計(jì)量服務(wù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)典案例：定制傳感器批量標(biāo)定系統(tǒng) 解決企業(yè)量產(chǎn)后瓶頸

一、背景及需求

　　以微納制造技術(shù)為代表的各類(lèi)新型傳感器及其模組是物聯(lián)網(wǎng)感知裝備的核心，也是國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)感知裝備產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中心”）的主要服務(wù)對(duì)象。圍繞這些相關(guān)產(chǎn)品，傳統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)主要停留在一些傳統(tǒng)傳感器/變送器的型式評(píng)價(jià)或者周期檢定/校準(zhǔn)上。

　　實(shí)際上，傳感器產(chǎn)品具有內(nèi)在的計(jì)量屬性，其生產(chǎn)過(guò)程中存在大量和計(jì)量測(cè)試相關(guān)的環(huán)節(jié)?？v觀傳感器產(chǎn)業(yè)的全流程，從前端芯片制造，到中間幾次封裝，再到模組的集成裝配，直至終終端產(chǎn)品，涉及眾多的測(cè)試相關(guān)工序。其中，傳感器的批量標(biāo)定是關(guān)鍵步驟之一。傳感器產(chǎn)品在使用前必須經(jīng)過(guò)有效的標(biāo)定，這也被稱(chēng)為量產(chǎn)的后一公里。由于傳感器產(chǎn)品的差異性大等特點(diǎn)，和其他生產(chǎn)裝配工序相比，批量標(biāo)定環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度參差不齊，而且行業(yè)內(nèi)也未形成良好的分工，能提供成熟的傳感器批量標(biāo)定系統(tǒng)或服務(wù)的企業(yè)較少。特別是對(duì)于國(guó)內(nèi)的一些中小企業(yè)，自動(dòng)化標(biāo)定往往成為量產(chǎn)的后瓶頸。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于國(guó)內(nèi)傳感器企業(yè)（特別是中小企業(yè)），這種量產(chǎn)標(biāo)定需求主要表現(xiàn)為兩大類(lèi)：一是企業(yè)還處于起步階段，或者新切入某一傳感器領(lǐng)域，由于企業(yè)技術(shù)人員結(jié)構(gòu)的局限（缺乏標(biāo)定系統(tǒng)搭建能力），很多時(shí)候是從零開(kāi)始，系統(tǒng)搭建門(mén)檻高，影響產(chǎn)品導(dǎo)入速度。二是處于成長(zhǎng)期的企業(yè)需要新增產(chǎn)能時(shí)，原有標(biāo)定系統(tǒng)不能滿足需求，即缺乏足夠、、高質(zhì)量的批量標(biāo)定設(shè)備/系統(tǒng)，終使得產(chǎn)能受影響。

　　本案例中的中電集團(tuán)某所就遇到了上述問(wèn)題。該所近年來(lái)大力實(shí)施軍民融合戰(zhàn)略，進(jìn)軍MEMS傳感器市場(chǎng)（壓力傳感器等），其自身技術(shù)人員主要局限于傳感器的設(shè)計(jì)和加工等，缺乏有效的量產(chǎn)標(biāo)定系統(tǒng)搭建能力。

　　二、服務(wù)措施及技術(shù)路徑

　　在初了解到對(duì)方需求后，中心時(shí)間就組成了涵蓋壓力、傳感器測(cè)試、自動(dòng)化以及軟件等專(zhuān)業(yè)人才的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，并制定初步解決方案。帶著方案去拜訪，并邀請(qǐng)客戶(hù)來(lái)中心實(shí)地考察，終以技術(shù)實(shí)力和服務(wù)熱情取得對(duì)方信任。

　　在達(dá)成服務(wù)合作意向后，雙方團(tuán)隊(duì)一起針對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)狀、目標(biāo)和以及整體路徑進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并制定了項(xiàng)目計(jì)劃。原有標(biāo)定系統(tǒng)還處在實(shí)驗(yàn)室階段，人工操作，效率低下，一套氣體壓力標(biāo)準(zhǔn)器一天多能完成5片傳感器的標(biāo)定，僅僅滿足打樣需求。為了使客戶(hù)利益大化，我們的目標(biāo)是在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，改造為壓力傳感器全自動(dòng)批量標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小批量量產(chǎn)導(dǎo)入。制定的總體服務(wù)路徑遵循以下幾個(gè)原則：圍繞需求：綜合考慮客戶(hù)的技術(shù)目標(biāo)、導(dǎo)入時(shí)效、改造成本、系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)性等；基于基礎(chǔ)：以中心現(xiàn)有的壓力傳感器檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)；深度定制：根據(jù)選擇的調(diào)理芯片/調(diào)理板定制標(biāo)定系統(tǒng)；集眾所長(zhǎng)：參考并借鑒設(shè)備商的解決方案及其他成熟廠商的技術(shù)路徑。

　　對(duì)比于中心之前自主開(kāi)發(fā)的壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，企業(yè)需要的批量標(biāo)定系統(tǒng)和它的主要區(qū)別可以概括為“單個(gè)”與“批量”、“校準(zhǔn)”與“標(biāo)定”兩方面，如圖1所示。其中，標(biāo)定需要實(shí)現(xiàn)傳感器輸入輸出特性的非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)取?/p>

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

　　上述差別終體現(xiàn)在硬件架構(gòu)和軟件流程上。批量標(biāo)定系統(tǒng)由工控機(jī)、壓力控制器、高低溫箱、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)單元、氣源氣路、壓力腔體以及電源等其他配件組成，以氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)，壓力控制器和高低溫箱均與工控機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)各壓力點(diǎn)、各溫度點(diǎn)的自動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的溫度，控制高低溫箱達(dá)到設(shè)定溫，并反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；達(dá)到溫度后，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生所需的標(biāo)準(zhǔn)壓力，通過(guò)工裝接口傳遞到被校壓力傳感器；通過(guò)傳感器的調(diào)理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢傳感器的線性化及溫度補(bǔ)償。

　　系統(tǒng)的軟件功能包括:高低溫箱自動(dòng)控制。依據(jù)設(shè)定的溫度，進(jìn)行高低溫箱控制，達(dá)到設(shè)定溫度后，進(jìn)行壓力源控制；壓力源自動(dòng)控制。在選定壓力范圍后，系統(tǒng)將自動(dòng)按要求進(jìn)行加壓和降壓；線性化修正。對(duì)傳感器進(jìn)行線性化修正、自動(dòng)保存修正數(shù)據(jù)到傳感器內(nèi)部；溫度補(bǔ)償修正。對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正、自動(dòng)保存修正數(shù)據(jù)到傳感器內(nèi)部；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？筛鶕?jù)要求，保存修正數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理。依據(jù)算法，進(jìn)行計(jì)算修正數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)打印?？蓪⑿拚龜?shù)據(jù)按照要求的格式打印。

　　終實(shí)現(xiàn)的批量標(biāo)定系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一鍵式標(biāo)定，利用工控機(jī)控制所有儀器設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、標(biāo)定系數(shù)寫(xiě)入，以及其他附加工作。

　　三、服務(wù)效果和展望

　　該系統(tǒng)終交付給用戶(hù)并調(diào)試運(yùn)行后，可實(shí)現(xiàn)壓力傳感器多個(gè)壓力點(diǎn)、多個(gè)溫度點(diǎn)的批量化自動(dòng)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償功能。傳感器的標(biāo)定效率提升顯著，一批次完成96片傳感器（后續(xù)還可支持升級(jí)更多片），一天標(biāo)定產(chǎn)能達(dá)到4+個(gè)批次。由于減少了人工介入，工作質(zhì)量也得到改善，壓力傳感器批次的準(zhǔn)確性、一致性相比手工操作有極大提高，終效果得到了客戶(hù)的好評(píng)。

　　通過(guò)這個(gè)案例，也進(jìn)一步提升了中心在傳感器測(cè)試/標(biāo)定系統(tǒng)研制上的技術(shù)實(shí)力，有助于中心在行業(yè)中找準(zhǔn)定位，扮演更重要的角色：在提供傳統(tǒng)檢定/校準(zhǔn)/檢測(cè)服務(wù)的同時(shí)，致力于為企業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)傳感器測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)解決方案。

 計(jì)量服務(wù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)典案例：定制傳感器批量標(biāo)定系統(tǒng) 解決企業(yè)量產(chǎn)后瓶頸