計量服務產(chǎn)業(yè)經(jīng)典案例：定制傳感器批量標定系統(tǒng) 解決企業(yè)量產(chǎn)后瓶頸

一、背景及需求

　　以微納制造技術為代表的各類新型傳感器及其模組是物聯(lián)網(wǎng)感知裝備的核心，也是國家物聯(lián)網(wǎng)感知裝備產(chǎn)業(yè)計量測試中心（以下簡稱“中心”）的主要服務對象。圍繞這些相關產(chǎn)品，傳統(tǒng)的計量校準服務主要停留在一些傳統(tǒng)傳感器/變送器的型式評價或者周期檢定/校準上。

　　實際上，傳感器產(chǎn)品具有內(nèi)在的計量屬性，其生產(chǎn)過程中存在大量和計量測試相關的環(huán)節(jié)。縱觀傳感器產(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，涉及眾多的測試相關工序。其中，傳感器的批量標定是關鍵步驟之一。傳感器產(chǎn)品在使用前必須經(jīng)過有效的標定，這也被稱為量產(chǎn)的后一公里。由于傳感器產(chǎn)品的差異性大等特點，和其他生產(chǎn)裝配工序相比，批量標定環(huán)節(jié)的自動化程度參差不齊，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定系統(tǒng)或服務的企業(yè)較少。特別是對于國內(nèi)的一些中小企業(yè)，自動化標定往往成為量產(chǎn)的后瓶頸。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對于國內(nèi)傳感器企業(yè)（特別是中小企業(yè)），這種量產(chǎn)標定需求主要表現(xiàn)為兩大類：一是企業(yè)還處于起步階段，或者新切入某一傳感器領域，由于企業(yè)技術人員結(jié)構(gòu)的局限（缺乏標定系統(tǒng)搭建能力），很多時候是從零開始，系統(tǒng)搭建門檻高，影響產(chǎn)品導入速度。二是處于成長期的企業(yè)需要新增產(chǎn)能時，原有標定系統(tǒng)不能滿足需求，即缺乏足夠、、高質(zhì)量的批量標定設備/系統(tǒng)，終使得產(chǎn)能受影響。

　　本案例中的中電集團某所就遇到了上述問題。該所近年來大力實施軍民融合戰(zhàn)略，進軍MEMS傳感器市場（壓力傳感器等），其自身技術人員主要局限于傳感器的設計和加工等，缺乏有效的量產(chǎn)標定系統(tǒng)搭建能力。

　　二、服務措施及技術路徑

　　在初了解到對方需求后，中心時間就組成了涵蓋壓力、傳感器測試、自動化以及軟件等專業(yè)人才的項目團隊，并制定初步解決方案。帶著方案去拜訪，并邀請客戶來中心實地考察，終以技術實力和服務熱情取得對方信任。

　　在達成服務合作意向后，雙方團隊一起針對項目現(xiàn)狀、目標和以及整體路徑進行了系統(tǒng)分析，并制定了項目計劃。原有標定系統(tǒng)還處在實驗室階段，人工操作，效率低下，一套氣體壓力標準器一天多能完成5片傳感器的標定，僅僅滿足打樣需求。為了使客戶利益大化，我們的目標是在原有設備基礎上，改造為壓力傳感器全自動批量標定系統(tǒng)，實現(xiàn)小批量量產(chǎn)導入。制定的總體服務路徑遵循以下幾個原則：圍繞需求：綜合考慮客戶的技術目標、導入時效、改造成本、系統(tǒng)后續(xù)維護性等；基于基礎：以中心現(xiàn)有的壓力傳感器檢定校準系統(tǒng)為基礎；深度定制：根據(jù)選擇的調(diào)理芯片/調(diào)理板定制標定系統(tǒng)；集眾所長：參考并借鑒設備商的解決方案及其他成熟廠商的技術路徑。

　　對比于中心之前自主開發(fā)的壓力傳感器校準系統(tǒng)，企業(yè)需要的批量標定系統(tǒng)和它的主要區(qū)別可以概括為“單個”與“批量”、“校準”與“標定”兩方面，如圖1所示。其中，標定需要實現(xiàn)傳感器輸入輸出特性的非線性補償、溫度補償、零點補償?shù)取?/p>

圖1 標定系統(tǒng)運行流程圖

　　上述差別終體現(xiàn)在硬件架構(gòu)和軟件流程上。批量標定系統(tǒng)由工控機、壓力控制器、高低溫箱、數(shù)據(jù)讀寫單元、氣源氣路、壓力腔體以及電源等其他配件組成，以氮氣為工作介質(zhì)，壓力控制器和高低溫箱均與工控機相連，從而實現(xiàn)各壓力點、各溫度點的自動控制。計算機根據(jù)設定的溫度，控制高低溫箱達到設定溫，并反饋到計算機系統(tǒng)；達到溫度后，系統(tǒng)自動產(chǎn)生所需的標準壓力，通過工裝接口傳遞到被校壓力傳感器；通過傳感器的調(diào)理單元，實現(xiàn)對被檢傳感器的線性化及溫度補償。

　　系統(tǒng)的軟件功能包括:高低溫箱自動控制。依據(jù)設定的溫度，進行高低溫箱控制，達到設定溫度后，進行壓力源控制；壓力源自動控制。在選定壓力范圍后，系統(tǒng)將自動按要求進行加壓和降壓；線性化修正。對傳感器進行線性化修正、自動保存修正數(shù)據(jù)到傳感器內(nèi)部；溫度補償修正。對傳感器進行溫度補償修正、自動保存修正數(shù)據(jù)到傳感器內(nèi)部；數(shù)據(jù)存儲。可根據(jù)要求，保存修正數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理。依據(jù)算法，進行計算修正數(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。

　　終實現(xiàn)的批量標定系統(tǒng)可實現(xiàn)一鍵式標定，利用工控機控制所有儀器設備，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、標定系數(shù)寫入，以及其他附加工作。

　　三、服務效果和展望

　　該系統(tǒng)終交付給用戶并調(diào)試運行后，可實現(xiàn)壓力傳感器多個壓力點、多個溫度點的批量化自動標定，實現(xiàn)溫度補償、零點補償、非線性補償功能。傳感器的標定效率提升顯著，一批次完成96片傳感器（后續(xù)還可支持升級更多片），一天標定產(chǎn)能達到4+個批次。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確性、一致性相比手工操作有極大提高，終效果得到了客戶的好評。

　　通過這個案例，也進一步提升了中心在傳感器測試/標定系統(tǒng)研制上的技術實力，有助于中心在行業(yè)中找準定位，扮演更重要的角色：在提供傳統(tǒng)檢定/校準/檢測服務的同時，致力于為企業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)傳感器測試標定系統(tǒng)解決方案。

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