CN103048358B - 一种半导体微纳单晶气敏传感器测试系统 - Google Patents

一种半导体微纳单晶气敏传感器测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气敏传感器测试技术领域，具体涉及一种用于半导体微纳单晶的简单稳定可靠的测试系统。主要由IC电路板、排针、测试芯片底座、测试芯片转换座、测试腔体、与测试腔体配套的盲板和紧固件、固定支架、和外界信号输出端口，进气系统、气体流量监控及组分调控单元、尾气回收系统以及半导体电学测试系统组成。利用本发明，提供了一种对半导体微纳单晶元件进行气敏测试的方法，结构简单、方便实用、工作效率高能够满足低气压气敏测试需要。

Description

一种半导体微纳单晶气敏传感器测试系统
技术领域
本发明涉及气敏传感器测试技术领域，具体涉及一种用于半导体微纳单晶的简单稳定可靠的测试系统。 
背景技术
随着现代科学技术的发展和人类社会的进步，一方面人类在创造了巨大的财富的同时，另一方面又给生态环境和生活环境带来了严重的污染。这些污染带来的一系列问题，如温室效应、酸雨、臭氧层的破坏等也不容忽视，因此迅速准确地检测到这些有毒、有害气体成为一种迫切需要。气敏传感器正是在这样的背景下得到了迅速的发展。 
在众多的气体传感器中，半导体式气体传感器由于它成本低、寿命长以及对湿度敏感度低等优点，一直以来受到广泛的关注和研究。但是其稳定性不够理想，功率要求较高，必须在较高温度下工作。上世纪九十年代中期，由于纳米科技的出现，半导体微纳单晶凭借其大的比表面积、简单而大批量的生产工艺、纳米单晶的较高稳定性、室温下就可以进行信号传输等这些优势，成为制备高性能的气敏传感器的理想材料。九州大学的Yamazoe研究组系统的研究了SnO2薄膜的晶界尺寸对其气敏性能的影响（Sensors and Actuators B 1991，3,147~155）；哈佛大学的Lieber研究组在应用硅纳米线和纳米带在化学和生物监测上开展了开创性的工（SCIENCE 2001，293，1289~1292）；美国佐治亚理工学院的王中林研究组使用单晶氧化锡纳米带制备出对CO和NO2性能稳定而且灵敏度高的传感器（APPLIED PHYSICS LETTERS 2002，81,1869~1871）；加州大学的Kolmakov组使用单根超长的氧化锡纳米带做成e-nose型器件实现对多种不同气体的检测。 
尽管这些工作在微纳单晶传感器方面取得了较大进展，但是对微纳单晶的传感器测试系统的研究却有些延后。目前主要的测试系统分为两类，第一类为静态气敏测试系统（一种低温静态气敏测试装置，申请号：201120530129.5），它的主要特点是将目标测试气体直接通入封闭的传感器室。此类测试系统只能用于测量传感器的静态响应；另一类是流气测试系统。目前国内气敏元件测试装置结构过于简单，无法满足屏蔽外界信号的干扰而获得较为精确的数据；其中部分精度高的测试平台结构较为复杂（J. Nanosci. Nanotechnol. 2008, 8,101~121），只能在有较高技术条件的实验室完成。这些问题再一定程度上阻碍了半导体微纳单晶气体传感器的发展。 
发明内容
为了实现对半导体微纳单晶元件在高精度条件下的气敏测试，本发明的提供了一种简单可靠的测试系统，以解决现有气敏元件动态测试装置中存在的不足之处，实现半导体微纳单晶元件对多种气体的测量，提升了测试结果精度以及器件响应的灵敏度。 
技术方案 
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种半导体微纳单晶气敏元件测试系统，该系统主要由IC电路板1、HD78835型排针、测试芯片底座、DIP-16型测试芯片转换座、测试腔体（KF40的四通不锈钢管）、测试腔体配套的盲板快速连接法兰、固定支架、与半导体电学测试系统相连的外接信号输出端口（CS-719型轴航空接头）组成、半导体电学测试系统、进气系统、气体流量监控及组分调控单元以及尾气回收系统组成。
将制备好的SnO2单晶纳米带场效应晶体管固定在芯片底座上，单晶纳米带场效应晶体管的各个电极与芯片底座上的电极相连；在IC电路板上焊接测试芯片转换座和排针，使测试芯片转换座的各个针孔和排针一一对应并且导通；IC电路板固定在固定支架上；外接信号输出端口和排针相连，外接信号输出端口和固定支架固定在盲板上,将以上完成连接的组件密封固定在测试腔体中；将测试腔体分别与进气系统气体流量监控及组分调控单元尾气回收系统以及通过外接信号输出端口与半导体电学测试系统相连接。 
  本发明具有以下有益效果： 
1.本发明提供的这种半导体微纳单晶气敏元件测试系统，结构简单，方便实用；
2.整个腔体采用不锈钢KF标准件，简化了制作工艺，保证了系统扩展性而且可以屏蔽外界的噪声干扰，实现实时的信号传输；
3.所有环节采用O型环密封保证腔体密闭性，能够是体系真空度保持到10--5torr，满足低压气压气敏测试需求。
4.通过IC电路板，使得器件微观电路外联脱离测试平台独立进行，提高工作效率。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 
图1是本发明专利的原理图。 
图2是本发明专利的结构图 
图3是单晶SnO2纳米带基气敏元件对NO2的响应结果
图4是单晶SnO2纳米带基气敏元件对SO2的响应结果
图5是单晶SnO2纳米带基气敏元件对NO2不同浓度灵敏度示意图
图6是单晶SnO2纳米带基气敏元件对SO2不同浓度灵敏度示意图
图1中，1为IC电路板，2为排针，3为测试芯片底座，4为测试芯片转换座、5为测试腔体（KF40的四通不锈钢管），6为与测试腔体配套的盲板，7为固定支架，8为外接信号输出端口（3轴航空接头）。
图2中，5是测试腔体，9是半导体电学测试系统，主要用来测试在半导体微纳单晶器件在不同气氛条件下的电学性能；10是进气系统，主要作用是将待测气体和载气通入测试腔体5；11是气体流量监控及组分调控单元在，主要有质量流量计组成。用来控制测试腔体5中气体浓度；12是尾气回收系统，主要用于回收测试之后的各种气体，防止其对环境的危害。
具体实施方式
实施例1 
1．  将制备好的SnO2单晶纳米带场效应晶体管封装在与芯片底座3上；
2．  将芯片底座3的针脚插入测试芯片转换座4；
3．  将与外接信号输出端口8相连的杜邦线与排针2上的针脚相连，要求SnO2纳米带型场效应晶体各个电极相对应的排针的针脚相连；
4．  将完成连接的组件用快速连接法兰固定在测试腔体5中；
5．  将测试腔体的各个部分与半导体电学测试系统9、进气系统10、气体流量监控及组分控制单元11以及尾气回收系统12；
6．  将外接信号输出端口8与半导体电学性能测试系统用配套航空接头相连；
7．  通入N2到测试腔体中，待测试系统稳定后，通入测试气体NO2，对半导体微纳单晶器件的气敏性能进行测试。
8．  通入20ppb的NO2进行测试，待响应稳定后依次通入40ppb和80ppb的NO2，测试结果参考图2 
9．  从测试的结果上可以看出，本测试平台能够很好的测试半导体微纳单晶器件的气敏性能，屏蔽外界因素对测试系统的影响，同时对待测气体的低浓度测试有很高的灵敏度。
实施例2
步骤1~7参考实施例1的步骤1~7
8．  通入50ppb的SO2进行测试，然后待响应稳定后依次通入80ppb和100ppb的SO2，测试结果参考图3
9．  从测试的结果上可以看出，本测试平台能够很好的测试半导体微纳单晶器件的气敏性能，屏蔽外界因素对测试系统的影响，同时对待测气体的低浓度测试有很高的灵敏度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种半导体微纳单晶气敏传感器测试系统，其特征是结构如下：将制备好的SnO2单晶纳米带场效应晶体管固定在芯片底座（3）上，单晶纳米带场效应晶体管的各个电极与芯片底座（3）上的电极相连；在IC电路板（1）上焊接测试芯片转换座（4）和排针（2），使测试芯片转换座(4)的各个针孔和排针(2)一一对应并且导通；IC电路板(1)固定在固定支架(7)上；外接信号输出端口(8)和排针(2)相连，外接信号输出端口(8)和固定支架(7)固定在盲板(6)上,将以上完成连接的组件密封固定在测试腔体(5)中；将测试腔体（5）的三个端口分别与气体流量监控及组分调控单元（11）外接信号输出端口（8）和尾气回收系统（12）相连接，其中所述气体流量监控及组分调控单元（11）与进气系统（10）相连接；所述外接信号输出端口（8）与半导体电学测试系统（9）相连接。
2.按权利要求１所述的一种半导体微纳单晶气敏传感器测试系统，其特征是单晶纳米带场效应晶体管为SnO2单晶纳米带场效应晶体管，外接信号输出端口（8）和排针（2）通过双头杜邦线相连，杜邦线接头处使用热缩胶管；外接信号输出端口（8）即CS-719型3轴航空接头和固定支架（7）通过之前设计加工好的螺纹来固定在盲板（6）上，在固定孔处加入O型橡胶密封圈。
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