一種測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法和裝置，采用活塞控制系統(tǒng)，按照氣體壓縮比alpha和拉伸比beta，控制活塞的往復(fù)運(yùn)動，對氣缸中的目標(biāo)氣體進(jìn)行氣體的壓縮和膨脹，在氣體壓縮和拉伸的過程中對待測氣體傳感傳感器件的響應(yīng)特性進(jìn)行測試。本發(fā)明克服了常規(guī)手段中通過縮小腔體體積來獲得高傳感響應(yīng)速度的方法存在的問題和缺陷，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和可實(shí)現(xiàn)性。
【專利說明】一種測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法和裝置
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法，尤其涉及一種利用壓縮氣缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速響應(yīng)傳感器件的方法，屬于先進(jìn)半導(dǎo)體材料測試【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]普通的氣體傳感器件一般用來檢測某種或多種氣體的含量。比如檢測液化氣等可燃?xì)怏w的泄露，檢測硫化氫、一氧化碳等有毒氣體的泄露，檢測空氣中污染氣體的含量等等。氣體傳感器件在這些應(yīng)用領(lǐng)域扮演了重要的作用。對于一般的應(yīng)用場合，傳感器的響應(yīng)時間一般在十幾秒到幾十秒的量級，這一相對較長的響應(yīng)時間并不影響傳感器件的使用。
[0005]在某些應(yīng)用場合，快速的傳感器響應(yīng)成為一個重要指標(biāo)，比如檢測發(fā)動機(jī)氣缸中幾種氣體的含量，高速運(yùn)動物體周圍環(huán)境的氣體成分等等。這些應(yīng)用場合要求傳感器件至少具有毫秒量級的響應(yīng)速度。這就對傳感器件的快速響應(yīng)提出了很高的要求。
[0006]制備快速響應(yīng)的傳感器件的首要條件是要具備測試傳感器快速響應(yīng)的系統(tǒng)。目前的傳感器件測試系統(tǒng)一般只具備測試十幾秒到幾十秒的量級的傳感器件響應(yīng)時間。對于亞秒級別的響應(yīng)時間的測試，受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制，通常需要特殊設(shè)計(jì)的管路和腔體。舉例而言，對于一個尺寸為30cm*30cm*10cm的測試系統(tǒng)(體積3000cnT3=3000mL)的測試腔體，配備管路的可控最大流速取決于所使用的質(zhì)量流量計(jì)，其最大流量假設(shè)為500Sccm。則整個換氣時間為6分鐘。也即對于小于6分鐘的傳感器件響應(yīng)時間，此系統(tǒng)是不可測的。要測量傳感器的快速響應(yīng)特性，必須縮小腔體的體積。比如，假如要獲得小于一秒的響應(yīng)時間，最大流量仍然假設(shè)為500SCCm時，腔體的體積應(yīng)該小于8.3mL.也即腔體只能有2cm見方的大小，這一大小幾乎接近于一般傳感器件的尺寸。而假如要測試幾十毫秒量級的傳感響應(yīng)時間，腔體的大小則要小于lmL。而如此小的體積對于某些類型的傳感器件幾乎是沒有任何意義的。
[0007]另外，在設(shè)計(jì)腔體的時候，流體力學(xué)的限制使得必然存在一定的“死空間”。在此空間內(nèi)氣體的流動相對弱，氣體的交換更慢。這一空間的存在對均勻和有效的氣體切換產(chǎn)生很大的影響，勢必增加腔體的響應(yīng)時間。為此，設(shè)計(jì)一款方便使用的，適用于快速傳感器件的測試系統(tǒng)具有多方面的困難，引入具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]技術(shù)問題:本發(fā)明提出一種氣體被同步壓縮或者拉伸，氣體濃度分布均勻，可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下的氣體傳感特性測試，方便濃度轉(zhuǎn)化，具有大的動態(tài)范圍，可控性能好的測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法，同時提供一種實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。 技術(shù)方案:本發(fā)明的測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法，包括如下步驟:
1)將待測氣體傳感器件固定在測試裝置的氣缸的底座處；
2)通過控溫系統(tǒng)控制氣缸腔體內(nèi)部的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度T，所述控溫系統(tǒng)為設(shè)置在氣缸外壁和活塞上的加熱和冷卻裝置；
3)通過氣缸底座處的進(jìn)氣口通入體積為VO的目標(biāo)氣體；
4)開啟活塞控制系統(tǒng)，按照氣體壓縮比alpha和拉伸比beta，控制活塞的往復(fù)運(yùn)動，對氣缸中的目標(biāo)氣體進(jìn)行氣體的壓縮和膨脹，所述氣體從最大膨脹體積Vl= beta*V0壓縮至最小壓縮體積V2= alpha*V0的時間為壓縮周期tl,氣體最小壓縮體積V2膨脹至最大膨脹體積Vl的時間為膨脹周期t2，所述tl和t2的取值范圍為小于I秒；
5)在氣體壓縮和拉伸的過程中對待測氣體傳感傳感器件的響應(yīng)特性進(jìn)行測試。
[0010]本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述步驟2)中的設(shè)定溫度T為根據(jù)待測氣體傳感器件的工作溫度確定的溫度范圍。
[0011 ] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述氣體壓縮比alpha和拉伸比beta根據(jù)待測氣體傳感器件的傳感響應(yīng)范圍來確定。
[0012]本發(fā)明的測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的裝置，包括氣缸、設(shè)置在所述氣缸中的活塞、設(shè)置在氣缸底座處的進(jìn)氣口和排氣孔、設(shè)置在氣缸外壁和活塞上的加熱和冷卻裝置、用于驅(qū)動活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動的驅(qū)動裝置、用于控制加熱和冷卻裝置的溫控系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明裝置的優(yōu)選方案中，該裝置還包括與待測氣體傳感器件連接的測試響應(yīng)特性的儀表。
[0014]本發(fā)明使用具有不同壓縮比，不同壓縮速度的氣缸作為傳感器測試的腔體，通過快速的壓縮或者拉伸氣體改變腔體內(nèi)的氣體濃度。其中氣體的絕對濃度可以簡單的通過壓縮體積比獲得，而壓縮的速度快慢決定可測的傳感器響應(yīng)速度。
[0015]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明克服了常規(guī)手段中通過縮小腔體體積來獲得高傳感響應(yīng)速度的方法存在的問題和缺陷，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和可實(shí)現(xiàn)性，其優(yōu)勢如下:
1.現(xiàn)有的測試系統(tǒng)中，通常使用流動的氣體進(jìn)行傳感器件響應(yīng)特性的測試，氣體經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入腔體,經(jīng)過排氣口排出腔體.此過程氣體損耗大,不利于降低測試成本,氣體在流過腔體的過程中，流體力學(xué)所限制的流體不均勻性使氣體局域濃度存在差別。而本發(fā)明中，氣缸內(nèi)可以按需沖入定量氣體。氣體的含量可通過質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確的給定。根據(jù)需要還可以沖入多種氣體進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境條件下的響應(yīng)特性測試。
[0016]2.現(xiàn)有測試腔體中，氣流流經(jīng)腔體時在腔體的拐角等非光滑區(qū)域的氣體流速具有差別，形成”死空間”，導(dǎo)致?lián)Q氣過程不能及時有效的進(jìn)行，最終限制可測試的響應(yīng)時間。而本發(fā)明中，腔體內(nèi)氣體被同步壓縮或者拉伸，氣體濃度分布均勻，不存在“死空間”，極大提高了測試的可靠性。
[0017]3.現(xiàn)有測試方法中，氣體流經(jīng)腔體會帶走熱量，當(dāng)氣體問題高于腔體或者傳感器表面溫度時氣體放熱，使后者溫度升高，反之使后者溫度降低，.在測試傳感器件在特定溫度的響應(yīng)特性時，不利于體系溫度的穩(wěn)定.本實(shí)驗(yàn)方法以及儀器結(jié)構(gòu)可以可以實(shí)現(xiàn)有效的溫度控制，不存在氣流的干擾。而本發(fā)明中，氣缸溫度可以進(jìn)行良好的控制。通過優(yōu)化氣缸以及活塞的材料強(qiáng)度，熱導(dǎo)率等參數(shù)?？梢酝ㄟ^外部溫控的方式控制氣缸的溫度，以此實(shí)現(xiàn)不同溫度下的氣體傳感特性測試。
[0018]4.現(xiàn)有方法通常使用改變氣體配比或者氣體流量的方式進(jìn)行.此過程需要一定的穩(wěn)定時間，并且通常具有較大的誤差。而本發(fā)明中，氣缸可以通過簡單的控制壓縮比來設(shè)定腔內(nèi)氣體的絕對濃度。各種濃度可以方便的進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使測試方便的進(jìn)行。
[0019]5.現(xiàn)有測試方法雖然可以在較大范圍切換氣體濃度，但是無法實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)的切換。而本發(fā)明中，氣缸具有優(yōu)秀的機(jī)動性能，可以具有大的動態(tài)范圍，可控性能好。
[0020]6.本發(fā)明中，氣缸的實(shí)際尺寸應(yīng)該考慮氣缸的材料特性，選擇合適的壓縮比，最大可承受壓強(qiáng)，氣缸密封性，綜合考慮所測量的傳感器特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0021]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是一種典型的用于測試氣體傳感特性的氣缸結(jié)構(gòu)側(cè)視圖:A為活塞，由機(jī)械帶動在氣缸B內(nèi)滑動。
[0023]圖2為氣缸拉伸時的結(jié)構(gòu)示意圖，此時氣缸內(nèi)氣體膨脹，氣體濃度降低。
[0024]圖3為氣缸壓縮時的結(jié)構(gòu)示意圖，此時氣缸內(nèi)氣體壓縮，氣體濃度增加。
[0025]圖4為本發(fā)明測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5為一種基于本發(fā)明所述的傳感器測試裝置的連接原理圖。
[0027]圖中有:活塞A，氣缸B，進(jìn)氣口 C，排氣口 L，電路接線D，待測傳感器D’，加熱爐絲E,冷卻系統(tǒng)M,測溫元件F,氣缸單元G,氣缸的動力驅(qū)動單元H,溫控單元I,氣路單元J,電信號測試單元K。
[0028]

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]實(shí)施例1:本發(fā)明傳感器測試裝置的連接原理如圖5所述，測試裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中C為進(jìn)氣或者排氣口，其大小、數(shù)量和數(shù)量可以按照具體需要設(shè)計(jì)。D為連接待測傳感器，參考傳感器，氣壓傳感器或者其他腔內(nèi)電子線路的電路接線。D’為待測傳感器，其具體位置、大小和電路配置情況也可以依據(jù)具體測試要求設(shè)定。E為加熱爐絲或者冷卻系統(tǒng)，其和測溫元件F —起組成溫控頭，與溫控系統(tǒng)連接后形成腔體的控溫單元。依據(jù)所使用的環(huán)境條件和測試需求的不同，可以選用不同的加熱和冷卻方式，比如:電阻加熱，感應(yīng)加熱；水冷卻，液氮冷卻或者液氦冷卻。控溫單元也可以安裝在活塞上以取得更好的溫控效果。
[0031]本發(fā)明裝置中，氣缸的結(jié)構(gòu)可以為圓柱形，立方形或者三角柱形或者其他結(jié)構(gòu)?；钊鸄的形狀應(yīng)緊貼氣缸內(nèi)壁，保證和氣缸有一段氣密接觸。兩者之間依靠摩擦接觸實(shí)現(xiàn)氣密?；蛘呤褂貌划a(chǎn)生污染的潤滑油，密封脂等類似的材料進(jìn)行更好的密封。密封材料的選擇應(yīng)當(dāng)盡量減少可能帶來的對樣品室的污染。同時依據(jù)具體的測試配置，氣缸的壓縮行程有一最大值，以避免活塞觸及氣缸內(nèi)安裝的測試部件。
[0032]實(shí)施例2:測試裝置中氣缸底部直徑10厘米，氣缸長度50厘米。控制腔體和活塞溫度為O攝氏度并使其穩(wěn)定。使用二氧化碳?xì)怏w作為待測氣體，沖入二氧化碳?xì)怏w1570立方厘米，此時腔體內(nèi)氣體的摩爾濃度為44.8mol/L。使得活塞位于距離底面20厘米處，腔體內(nèi)為大氣壓強(qiáng)。設(shè)定壓縮比為3，拉伸比為2，則壓縮狀態(tài)下活塞運(yùn)行至距離底面6.7厘米處，拉伸狀態(tài)下活塞運(yùn)行至距離底面40厘米處，則兩種狀態(tài)下單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)量的改變是6倍，計(jì)算為從134.4 mol/L變?yōu)?2.4 mol/L?？刂苹钊诖诵谐讨惺褂玫臅r間是0.1秒，則可以測試傳感器件在這兩個濃度下0.1秒以上的響應(yīng)行為。
[0033]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)為本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。應(yīng)當(dāng)指出:對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代、變型和改進(jìn)，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)將待測氣體傳感器件固定在測試裝置的氣缸的底座處； 2)通過控溫系統(tǒng)控制氣缸腔體內(nèi)部的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度T，所述控溫系統(tǒng)為設(shè)置在氣缸外壁和活塞上的加熱和冷卻裝置； 3)通過氣缸底座處的進(jìn)氣口通入體積為VO的目標(biāo)氣體； 4)開啟活塞控制系統(tǒng)，按照氣體壓縮比alpha和拉伸比beta，控制活塞的往復(fù)運(yùn)動，對氣缸中的目標(biāo)氣體進(jìn)行氣體的壓縮和膨脹，所述氣體從最大膨脹體積Vl= beta*V0壓縮至最小壓縮體積V2= alpha*V0的時間為壓縮周期tl,氣體最小壓縮體積V2膨脹至最大膨脹體積Vl的時間為膨脹周期t2，所述tl和t2的取值范圍為小于I秒； 5)在氣體壓縮和拉伸的過程中對待測氣體傳感傳感器件的響應(yīng)特性進(jìn)行測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法，其特征在于，所述步驟2)中的設(shè)定溫度T為根據(jù)待測氣體傳感器件的工作溫度確定的溫度范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的方法，其特征在于，所述氣體壓縮比alpha和拉伸比beta根據(jù)待測氣體傳感器件的傳感響應(yīng)范圍來確定。
4.一種測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的裝置，其特征在于，該裝置包括氣缸、設(shè)置在所述氣缸中的活塞、設(shè)置在氣缸底座處的進(jìn)氣口和排氣孔、設(shè)置在氣缸外壁和活塞上的加熱和冷卻裝置、用于驅(qū)動活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動的驅(qū)動裝置、用于控制加熱和冷卻裝置的溫控系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測試氣體傳感器件快速響應(yīng)特性的裝置，其特征在于，該裝置還包括與待測氣體傳感器件連接的測試響應(yīng)特性的儀表。
【文檔編號】G01N33/00GK104330531SQ201410594648
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】萬能, 黃見秋 申請人:東南大學(xué)