驗結論，接線與膠劑的交互效應，將接線與膠劑膠這2個因子對應打包成一個因子，試驗因子從原4個減少到2個，簡化了試驗過程，也提高了試驗精確度。

4 結束語

本文所述的電阻應變式傳感器在因品質問題被批次召回后，在找不到問題的有效解決方法后，通過采用DOE的品質分析方法，結合Minitab統計工具，依次通過3個階段的不同因子試驗，從而迅速地發現并確定引線與膠劑的不同組合與在不同的應用位置才是問題的根源和關鍵工藝創新參數。整個試驗過程有效地縮減總試驗因子與次數、大幅降低試驗難度、節省驗證周期，從而能及時發現并確定工藝創新參數，這種分階段導入DOE因子模式，對復雜的工程技術研究與創新課題的開展具有很好的實踐借鑒意義，同時所涉及的試驗數據、試驗模式與核心結論，對傳感器等高精密電子產品，在制造工藝領域的創新研究，也頗具參考價值。

參考文獻:

[1]米 棟.基于試驗設計及支持向量機的向心葉輪結構優化設計方法[J].航空動力學報,2012,27(10):2337-2341.

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

[3]廖麗媛.基于應變式扭矩傳感器的測量系統的設計[D].上海:東華大學，2013.

[4]張文娜.傳感器技術[M].北京:清華大學出版社,2011:11.

[5]張麗娟.正電子湮沒技術對功能材料電學性能與光催化影響的研究[D].合肥:中國科學技術大學,2013.

[6]陳國順,孟 力.試驗設計在6σ項目中的應用分析[J].電子質量,2008,6(2):76-79.

[7]陳國順.6σ在產品測試流程優化(BPI)項目中的應用研究[D].廈門：廈門大學，2008.