可靠性强化试验技术在科学仪器中的应用探讨

2019-01-15刘祁李骞朱嘉伟

电子产品可靠性与环境试验 2018年6期

刘祁，李骞，朱嘉伟

(1.海军驻广州750厂军事代表室，广东广州 510656 2.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610；3.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州 510610)

0 引言

人类发展史上的每一次大的飞跃都是基于工具的巨大创新和根本变革驱动。作为 “工具”的科学仪器设备，其发展和创新往往是催生科技创新的重要因素之一。然而长期以来，我国的科学仪器创新不足，中高端仪器基本依赖进口，归根究底，主要还是由于国产科学仪器的可靠性水平不高造成的[1]。由于可靠性不高，导致国内用户采购国产科学仪器的信心不足，从而间接地制约了国产科学仪器行业的健康发展[2]。科学仪器具有典型的技术集成度高、系统性强和精密度高的特点，同时其使用环境绝大部分为实验室环境，尤其是部分光学设备对工作环境的要求极高，如恒温恒湿无振动等。因此，在行业内一度存在着不需要对科学仪器开展可靠性、环境适应性等相关试验的误区。

可靠性强化试验是一种快速提升目标产品的可靠性水平的有效手段，自从20世纪在国外提出以来，在各个行业均得到了广泛的应用，特别是电子、机电领域[3]。笔者调研发现，国外的知名科学仪器厂家，如安捷伦等也在产品研发阶段引入了可靠性强化试验技术，用于快速暴露产品的设计缺陷，从而改进设计，提高产品的可靠性水平。在国内，可靠性强化技术发展迅速，也有很多研究学者围绕试验方法开展了相关研究，例如：姜同敏等[4-5]围绕可靠性强化试验定量评估方法开展了大量的研究，温熙森等对模块级电子产品的可靠性强化试验方法开展了研究工作。但在科学仪器领域，相关研究还相对较少。因此，探索可靠性强化试验技术在科学仪器当中的应用显得十分必要。本文围绕科学仪器的特点，研究了科学仪器可靠性强化试验的方法，并选取典型的光谱仪系统开展了应用工作。

1 科学仪器的定义和特点

科学仪器是对事物组成、结构相互作用机理与机制、变化规律趋势等进行检测表征，并获得相关科学数据和图像的工具。我国著名科学家王大珩院士指出：“仪器是认识世界的工具、机器是改造世界的工具，而认识世界是改造世界的前提。”因此，科学仪器在我国科技创新、工业生产和国民活动中都具有重要的作用。

科学仪器是工业生产的 “倍增器”。“工欲善其事，必先利其器”，战略新兴产业的培育和发展需要科学仪器设备发挥 “千里眼”“顺风耳”的作用，科学仪器是战略新兴产业做精、做细、做强的基础驱动力。同时，科学仪器设备产业是典型的技术密集型产业，也是一个国家的战略性产业。

科学仪器是科学研究的 “先行官”。人类对未知世界的探索都需要依赖科学仪器，例如：天文望远镜的诞生，开辟了天文学研究的新纪元；透射电镜和扫描电镜的出现，促进了生命科学和材料科学研究的快速发展；扫描隧道显微镜的发明，推动了纳米科技的发展。因此，先进科学仪器设备往往对前沿学科和技术具有重要的引领和开拓作用。

科学仪器是国民活动中的 “物化法官”。当前，我国已进入全面建成小康社会的攻坚阶段。环境污染、食品安全、产品质量和人口健康等民生问题已在全社会范围内引起了高度重视，也是我国实施创新驱动发展战略迫切需要解决的重大问题。没有测量就没有科学管理，没有测量就没有质量。而测量往往需要借助于各种科学仪器来实现。由此可见，科学仪器在国民活动中同样发挥着重要的作用。

科学仪器按照国家标准规定一般可分为分析仪器、物理性能测试仪器、计量仪器、电子测量仪器、地球探测仪器、海洋仪器、海洋仪器、医学诊断仪器和核仪器，以及特种检测仪器等十一大类别，其中常见的有光谱、质谱、色谱、生化分析、力学性能和电磁测量等仪器。按照使用方式又可分为便携式仪器、实验室仪器和工业在线仪器等。其普遍存在技术集成度高 (光机电一体化)、绝大部分使用环境基本良好 (部分对使用要求极高)等特点。从构成上看，科学仪器设备产品一般由以下5个部分组成：1)主机，是检测技术和方法的物化；2)应用方法，针对不同领域、不同检测对象的测试、表征方法；3)数据库，包含大量相关的基础测试数据、谱图等；4)软件系统，包括操作软件、数据处理软件和控制软件等；5)配套部件，如样品前处理、环境条件 (真空、高温、高压和磁场)等。

2 科学仪器可靠性强化试验方案

2.1 总体思路

根据科学仪器设备的工作原理和组成特点，首先，应当选主机及其配套部件作为可靠性强化试验的具体对象，同时应当充分地考虑主机中如光谱仪中的光路部分、质谱当中的分子泵和四极杆等精密部件对环境有严格要求的部件，依照其设计应用目标和预期环境来确定是否跟随主机整体开展可靠性强化试验。一般试验对象确定流程如图1所示。

图1 科学仪器可靠性强化对象确定流程图

2.2 可靠性强化试验的流程

科学仪器可靠性强化试验的流程一般包括低温步进、高温步进、温度循环、振动步进和综合环境试验，当通过对象分析确定省略其中某一步骤时，可适当地调整。各种试验推荐顺序流程如图2所示。

图2 可靠性强化试验的一般流程

2.2.1 低温步进试验

低温步进应力试验的应力施加如图3所示。

图3 低温步进应力试验剖面

2.2.2 高温步进应力试验

高温步进应力试验的应力施加如图4所示。

图4 高温步进应力试验剖面

2.2.3 快速温度循环试验

快速温度循环试验的应力施加如图5所示。

图5 快速温度循环试验剖面

2.2.4 振动步进应力试验

振动步进应力试验的应力施加如图6所示。

图6 振动步进应力试验剖面

2.2.5 综合环境应力试验

综合环境应力试验的应力施加如图7所示。

图7 综合环境应力试验剖面

2.2.6 试验剖面注意事项

可靠性强化试验剖面中，应注意以下几点[6-7]。

a)每个低温和高温阶段的停留时间为：样品达到温度稳定时间+10 min+测试时间。

b)温度应力 (包括温度循环)试验时应进行3次起动检测，以考核样品在极端温度下的起动能力，3次起动后进行功能和性能检测，测试完毕后断电。

c)低温步进应力试验的终止条件为：以-60℃为低温步进试验结束温度，或者已经找到光源系统的低温工作极限。

d)高温步进应力试验终止条件：以100℃为高温步进试验结束温度，或者已经找到光源系统的高温工作极限。

e)快速温度循环试验从低温阶段开始。

f)快速温度循环温度变化速率为40℃/min。

g)振动应力频率范围为：5～10 000 Hz。

h)振动形式为：三轴六自由度超高斯随机振动。

i)振动步进应力试验终止条件为：以60 g作为振动步进试验结束量级，或者已经找到样品的工作极限。

3 案例应用

3.1 受试产品说明

本次试验选取了某型光谱仪作为受试产品，其由激发光源系统、分光系统、多通道检测系统和控制与数据处理系统4个部分组成，结构如图8所示。主要用于金属成分检测，工作环境为常规实验室环境条件。其工作原理主要为试样经光源激发以后所辐射的光，经入射狭缝照射到色散系统光栅上，经过分光以后各单色光被聚焦在焦面上形成光谱，在焦面上放置若干个出射狭缝，将分析元素的特定波长引出，分别投射到光电倍增管等接收器上，将光能转变为电信号，由积分电容存储，当曝光终止时，由测量系统逐个测量积分电容上的电压，依照所测电压值的大小来确定元素的含量。通过对系统的结构和技术特点进行分析，最终选定其光源系统作为此次可靠性强化的具体受试部件，光源系统的功能是把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后把这些气态原子激发，使之产生特征光谱。光源系统的组成及层次图如图9所示。