CN105486811A - 用于气体传感器件快速响应特性的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，包括第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体之间通过隔板分隔，隔板上设有通孔，第一腔体中设有切换阀和第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴通过连接件与切换阀连接，切换阀可覆盖通孔；第二腔体中设有样品架、第二驱动电机和封闭阀，样品架与通孔相对，样品架的一端用于盛放待测气体传感器，样品架的另一端与第二驱动电机的输出轴连接，封闭阀连接在样品架上。该装置使待测试样品在两个相对封闭的、具有不同目标气体浓度的腔体中进行位置切换，通过样品位置的快速切换实现非常小的仪器特征转换参数。同时，本发明还提供了测试方法，可实现气体传感器在亚秒甚至毫秒级别的测试。

Description

用于气体传感器件快速响应特性的测试装置及测试方法

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，涉及一种用于气体传感器件快速响应特性的测试装置及测试方法。

背景技术

传感器的瞬态响应特性是衡量其性能的一个重要指标。随着近年来研究的深入，以及物联网等领域的兴起,传感器件的日益广泛的应用对传感器件的性能提出了新的要求。比如在检测发动机气缸中几种气体的含量，探测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,对类似于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。

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。特别的，对于使用常规的使用流动的气体进行瞬态传感响应特性测试的方法，测试的腔体必须做的比较小，同时相应的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，可以认为腔体和管路的大小基本上确定了测试系统的可测试能力。

简单的计算可以发现使用流动气体的方法实际上除了受制于管路和腔体的特性，还和气体的互扩散过程相关，如果气体的扩散较慢，比如在低温下或者气体分子扩散系数较低的情况，实际上腔体中气体的切换会产生不同程度的滞后。这一因素实际上也不利于获得准确的器件快速响应的性能。

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，该装置使待测试样品在两个相对封闭的、具有不同目标气体浓度的腔体中进行位置切换，通过样品位置的快速切换实现非常小的仪器特征转换参数。同时，本发明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，本发明实施例采用的技术方案是：

一种用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，该测试装置包括分别设有通气孔和出气孔的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体之间通过隔板分隔，隔板上设有通孔，第一腔体中设有切换阀和第一驱动电机，第一驱动电机固定连接在隔板上，第一驱动电机的输出轴通过连接件与切换阀连接，第一驱动电机带动切换阀绕第一驱动电机转动，切换阀可覆盖通孔，从而隔离第一腔体和第二腔体；第二腔体中设有样品架、第二驱动电机和封闭阀，第二驱动电机固定连接在第二腔体中，样品架与通孔相对，样品架的一端用于盛放待测气体传感器，样品架的另一端与第二驱动电机的输出轴连接，封闭阀连接在样品架上，且封闭阀可覆盖并密封通孔。

作为优选方案，所述的第一腔体中还包括位置传感器，位置传感器固定连接在隔板上，且位置传感器位于切换阀转动路径上。

作为优选方案，所述的位置传感器至少为两个，布设在通孔两侧。

作为优选方案，所述的封闭阀滑动密封连接在样品架上。

作为优选方案，所述的封闭阀朝向通孔的一侧设有减振环和密封环；减振环和密封环固定连接在封闭阀上。

作为优选方案，所述的切换阀朝向通孔的一侧设有滑动密封圈。

一种用于气体传感器件快速响应特性的测试装置的测试方法，该测试方法包括以下过程：

第一步：将待测气体传感器置入样品架上，并将待测气体传感器与外部性能检测装置连接；

第二步：启动第一驱动电机，使得切换阀覆盖且密封隔板上的通孔；

第三步：向第一腔体和第二腔体中分别通入不同浓度的气体，并使腔体内气体浓度均匀稳定；

第四步：启动第二驱动电机，使得样品架向通孔移动；在样品架移动到通孔附近时，启动第一驱动电机，转动切换阀，打开通孔，使得样品架穿过通孔；将样品架上的待测气体传感器移动到第一腔体中，随后将封闭阀覆盖且密封通孔；在此过程中，利用外部性能检测装置检测待测气体传感器的响应性能。

作为优选方案，所述的第三步中，第一腔体中的气体压强和第二腔体中的气体压强相等。

作为优选方案，所述的第四步中，测试装置的响应特征时间t为：t=x/v；x表示待测气体传感器从第一腔体到达第二腔体所行走的距离，v表示样品架传送待测气体传感器从第一腔体到第二腔体的平均速度；外部性能检测装置测试待测气体传感器的响应时间大于等于t。

作为优选方案，所述的第四步中，切换阀在样品架通过隔板上的通孔的足够小的时间间隔前完全打开；样品架上的封闭阀在待测气体传感器穿过通孔后，将通孔封闭。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

1.能够测试非常快的响应速度，可以测试到毫秒级的响应速度。在本发明实施例中，设待测气体传感器的长度为L，宽度为W，隔板的厚度为d，待测气体传感器沿着长度方向通过通孔，在不考虑两腔体中的气体相互扩散的情况下，从第一腔体到达第二腔体所行走的距离应该为x=2L+d，设样品架通过通孔的平均速度为v，则t=x/v=（2L+d）/v。只要合理控制样品架速度，便可进行亚秒甚至毫秒级的响应时间测试。

2.使用快速开关切换机制,可以最大程度的降低两种不同浓度气体在传感器测试过程中的互扩散及其带来的测试不准确性。另外，整个测试装置结构简单，便于制作，不含有复杂的机械部件。

3.本发明实施例的测试装置测试方便,并且可以方便的更换样品，只需关掉气阀停止通气，打开样品腔即可。另外，本发明实施例的测试装置可以测试较大尺寸的样品，还可以同时测试多个样品,并且不以牺牲测试的响应时间为代价。

4.同一个样品可以通过控制几个阀门的开关和样品架的运动，进行高浓度气体到低浓度气体两者之间互相切换的瞬态响应测试。同一个样品在不同浓度之间切换的响应可以通过改变腔体中所通气体的浓度来进行，方便简单。

附图说明

图1是本发明实施例中待测气体传感器位于第一腔体中的装置结构示意图。

图2是本发明实施例中待测气体传感器位于第二腔体中的装置结构示意图。

图3是本发明实施例中，待测气体传感器位于第一腔体中，通孔处于关闭状态时，切换阀和隔板的位置示意图。

图4是本发明实施例中，待测气体传感器位于第一腔体中，通孔处于打开状态时，切换阀和隔板的位置示意图。

图5是本发明实施例中，待测气体传感器位于第二腔体中，通孔处于关闭状态时，封闭阀、切换阀和隔板的位置示意图。

图6是本发明实施例的测试时序示意图。

图中有：第一腔体1、第二腔体2、隔板3、通孔4、切换阀5、第一驱动电机6、样品架7、第二驱动电机8、封闭阀9、位置传感器10、待测气体传感器11、连接件12、通气孔13、电机支架14、出气孔15。

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，本发明实施例的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，包括分别设有通气孔13和出气孔15的第一腔体1和第二腔体2，第一腔体1和第二腔体2之间通过隔板3分隔。隔板3上设有通孔4。第一腔体1中设有切换阀5和第一驱动电机6，第一驱动电机6固定连接在隔板3上，第一驱动电机6的输出轴通过连接件12与切换阀5连接，第一驱动电机6带动切换阀5绕第一驱动电机6转动，切换阀5可覆盖通孔4，从而隔离第一腔体1和第二腔体2。第二腔体2中设有样品架7、第二驱动电机8和封闭阀9。第二驱动电机8固定连接在第二腔体2中。第二驱动电机8可以通过电机支架14固定连接在第二腔体2中。样品架7与通孔4相对，样品架7的一端用于盛放待测的气体传感器11，样品架7的另一端与第二驱动电机8的输出轴连接。封闭阀9连接在样品架7上，且封闭阀9可覆盖并密封通孔4。

作为优选方案，所述的第一腔体1中还包括位置传感器10，位置传感器10固定连接在隔板3上，且位置传感器10位于切换阀5转动路径上。设置位置传感器10，可以监测切换阀5的位置。作为优选，位置传感器10至少为两个，布设在通孔4两侧。这样，无论切换阀5转动到通孔4的哪一侧，都可以实现对切换阀5位置的检测。

作为优选方案，所述的封闭阀9滑动连接在样品架7上。滑动连接的目的是是为了在样品架7通过通孔4后减速过程中，封闭阀9可能与隔板3碰撞带来过大的机械振动，因此采用滑动密封的结构来设置封闭阀9。作为优选方案，所述的封闭阀9朝向通孔4的一侧设有减振环和密封环；减振环和密封环固定连接在封闭阀9上。在封闭阀9的一侧设置密封环，可以实现封闭阀9和隔板3之间的密封。同时，由于样品架7行走具有一定的速度，所以在封闭阀9的一侧设置减振环，可以降低封闭阀9和隔板3之间的撞击力。

作为优选方案，所述的切换阀5朝向通孔4的一侧设有滑动密封圈。切换阀5在第一驱动电机6带动下，切换阀5绕第一驱动电机6转动。因此，在切换阀5一侧设有滑动密封圈，使得切换阀5始终和隔板3表面保持接触，且当切换阀5移动到通孔4外侧时，对通孔4进行密封。

本实施例的测试装置通过设置合理的密封结构，来控制通孔4处的气体扩散。例如，在切换阀5与隔板3之间，以及封闭阀9与隔板3之间使用胶圈密封。同时，通过设置合理的形状，来减少通孔4的打开时间，进而控制气体扩散。例如，将样品架7采用流线型形状，降低风阻，提高行走速度，减少通孔4的打开时间。

上述实施例中，使用相对独立的两个腔体，两个腔体中分别通入不同浓度的目标气体。两个腔体由其之间的隔板3隔开，在隔板3上开有通孔4，用于样品（即待测气体传感器11）在两个腔体之间切换时穿过。隔板3的一边装有切换阀5，用于在样品不穿过通孔4时，封闭通孔4。切换阀5紧贴隔板3，实现活动气封，以达到隔离两侧气体的目的。样品（即待测气体传感器11）置于样品架上，其电连接通过样品架7与外部性能检测装置相连接。样品架7通过电机驱动，可以穿过隔板上的通孔4，实现样品在两个腔体之间的切换。样品架上设置的封闭阀，用于在样品穿过隔板3后，将通孔4封闭。封闭阀9可以通过静电或者磁力的方式吸合在隔板3上。同时封闭阀9与可动的样品架7之间是密封润滑接触，以缓冲在样品切换过程中，封闭阀9受到的冲力。

上述测试装置的测试方法，包括以下过程：

第一步：将待测气体传感器11置入样品架7上，并将待测气体传感器11与外部性能检测装置连接；

第二步：如图3所示，启动第一驱动电机6，使得切换阀5覆盖且密封隔板3上的通孔4；

第三步：向第一腔体1和第二腔体2中分别通入不同浓度的气体，并使腔体内气体浓度均匀稳定；

第四步：启动第二驱动电机8，使得样品架7向通孔4移动；在样品架7移动到通孔4附近时，如图4所示，启动第一驱动电机6，转动切换阀5，打开通孔4，使得样品架7穿过通孔4；如图2所示，将样品架7上的待测气体传感器11移动到第一腔体1中；如图5所示，锁喉将封闭阀9覆盖且密封通孔4；在此过程中，利用外部性能检测装置检测待测气体传感器11的响应性能。

作为优选方案，所述的第三步中，第一腔体1中的气体压强和第二腔体2中的气体压强相等。第一腔体1和第二腔体2中通入不同浓度的气体，但是第一腔体1中的气体压力和第二腔体2中的气体压强相等。这样在转动切换阀5，打开通孔4时，第一腔体1和第二腔体2中的气体不会相互扩散，或者小范围扩散。两个腔体中的气体不扩散，更有利于准确测量气体传感器的响应时间。

作为优选方案，所述的第四步中，切换阀5在样品架7通过隔板上的通孔4前的足够小的时间间隔完全打开；样品架7上的封闭阀9在待测气体传感器11穿过通孔4后，将通孔4封闭。为了尽可能减少两个腔体中的气体相互扩散，在样品架7恰好穿过通孔4之前，切换阀5转动，使得通孔4完全打开。在样品架7恰好位于第二腔体2中的位置时，样品架7上的封闭阀9即将通孔4密封，通孔4处于关闭状态。

作为优选方案，所述的第四步中，整个测试装置的响应特征时间t为：t=x/v。

其中，x表示待测气体传感器11从第一腔体1到达第二腔体2所行走的距离，v表示样品架传送待测气体传感器11从第一腔体1到第二腔体2的平均速度；外部性能检测装置测试待测气体传感器11的响应时间大于等于t。

只要合理控制样品架速度，便可进行亚秒甚至毫秒级的响应时间测试。例如，待测气体传感器11的长度为L，宽度为W，隔板3的厚度为d，待测气体传感器11沿着长度方向通过通孔4，在不考虑两腔体中的气体相互扩散的情况下，从第一腔体1到达第二腔体2所行走的距离应该为x=2L+d，设样品架7通过通孔4的平均速度为v，则t=x/v=（2L+d）/v。假设L=1厘米，d=0.2厘米，v=5米/秒，则特征时间t=0.0024秒。也即此装置可以测试的最快响应时间为0.0024秒。

如图6所示，为本发明实施例测试方法的一个典型的测试时序示意图。图中，编号15的线条表示测试于t1时刻开始，编号为16的线条表示样品架在t2时刻启动开始运动，在t6时刻后停止，编号为17的线条表示切换阀在t3时刻开始动作，当其完全打开后，样品架在t4时刻穿过隔板使样品到达第二腔体2中。编号为18的线条表示封闭阀9在t5时刻将通孔4封闭，并保持处于封闭状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，其特征在于，该测试装置包括分别设有通气孔和出气孔的第一腔体（1）和第二腔体（2），第一腔体（1）和第二腔体（2）之间通过隔板（3）分隔，隔板（3）上设有通孔（4），第一腔体（1）中设有切换阀（5）和第一驱动电机（6），第一驱动电机（6）固定连接在隔板（3）上，第一驱动电机（6）的输出轴通过连接件（12）与切换阀（5）连接，第一驱动电机（6）带动切换阀（5）绕第一驱动电机（6）转动，切换阀（5）可覆盖通孔（4），从而隔离第一腔体（1）和第二腔体（2）；第二腔体（2）中设有样品架（7）、第二驱动电机（8）和封闭阀（9），第二驱动电机（8）固定连接在第二腔体（2）中，样品架（7）与通孔（4）相对，样品架（7）的一端用于盛放待测气体传感器，样品架（7）的另一端与第二驱动电机（8）的输出轴连接，封闭阀（9）连接在样品架（7）上，且封闭阀（9）可覆盖并密封通孔（4）。

2.按照权利要求1所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，其特征在于，所述的第一腔体（1）中还包括位置传感器（10），位置传感器（10）固定连接在隔板（3）上，且位置传感器（10）位于切换阀（5）转动路径上。

3.按照权利要求2所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，其特征在于，所述的位置传感器（10）至少为两个，布设在通孔（4）两侧。

4.按照权利要求1所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，其特征在于，所述的封闭阀（9）滑动密封连接在样品架（7）上。

5.按照权利要求1所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，其特征在于，所述的封闭阀（9）朝向通孔（4）的一侧设有减振环和密封环；减振环和密封环固定连接在封闭阀（9）上。

6.按照权利要求1所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置，其特征在于，所述的切换阀（5）朝向通孔（4）的一侧设有滑动密封圈。

7.一种利用权利要求1所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试装置的测试方法，其特征在于，该测试方法包括以下过程：

第一步：将待测气体传感器（11）置入样品架（7）上，并将待测气体传感器（11）与外部性能检测装置连接；

第二步：启动第一驱动电机（6），使得切换阀（5）覆盖且密封隔板（3）上的通孔（4）；

第三步：向第一腔体（1）和第二腔体（2）中分别通入不同浓度的气体，并使腔体内气体浓度均匀稳定；

第四步：启动第二驱动电机（8），使得样品架（7）向通孔（4）移动；在样品架（7）移动到通孔（4）附近时，启动第一驱动电机（6），转动切换阀（5），打开通孔（4），使得样品架（7）穿过通孔（4）；将样品架（7）上的待测气体传感器（11）移动到第一腔体（1）中，随后将封闭阀（9）覆盖且密封通孔（4）；在此过程中，利用外部性能检测装置检测待测气体传感器（11）的响应性能。

8.按照权利要求7所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试方法，其特征在于，所述的第三步中，第一腔体（1）中的气体压强和第二腔体（2）中的气体压强相等。

9.按照权利要求7所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试方法，其特征在于，所述的第四步中，测试装置的响应特征时间t为：t=x/v；x表示待测气体传感器（11）从第一腔体（1）到达第二腔体（2）所行走的距离，v表示样品架传送待测气体传感器（11）从第一腔体（1）到第二腔体（2）的平均速度；外部性能检测装置测试待测气体传感器（11）的响应时间大于等于t。

10.按照权利要求7所述的用于气体传感器件快速响应特性的测试方法，其特征在于，所述的第四步中，切换阀（5）在样品架（7）通过隔板上的通孔（4）的足够小的时间间隔前完全打开；样品架（7）上的封闭阀（9）在待测气体传感器（11）穿过通孔（4）后，将通孔（4）封闭。