微型熱導檢測器基線噪聲測試設備的研制

呂雪烽

摘 要：作為微型氣相色譜儀的關鍵部件微型熱導檢測器，基線噪聲高是其主要的失效模式。由于微型熱導檢測器采用MEMS工藝，制造工藝過程復雜，制造過程中涉及的參數眾多，實踐中很難把基線噪聲大的原因和過程參數關聯起來。因此采用基線噪聲測試設備對微型熱導檢測器進行無損測試是管控微型熱導檢測器質量的有效手段。

關鍵詞：微型氣相色譜儀；MEMS技術；微型熱導檢測器；噪聲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.118

微型氣相色譜儀具有分析速度快，體積小，重量輕，靈敏度高，精密度好，使用靈活，操作方便，適用面廣，低消耗，省能源等特點[1]，因此其具有巨大的研究價值及市場前景。隨著MEMS技術的發展，使得基于MEMS技術的微型熱導檢測器具有小型化、便攜式、高靈敏度等優勢，因此被廣泛用于微型氣相色譜儀。微型熱導檢測器，作為微型氣相色譜分析儀的主流檢測器，是微型氣相色譜分析的關鍵，其性能指標直接影響到微型氣相色譜儀的分析能力。Agilent 490微型氣相色譜儀正是使用了MEMS技術生產制備的微型熱導檢測器，使得Agilent 490氣相色譜儀具有了更出色的數據質量和更高的靈敏度[2]。為了達到微型氣相色譜儀的高性能指標，對于最主要影響微型熱導檢測器數據質量和靈敏度的基線噪聲問題，Agilent在生產過程中會進行嚴格的最終出廠測試。本文基于微型熱導檢測器的原理及結構，噪聲分析測試方法，充分考慮了現有測試的不足和局限性，構建了一套能無損、直接、有效的檢測出微型熱導檢測器本身噪聲水平的測試設備。

1 微型熱導檢測器的結構及原理

熱導檢測器是利用被測組分和載氣的熱導系數不同而響應的濃度型檢測器。微型熱導檢測器是由4根熱絲組成的惠斯通電橋結構，其原理及氣路示意圖如圖1所示。

圖1中R1，R2，R3，R4代表著4根結構和阻值完全相同的熱絲。其中R1和R2在同一個氣路管道（參考氣路），而R3和R4在另一個氣路管道（分析氣路）。當R1和R2管道通入參考載氣，R3和R4管道通入載氣和樣品混合氣時，由于熱導的差異性導致電橋會輸出與熱導系數成線性關系的信號。這就是微型熱導檢測器的檢測原理。

2 微型熱導檢測器噪聲分析及測試方法

根據微型熱導檢測器的原理，當分析氣路和參考氣路通入壓力流量完全相同的載氣時，其理論輸出應該為零。但現實情況中，會有許多因素導出輸出信號不為零，此時產生的輸出信號，即為我們需要測試和研究的噪聲。

在工程上，一般認為當信號的幅值大于噪聲幅值的3倍時，該信號可被視為有效信號，即微型熱導檢測器的最低檢測限。

LOD = 3N × 1/S

式中LOD為微型熱導檢測器最小檢測限，N為微型氣相色譜噪聲幅值，S為微型熱導檢測器的靈敏度。由以上公式可知，對于微型熱導檢測器，它的最低檢測限與噪聲的幅值成正比。所以，為了降低微型熱導檢測器的噪聲檢測限，應該盡量減小微型熱導檢測器的噪聲。

微型熱導檢測器噪聲源主要來自氣流抖動、震動、橋流的變化、熱噪聲和環境因素的變化等等[3]。惠斯通電橋上的4個電阻，阻值不可能完全相同，同時受氣流、橋流、熱量及環境變化的影響也不可能完全一致，因此微型熱導檢測器基線噪聲無法完全避免，為了保證微型氣相色譜儀分析結果的準確性，需要在微型氣相色譜儀生產過程中對微型熱導檢測器的基線噪聲進行嚴格的測試。

Agilent 微型熱導檢測器噪聲的測試方法，是先給微型熱導檢測器的兩路氣路管道通入完全相同的載氣，采集一段連續時間區域的微型熱導檢測器的輸出信號進行分析。由于輸出信號為電壓信號，因此分析方法采用電壓均方根噪聲分析方法，其采樣頻率設定為50赫茲，進樣時間設定為0毫秒。

每5秒作為一個分段區域，該分段區域的噪聲計算公式如下：

3 微型熱導檢測器基線噪聲測試設備的開發與實現

3.1 測試設備原理圖

傳統的微型熱導檢測器基線噪聲測試，一般都是在微型氣相色譜儀全部裝配完成之后進行產品最終測試。這種測試方法主要存在兩大缺點：一是最終測試之前，需要先把微型熱導檢測器裝配成微型氣相色譜儀整機。裝配過程需要對微型熱導檢測器通過膠水和管路連接。裝配過程中可能出現氣路泄漏或者堵塞，同時可能會造成兩路氦氣氣路進氣氣流不一致。由于引入了一些其他產生噪聲的因素，導致無法確定噪聲是否由于微型熱導檢測器本身的性能指標導致。二是最終測試之前經過的比較復雜的裝配和部件測試過程，如果只能在最終測試發現噪聲問題，會造成大量的浪費以及需要較長的返工時間。

本設備模擬了微型熱導檢測器的真實應用測試環境。利用微型氣相色譜儀的兩路通道控制兩路流量完全一致的氦氣氣流流入微型熱導檢測器兩路流道，在密閉的氦氣腔體環境中，將微型熱導檢測器加熱到一定溫度，通過微型氣相色譜儀的另一路通道的數據采集板對微型熱導檢測器惠斯通電橋提供輸入電壓，同時采集電橋輸出的電壓信號即噪聲信號。此設備主要硬件結構包括：一臺3通道的微型氣相色譜儀，電腦，加熱模塊，腔體，壓力計，流量計，隔膜泵，氣路開關閥，電控部件等主要零部件。其原理示意圖如圖2所示，通過真空泵及壓力計，控制腔體的真空度，然后吹掃氦氣到腔體中，從而形成密閉的氦氣環境。通過加熱及傳感器來控制微型熱導檢測器的溫度。本套設備保證了前端兩路流量完成一致，同時將微型熱導檢測器放在在腔體內的夾具上，兩路流道通過管路插入，由于測試環境充滿氦氣，可以消除氣路泄露或者堵塞的影響。因此，測試能無損進行，測試結果能直接反映微型熱導檢測器本身的性能。

3.2 測試結果數據分析

為了驗證測試設備測試結果的能直接反應微型熱導檢測器的質量水平及測試結果的有效性，應用統計分析，做了測試設備的重復性和重現性分析，并對比了微型熱導檢測器樣品在測試設備和微型氣相色譜儀最終測試中的結果。

量具重復性和再現性研究（Gage R&R Study）用來確定觀測到的過程變異中有多少是因測量系統變異所致。我們隨機選取了10片微型熱導檢測器樣品，每片測試3次，讀取每次的測試數據，并使用 Minitab 執行交叉Gage R&R 分析。其分析結果如圖3所示。其中量具的貢獻為6.11%，研究變異為24.71%。根據 AIAG 指導原則，該設備過程變異百分比介于 10% 到 30% 之間，測量系統是否可接受取決于具體應用、測量設備的成本、維修成本或其他因子[4]。考慮到基線噪聲的影響因子較多，并且微型氣相色譜儀裝配完成之后還會進行基線噪聲測試，我們認為此測試設備可以接受。

為了確認測試設備的第一類錯誤（誤將合格品誤判成不合格品）和第二類錯誤（誤將不合格品的判斷成合格品），我們隨機選取了50片樣品進行測試結果對比。其對比結果如圖4所示，此結果證明測試設備的結果和微型氣相色譜儀最終測試的基線噪聲結果相一致，出現第一類錯誤和第二類錯誤的概率非常低。

4 結論

通過以上測試結果的分析，我們得出結論：本套測試設備能夠有效的檢測出滿足基線噪聲性能指標的微型熱導檢測器。本套測試設備模擬了微型熱導檢測器在微型氣相色譜儀中的應用測試環境，能無損有效的檢測微型熱導檢測器的基線噪聲水平，解決了微型熱導檢測器在最終測試過程中無法確定噪聲是否來源于微型熱導檢測器本身的問題。同時無需等到最終測試就能得出微型熱導檢測器的噪聲性能指標，極大的節省了解決最終測試中噪聲問題所需的返工時間和物料浪費，極大的避免了前期裝配和測試時間的浪費。

參考文獻：

[1]微型便攜式氣相色譜儀的性能特點[M].http：//www.chemalink.net/books/C/2086/0.html.

[2]完全便攜的移動式氣相色譜儀[DB/OL].http：//cn.agilent.com/cs/library/brochures/5991-6041CHCN.pdf.

[3]游文斌，馮飛，俞正寅等.微型熱導檢測器溫控模塊研究[J].

[4]Automotive Industry Action Group （AIAG）（2010）. Measurement Systems Analysis Reference Manual，4th edition.