CN104316654B - 用于测试气体传感器件快速响应特性的装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，包括换气室、位于换气室内的阀门、位于换气室外侧的电机，电机的动力输出轴穿过换气室的第一壁面，与阀门的中部固定连接，阀门与换气室的第二壁面贴合，第一壁面和第二壁面相对；换气室的第二壁面上设有出气口，换气室的壁面上设有进气孔，电机带动阀门旋转，阀门可完全覆盖出气口。该装置利用斩波工作特性获得连续快速的切换，实现传感器件快速响应特性的测试。还提供了该装置的测试方法，可以实现气体传感器在亚秒甚至毫秒级别的特性测试。

Description

用于测试气体传感器件快速响应特性的装置及测试方法

技术领域

本发明属于先进半导体材料测试技术的技术领域，具体来说，涉及一种用于测试气体传感器件快速响应特性的装置及测试方法。

背景技术

普通的气体传感器件一般用来检测某种或多种气体的含量或者液体中某种成分的含量。比如检测液化气等可燃气体的泄露，检测硫化氢、一氧化碳等有毒气体的泄露，检测空气中污染气体的含量等等。气体传感器件在这些应用领域扮演了重要的作用。对于一般的应用场合，传感器的响应时间一般在十几秒到几十秒的量级，这一相对较长的响应时间并不影响传感器件的使用。

在某些应用场合，快速的传感器响应成为一个重要指标，比如检测发动机气缸中几种气体的含量，高速运动物体周围环境的气体成分等等。这些应用场合要求传感器件具有高于检测体系检测量的变化速度的响应速度。这就对传感器件的快速响应提出了很高的要求。比如,上述发动机气缸中几种气体的含量的变化通常在数十毫秒的量级.由于高速传感器件研究领域的困难,目前为止,对发动机气缸中气体浓度的实时变化的检测仍然是一个很大的难题.

制备快速响应的传感器件的首要条件是要具备测试传感器快速响应的系统。目前的传感器件测试系统一般只具备测试十几秒到几十秒的量级的传感器件响应时间。对于亚秒级别的响应时间的测试，受限于系统设计的限制，通常需要特殊设计的管路、阀门和腔体。比如，快速响应测试的腔体必须做的比较小，同时管路的流速又要求比较大。通常提高流速的方法是提高阀门两侧的压力差或者增加管路直径。然而，在定量设定气体特性时，一般使用质量流量计进行进气。在使用质量流量计的情况下，提高阀门两侧的压力差并不会带来流量的增加。当质量流量计选定之后，通常测试系统的关键尺寸也相应的确定。所以，这一途径基本上直接受到腔体体积大小的限制。即使选用了更大流量的质量流量计，其相对较小的样品腔仍然会限制可能获得的最大流量。因此，可以认为腔体大小基本上确定了测试系统的一些关键参数。

除了缩小测试腔体这一措施，与之配套的高速动作的气体阀门也非常重要。高速的气体阀门需要在小于待测试的响应时间内实现气体的切换。对于测试快速响应的传感器件特性，气体在腔体内的通入和抽空的过程必须非常快速。要实现快速的气体切换，一般使用载气和待测气体交替通入测试腔体的方法进行。这一过程的快速进行需要有特别配套的高速阀门，因为质量流量计一般难以达到亚秒级的响应和稳定。然而，目前没有阀门可以实现亚秒或者毫秒级别的响应速度。另外，一般的气阀在打开和关闭阀门时对测试腔体内的气流都会产生扰动并伴随腔体的振动。这些因素限制了现有的气体阀门在高速传感响应器件测试中的用途。目前情况下，还没有一种有效的方法达到使腔体内的气体进行快速的切换，特别是亚秒级别和亚毫秒级别的气体切换。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，该装置利用斩波工作特性获得连续快速的切换，实现传感器件快速响应特性的测试。还提供了该装置的测试方法，可以实现气体传感器在亚秒甚至毫秒级别的特性测试。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，包括换气室、位于换气室内的阀门、位于换气室外侧的电机，电机的动力输出轴穿过换气室的第一壁面，与阀门的中部固定连接，阀门与换气室的第二壁面贴合，第一壁面和第二壁面相对；换气室的第二壁面上设有出气口，换气室的壁面上设有进气孔，电机带动阀门旋转，阀门可完全覆盖出气口。

进一步，所述的阀门位于同一平面上。

进一步，所述的阀门由叶片组成，叶片的一端相互连接，成一整体。

进一步，所述的叶片为两个或三个，且均匀分布。

进一步，所述的阀门从关闭状态到完全开启所需要的时间t₀、阀门从开启的状态到完全关闭状态所需要的时间t₀′、阀门处在开启状态的总时间t₁、阀门处在关闭状态的总时间t₂满足下式：

t₀＝t₀′＝α/w式(1)

t₁＝γ/w式(2)

t₂＝β/w式(3)

其中，w为电机的转子转速，α为出气口相对于转轴中心的张开的夹角，β为阀门中的叶片相对于转轴中心张开的夹角，γ为阀门中相邻两片叶片之间的夹角。

一种上述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置的测试方法，首先将换气室的出气口与样品室连接，将换气室的进气孔与进气单元连接，然后开启电机，利用电机带动阀门旋转，当阀门与出气口重合时，出气口处于关闭状态，换气室内的气体不能进入样品室，当阀门与出气口错位时，出气口处于打开状态，换气室内的气体进入样品室。

进一步，利用电机的转速来调节出气口处于开启状态的时长，使得出气口处于开启状态的时长为1秒以下。

进一步，所述的阀门位于同一平面上。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)可控制性强。本发明通过控制电机的转速,配合气管的形状,叶片的形状来控制阀门的开关断时间。由于气管的形状,叶片的形状可以简单地通过前期设计制造来达到,而电机的转速也可以通过控制电机来达到,所以其可控性非常强。

(2)转动更平稳，阀门周围气流扰动小。现有的气阀简单地控制阀门的开和关过程。这一过程通常使用类似于气塞的原理,其动作过程中不可避免的带来阀门周围气体的扰动。基于本专利的技术方案,可以使用叶片,通过设计叶片的形状，尽量减小对气体的扰动,其优化空间大,可以达到最优化的气体扰动。另外,叶片固定在中心轴上,对于加工对称的叶片，其转动过程可以非常平稳。这也有利于提高系统的稳定性。

(3)测微秒以下，快速响应为1秒以下。本发明装置的响应时间与气体的开或者关的时间相联系。快速的气体开或者关是测试快速响应的基础。通过优化设计叶片,出气口的形状以及控制叶片的转速,阀门的开关时间可以比较方便的控制在微秒量级。

附图说明

图1为本发明的剖面结构图。

图2为本发明中出气口处于打开状态时的剖面结构图。

图3为本发明中出气口处于关闭状态时的剖面结构图。

图4为本发明另一种叶片数的阀门的剖面结构图。

图5为本发明中部件角度的示意图。

图6是本发明中阀门处于打开和关闭状态随时间变化的曲线图。

其中，换气室1、阀门2、电机3，电机3、动力输出轴301、出气口4、进气孔5。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的一种用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，包括换气室1、位于换气室1内的阀门2、位于换气室1外侧的电机3，电机3的动力输出轴301穿过换气室1的第一壁面，与阀门2的中部固定连接，阀门2与换气室1的第二壁面贴合，第一壁面和第二壁面相对；换气室1的第二壁面上设有出气口4，换气室1的壁面上设有进气孔5，电机3带动阀门2旋转，阀门2可完全覆盖出气口4。当电机3带动阀门2旋转，阀门2不对进气孔5产生干涉。进气孔5可以设置在换气室1异于出气口4一侧的底面。

进一步，所述的阀门2位于同一平面上。当阀门2位于同一平面上时，可以减少阀门2在旋转时，对周围空气的扰动。

进一步，如图2所示，所述的阀门2由叶片组成，叶片的一端相互连接，成一整体。电机3的动力输出轴301与叶片的连接端连接。叶片的连接端位于阀门2的中心。如图2所示，叶片可以为两个。如图4所示，叶片可以为三个。叶片均匀分布。当然，叶片也可以是四个或多于四个。叶片的形状依据出气口的形状来设计，可以为扇形或其他形状。只要叶片在旋转的过程中能够完全覆盖出气口4，以及完全与出气口4错位即可。如图3所示，叶片覆盖出气口4时，实现了对出气口4的关闭，换气室1内的气体不能从出气口4排出。如图2所示，叶片与出气口4错位时，实现了开启出气口4，换气室1内的气体从出气口排出，进入样品室。在整个工作过程中，换气室1的气压应该大于样品室的气压，以驱动气体往样品室的运动。

上述用于测试气体传感器件快速响应特性的装置中，阀门2与换气室1的第二壁面之间贴合，实现密封。阀门2与第二壁面之间也可以使用难挥发，不与测试气体相反应的真空脂或者真空油等材料密封。密封方式可以采用本领域常用的技术手段，只要能够实现阀门2与换气室1的第二壁面之间不发生气体泄漏即可。本发明的装置用于测试气体传感器件快速响应特性，快速响应特性为1秒以下气体传感器件响应特性。

进一步，为达到测试气体传感器件快速响应特性，设电机3的转子转速为w，出气口4相对于转轴中心的张开的夹角为α，叶片相对于转轴中心张开的夹角为β，相邻两片叶片之间的夹角为γ。转轴为电机3的动力输出轴301。在电机3转子匀速转动的情况下，阀门正常工作时的典型气体流量随时间的变化如图6所示。图6中，t₀为阀门从关闭状态到完全开启所需要的时间，t₀′是阀门从开启的状态到完全关闭状态所需要的时间，t₁为阀门处在开启状态的总时间,t₂为阀门处在关闭状态的总时间。t₀＝t₀′＝α/w。t₁＝γ/w。t₂＝β/w。

如果要求开启或者关断(t₀和t₀′)的时间在小于一秒的范围，则要求α/w小于一秒。传感器的响应测试中，理想情况下，要求气体是具有非常陡峭的开—关转换，最好是这个时间严格等于0。这样，传感器的响应才可以真实的测到。因为气体完全开或者关后，待测传感器才开始输出相应的信号。传感器的响应性质的含义:类似于将一个铁片瞬间(转换时间等于0)从一个0度的环境放到100度的环境，然后看其温度上升的过程如何。这是高性能传感的一个重要指标。如果不是将铁片瞬间从一个0度的环境放到100度的环境，比如花了100秒的时间从一个0度的环境放到100度的环境，则这个参数测出来是不准确的。举例说明：假设α＝30度，则w应该大于30度/秒。一般电机的转速很容易达到数转/秒。则对于α＝30度的情况，可以获得阀门开关速度在数个毫秒。实际上，由于一般电机的转速很容易达到数百转/秒的速度，所以阀门的开关速度原理上是可以小于毫秒，达到微秒级别的。

如图2和图3所示，上述结构的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置的测试方法：首先将换气室的出气口4与样品室连接，将换气室的进气孔5与进气单元连接，然后开启电机3，利用电机3带动阀门2旋转，当阀门2与出气口4重合时，出气口4处于关闭状态，换气室1内的气体不能进入样品室，当阀门2与出气口4错位时，出气口4处于打开状态，换气室1内的气体进入样品室。

上述测试方法中，利用电机的转速来调节出气口4处于开启状态的时长，使得出气口4处于开启状态的时长为1秒以下。

本发明的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置解决了传感器件快速响应测试所需要的高速气体环境切换开关阀门的这一问题。利用阀门，在电机的驱动下实现气路的高速开关，配合小体积的样品室，获得一种测试传感器件快速响应的特性的方法。在本发明中，气路的开关时间可以通过控制电机的转速方便的进行控制。这样，气路的响应时间可控性好。同时，还可以通过改变阀门上的叶片的形状和大小，出气口的形状，位置和大小进行灵活的设置，来控制气路的开关时间。本发明的装置可实现测试气体传感器件在1秒以下级别的响应特性，且制造成本低。

Claims (7)

1.一种用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，其特征在于，该装置包括换气室(1)、位于换气室(1)内的阀门(2)、位于换气室(1)外侧的电机(3)，电机(3)的动力输出轴穿过换气室(1)的第一壁面，与阀门(2)的中部固定连接，阀门(2)与换气室(1)的第二壁面贴合，第一壁面和第二壁面相对；换气室(1)的第二壁面上设有出气口(4)，换气室(1)的壁面上设有进气孔(5)，电机(3)带动阀门(2)旋转，阀门(2)可完全覆盖出气口(4)；

所述的阀门(2)从关闭状态到完全开启所需要的时间t₀、阀门(2)从开启的状态到完全关闭状态所需要的时间t₀′、阀门(2)处在开启状态的总时间t₁、阀门(2)处在关闭状态的总时间t₂满足下式：

t₀＝t₀′＝α/w式(1)

t₁＝γ/w式(2)

t₂＝β/w式(3)

其中，w为电机(3)的转子转速，α为出气口(4)相对于转轴中心的张开的夹角，β为阀门(2)中的叶片相对于转轴中心张开的夹角，γ为阀门(2)中相邻两片叶片之间的夹角。

2.按照权利要求1所述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，其特征在于，所述的阀门(2)位于同一平面上。

3.按照权利要求2所述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，其特征在于，所述的阀门(2)由叶片组成，叶片的一端相互连接，成一整体。

4.按照权利要求3所述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置，其特征在于，所述的叶片为两个或三个，且均匀分布。

5.一种权利要求1所述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置的测试方法，其特征在于，首先将换气室的出气口(4)与样品室连接，将换气室的进气孔(5)与进气单元连接，然后开启电机(3)，利用电机(3)带动阀门(2)旋转，当阀门(2)与出气口(4)重合时，出气口(4)处于关闭状态，换气室(1)内的气体不能进入样品室，当阀门(2)与出气口(4)错位时，出气口(4)处于打开状态，换气室(1)内的气体进入样品室。

6.按照权利要求5所述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置的测试方法，其特征在于，利用电机的转速来调节出气口(4)处于开启状态的时长，使得出气口(4)处于开启状态的时长为1秒以下。

7.按照权利要求5或6所述的用于测试气体传感器件快速响应特性的装置的测试方法，其特征在于，所述的阀门(2)位于同一平面上。