CN104330531B - 一种测试气体传感器件快速响应特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试气体传感器件快速响应特性的方法和装置，采用活塞控制系统，按照气体压缩比alpha和拉伸比beta，控制活塞的往复运动，对气缸中的目标气体进行气体的压缩和膨胀，在气体压缩和拉伸的过程中对待测气体传感传感器件的响应特性进行测试。本发明克服了常规手段中通过缩小腔体体积来获得高传感响应速度的方法存在的问题和缺陷，具有明显的优点和可实现性。

Description

一种测试气体传感器件快速响应特性的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测试气体传感器件快速响应特性的方法，尤其涉及一种利用压缩气缸结构进行快速响应传感器件的方法，属于先进半导体材料测试技术领域。

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。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至少具有毫秒量级的响应速度。这就对传感器件的快速响应提出了很高的要求。

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和腔体。举例而言，对于一个尺寸为30cm*30cm*10cm的测试系统（体积3000cm^3=3000mL）的测试腔体，配备管路的可控最大流速取决于所使用的质量流量计，其最大流量假设为500sccm。则整个换气时间为6分钟。也即对于小于6分钟的传感器件响应时间，此系统是不可测的。要测量传感器的快速响应特性，必须缩小腔体的体积。比如，假如要获得小于一秒的响应时间，最大流量仍然假设为500sccm时，腔体的体积应该小于8.3mL.也即腔体只能有2cm见方的大小，这一大小几乎接近于一般传感器件的尺寸。而假如要测试几十毫秒量级的传感响应时间，腔体的大小则要小于1mL。而如此小的体积对于某些类型的传感器件几乎是没有任何意义的。

另外，在设计腔体的时候，流体力学的限制使得必然存在一定的“死空间”。在此空间内气体的流动相对弱，气体的交换更慢。这一空间的存在对均匀和有效的气体切换产生很大的影响，势必增加腔体的响应时间。为此，设计一款方便使用的，适用于快速传感器件的测试系统具有多方面的困难，引入具有显著的现实意义。

发明内容

技术问题：本发明提出一种气体被同步压缩或者拉伸，气体浓度分布均匀，可靠性高，能够实现不同温度下的气体传感特性测试，方便浓度转化，具有大的动态范围，可控性能好的测试气体传感器件快速响应特性的方法，同时提供一种实现该方法的装置。

技术方案：本发明的测试气体传感器件快速响应特性的方法，包括如下步骤：

1）将待测气体传感器件固定在测试装置的气缸的底座处；

2）通过控温系统控制气缸腔体内部的温度稳定在设定温度T，所述控温系统为设置在气缸外壁和活塞上的加热和冷却装置；

3）通过气缸底座处的进气口通入体积为V0的目标气体；

4）开启活塞控制系统，按照气体压缩比alpha和拉伸比beta，控制活塞的往复运动，对气缸中的目标气体进行气体的压缩和膨胀，所述气体从最大膨胀体积V1=beta*V0压缩至最小压缩体积V2=alpha*V0的时间为压缩周期t1，气体最小压缩体积V2膨胀至最大膨胀体积V1的时间为膨胀周期t2，所述t1和t2的取值范围为小于1秒；

5）在气体压缩和拉伸的过程中对待测气体传感传感器件的响应特性进行测试。

本发明方法的优选方案中，所述步骤2）中的设定温度T为根据待测气体传感器件的工作温度确定的温度范围。

本发明方法的优选方案中，所述气体压缩比alpha和拉伸比beta根据待测气体传感器件的传感响应范围来确定。

本发明的测试气体传感器件快速响应特性的装置，包括气缸、设置在所述气缸中的活塞、设置在气缸底座处的进气口和排气孔、设置在气缸外壁和活塞上的加热和冷却装置、用于驱动活塞在气缸中往复运动的驱动装置、用于控制加热和冷却装置的温控系统。

本发明装置的优选方案中，该装置还包括与待测气体传感器件连接的测试响应特性的仪表。

本发明使用具有不同压缩比，不同压缩速度的气缸作为传感器测试的腔体，通过快速的压缩或者拉伸气体改变腔体内的气体浓度。其中气体的绝对浓度可以简单的通过压缩体积比获得，而压缩的速度快慢决定可测的传感器响应速度。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明克服了常规手段中通过缩小腔体体积来获得高传感响应速度的方法存在的问题和缺陷，具有明显的优点和可实现性，其优势如下：

1.现有的测试系统中，通常使用流动的气体进行传感器件响应特性的测试，气体经进气口进入腔体，经过排气口排出腔体.此过程气体损耗大，不利于降低测试成本，气体在流过腔体的过程中，流体力学所限制的流体不均匀性使气体局域浓度存在差别。而本发明中，气缸内可以按需冲入定量气体。气体的含量可通过质量流量计准确的给定。根据需要还可以冲入多种气体进行混合，实现不同环境条件下的响应特性测试。

2.现有测试腔体中，气流流经腔体时在腔体的拐角等非光滑区域的气体流速具有差别，形成”死空间”，导致换气过程不能及时有效的进行，最终限制可测试的响应时间。而本发明中，腔体内气体被同步压缩或者拉伸，气体浓度分布均匀，不存在“死空间”，极大提高了测试的可靠性。

3.现有测试方法中，气体流经腔体会带走热量，当气体问题高于腔体或者传感器表面温度时气体放热，使后者温度升高，反之使后者温度降低，.在测试传感器件在特定温度的响应特性时，不利于体系温度的稳定.本实验方法以及仪器结构可以可以实现有效的温度控制，不存在气流的干扰。而本发明中，气缸温度可以进行良好的控制。通过优化气缸以及活塞的材料强度，热导率等参数。可以通过外部温控的方式控制气缸的温度，以此实现不同温度下的气体传感特性测试。

4.现有方法通常使用改变气体配比或者气体流量的方式进行.此过程需要一定的稳定时间，并且通常具有较大的误差。而本发明中，气缸可以通过简单的控制压缩比来设定腔内气体的绝对浓度。各种浓度可以方便的进行转化，使测试方便的进行。

5.现有测试方法虽然可以在较大范围切换气体浓度，但是无法实现短时间内的切换。而本发明中，气缸具有优秀的机动性能，可以具有大的动态范围，可控性能好。

6.本发明中，气缸的实际尺寸应该考虑气缸的材料特性，选择合适的压缩比，最大可承受压强，气缸密封性，综合考虑所测量的传感器特性进行设计。

附图说明

图1是一种典型的用于测试气体传感特性的气缸结构侧视图：A为活塞，由机械带动在气缸B内滑动。

图2为气缸拉伸时的结构示意图，此时气缸内气体膨胀，气体浓度降低。

图3为气缸压缩时的结构示意图，此时气缸内气体压缩，气体浓度增加。

图4为本发明测试装置的结构示意图。

图5为一种基于本发明所述的传感器测试装置的连接原理图。

图中有：活塞A，气缸B，进气口C，排气口L，电路接线D，待测传感器D’，加热炉丝E，冷却系统M，测温元件F，气缸单元G，气缸的动力驱动单元H，温控单元I，气路单元J，电信号测试单元K。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明。

实施例1：本发明传感器测试装置的连接原理如图5所述，测试装置结构如图4所示，其中C为进气或者排气口，其大小、数量和数量可以按照具体需要设计。D为连接待测传感器，参考传感器，气压传感器或者其他腔内电子线路的电路接线。D’为待测传感器，其具体位置、大小和电路配置情况也可以依据具体测试要求设定。E为加热炉丝或者冷却系统，其和测温元件F一起组成温控头，与温控系统连接后形成腔体的控温单元。依据所使用的环境条件和测试需求的不同，可以选用不同的加热和冷却方式，比如：电阻加热，感应加热；水冷却，液氮冷却或者液氦冷却。控温单元也可以安装在活塞上以取得更好的温控效果。

本发明装置中，气缸的结构可以为圆柱形，立方形或者三角柱形或者其他结构。活塞A的形状应紧贴气缸内壁，保证和气缸有一段气密接触。两者之间依靠摩擦接触实现气密。或者使用不产生污染的润滑油，密封脂等类似的材料进行更好的密封。密封材料的选择应当尽量减少可能带来的对样品室的污染。同时依据具体的测试配置，气缸的压缩行程有一最大值，以避免活塞触及气缸内安装的测试部件。

实施例2：测试装置中气缸底部直径10厘米，气缸长度50厘米。控制腔体和活塞温度为0摄氏度并使其稳定。使用二氧化碳气体作为待测气体，冲入二氧化碳气体1570立方厘米，此时腔体内气体的摩尔浓度为44.8mol/L。使得活塞位于距离底面20厘米处，腔体内为大气压强。设定压缩比为3，拉伸比为2，则压缩状态下活塞运行至距离底面6.7厘米处，拉伸状态下活塞运行至距离底面40厘米处，则两种状态下单位体积内气体分子数量的改变是6倍，计算为从134.4mol/L变为22.4mol/L。控制活塞在此行程中使用的时间是0.1秒，则可以测试传感器件在这两个浓度下0.1秒以上的响应行为。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明。应当指出：对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代、变型和改进，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种测试气体传感器件快速响应特性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）将待测气体传感器件固定在测试装置的气缸的底座处；

2）通过控温系统控制气缸腔体内部的温度稳定在设定温度T，所述控温系统为设置在气缸外壁和活塞上的加热和冷却装置；

3）通过气缸底座处的进气口通入体积为V₀的目标气体；

4）开启活塞控制系统，按照气体压缩比alpha和拉伸比beta，控制活塞的往复运动，对气缸中的目标气体进行气体的压缩和膨胀，所述气体从最大膨胀体积V₁=beta*V₀压缩至最小压缩体积V₂=alpha*V₀的时间为压缩周期t₁，气体最小压缩体积V₂膨胀至最大膨胀体积V₁的时间为膨胀周期t₂，所述t₁和t₂的取值范围为小于1秒；

5）在气体压缩和拉伸的过程中对待测气体传感传感器件的响应特性进行测试。

2.根据权利要求1所述的测试气体传感器件快速响应特性的方法，其特征在于，所述步骤2）中的设定温度T为根据待测气体传感器件的工作温度确定的温度范围。

3.根据权利要求1所述的测试气体传感器件快速响应特性的方法，其特征在于，所述气体压缩比alpha和拉伸比beta根据待测气体传感器件的传感响应范围来确定。

4.一种采用权利要求1所述测试气体传感器件快速响应特性的方法的装置，其特征在于，该装置包括气缸、设置在所述气缸中的活塞、设置在气缸底座处的进气口和排气孔、设置在气缸外壁和活塞上的加热和冷却装置、用于驱动活塞在气缸中往复运动的驱动装置、用于控制加热和冷却装置的温控系统。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该装置还包括与待测气体传感器件连接的测试响应特性的仪表。