CN111537670A - 一种顶接触式气体测试腔及应用其的动态气体测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体测试设备领域，本发明公开了一种顶接触式气体测试腔及应用其的动态气体测试系统。该顶接触式气体测试腔包括：第一壳体，该第一壳体的顶部设有第一凹槽；第二壳体，该第二壳体的底部设有第二凹槽和探针固定孔，该第二凹槽与该第一凹槽通过该第一壳体和该第二壳体对接形成通孔；其中，该通孔的一端与供气装置连接，该通孔用于放置气体传感器和流通气体。本发明提供的顶接触式气体测试腔具有稳定时间短、测试效果好，以及与普通探针构成的气体测试系统具有成本低和占用空间小的特点。

Description

一种顶接触式气体测试腔及应用其的动态气体测试系统

技术领域

本发明涉及气体测试设备领域，特别涉及一种顶接触式气体测试腔及应用其的动态气体测试系统。

背景技术

随着人类生活质量的不断提高，人们对环境空气质量的关注度越来越高，这使得室内外空气质量监测成了一项必不可少的生活需求。

动态气体测试系统是一种能够为气体检测设备提供稳定测试环境和实时样本输入的辅助装置，这类设备的稳定性和可靠性能够直接影响气体测试结果的准确度。随着气体传感技术的不断发展，其检测器件逐渐趋向于微小型化，对测试环境以及动态配气系统的要求也在逐步提升。

有机场效应晶体管气体传感器件是一项新兴的基于有机半导体材料的气体检测技术，在气体传感性能增强和柔性电子领域均有广阔的发展前景。但是不同于无机敏感材料制备的器件，有机场效应晶体管器件对测试引线的连接要求比较苛刻。为保障器件的基本电学性能，减小因电极材料与有机半导体材料功函数不同带来的接触电阻，并减小器件工作电压，有机场效应晶体管器件主要采用接触的方式进行电极连接。

然而，现有技术中的气体测试系统的测试腔室包括传感器放置区域、进气口，气体需要先通过进气口充满腔室稳定后，才能测试，然而由于气体进入气体仓后是无方向运动，需要稳定较长时间才能充满测试腔，才能测试准确，而且这种静态测试不能很好地模拟实际气流，测试效果差。

且现有测试腔室均适用于常规硅基器件，而硅基器件主要通过在器件电极上焊接引线的方式使电极与性能分析设备电连接，但有机场效应晶体管气体传感器件的电极有机材料耐热性差和熔焊性差，无法焊接引线，故使用探针台作为引线平台进行操作，但现有的探针台设备体积大、操作复杂且成本高。

发明内容

本发明要解决的是上述背景技术中的问题，本申请提供的气体测试腔气体具有稳定时间短，测试效果好，且与普通探针构成的气体测试系统具有成本低和占用空间小的特点。该顶接触式气体测试腔包括：

第一壳体，该第一壳体的顶部设有第一凹槽；

第二壳体，该第二壳体的底部设有第二凹槽和探针固定孔，该第二凹槽与该第一凹槽通过该第一壳体和该第二壳体对接形成通孔；

其中，该通孔的一端与供气装置连接，该通孔用于放置气体传感器和流通气体。

可选地，该第一凹槽包括连通的第一通气槽和第一置物槽；

该第二凹槽包括连通的第二通气槽和第二置物槽；

该第一通气槽与该第二通气槽连接形成气体通道；

该第一置物槽与该第二置物槽连接形成容纳空间，该容纳空间用于放置气体传感器；

该探针固定孔位于该第二置物槽上。

可选地，该第一置物槽的底面积为0.1～100平方厘米。

可选地，该气体通道的横截面的形状为圆形；

该气体通道的直径为0.25～2厘米。

可选地，第二壳体设有至少三个该探针固定孔；

该探针固定孔的直径为0.1～1厘米。

可选地，该第一壳体设有第一定位孔；

该第二壳体设有与该第一定位孔相对应的第二定位孔。

可选地，该第一壳体的材质为塑料、金属或者无机非金属中的一种或者多种；

该第二壳体的材质为塑料、金属或者无机非金属中的一种或者多种。

可选地，该第一壳体与该第二壳体的连接方式为粘接、螺接或者销接中的一种或者两种。

本申请还公开了一种动态气体测试系统，其包括供气装置、性能参数分析仪、气体传感器和上述的顶接触式气体测试腔；

该气体传感器固定于该顶接触式气体测试腔；

该性能参数分析仪通过探针与该气体传感器的电极连接；

该供气装置与该通孔的一端密封连接。

可选地，还包括气体流量控制器；

该气体流量控制器用于调节该供气装置传输给该通孔的气体流量；

该供气装置包括干燥气体仓和分析气体仓；

该干燥气体舱和该分析气体仓通过四通阀与该通孔连接。

采用上述技术方案，本申请提供的顶接触式气体测试腔具有如下有益效果：

本申请公开了一种顶接触式气体测试腔，其包括第一壳体，该第一壳体的顶部设有第一凹槽；第二壳体，该第二壳体的底部设有第二凹槽和探针固定孔，测试用探针通过该探针固定孔与气体传感器的电极接触，并固定在测试腔上，与现有技术中使用焊接引线相比，该种测试适用范围更广、不破坏有机气体传感的电极和电接触良好的优点，而且与现有技术中传统的探针台相比，该顶接触式气体测试腔上直接设有探针固定孔，用于固定探针，具有结构简单和成本低的优点，即只需要几根探针即可进行测试。

该第二凹槽与该第一凹槽通过该第一壳体和该第二壳体对接形成通孔；通孔用于放置气体传感器和流通气体，由于供气装置通过与通孔的一端连接，气体通过该通孔直接到达气体传感器的区域，使得气体传感器区域能够很快充满待分析气体，缩短稳定时间，并且气体从通孔另一端排出，在通孔内形成稳定持续地气体流，更能模拟实际测试状态，具有测试效果好的优点，而现有技术中现有技术中的气体测试系统的测试腔室包括传感器放置区域、进气口，气体需要先通过进气口充满腔室稳定后，才能测试，然而由于气体进入气体仓后是无方向运动，需要稳定较长时间才能充满测试腔，才能测试准确，而且这种静态测试不能很好地模拟实际气流，测试效果差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请顶接触式气体测试腔的结构示意图；

图2为本申请顶接触式气体测试腔的爆炸图；

图3为本申请动态气体测试系统的结构连接示意图；

图4为本申请动态气体测试系统的第一种测试性能图；

图5为本申请动态气体测试系第二种的测试性能图；

图6为本申请另一种可选地实施方式中动态气体测试系统的源漏极电流随时间变化的曲线图；

图7为本申请另一种可选地实施方式中动态气体测试系统的测试电流变化比值随时间变化的曲线图。

以下对附图作补充说明：

1-第一壳体；11-第一凹槽；111-第一通气槽；112-第一置物槽；2-第二壳体；21-第二凹槽；211-第二通气槽；212-第二置物槽；3-通孔；4-探针固定孔；5-第一定位孔；6-第二定位孔；7-供气装置；71-干燥气体仓；72-分析气体仓；8-气体流量控制器；9-电脑；10-四通阀；12-性能参数分析仪；13-气体传感器；14-顶接触式气体测试腔；15-第一出气口；16-第二出气口。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1所示，图1为本申请顶接触式气体测试腔的结构示意图。本申请公开了一种顶接触式气体测试腔，其包括第一壳体1，该第一壳体1的顶部设有第一凹槽11；第二壳体2，该第二壳体2的底部设有第二凹槽21和探针固定孔4，测试用探针通过该探针固定孔4与气体传感器的电极接触，并固定在测试腔上，与现有技术中使用焊接引线相比，该种测试适用范围更广、不破坏有机气体传感的电极和电接触良好的优点，而且与现有技术中传统的探针台相比，该顶接触式气体测试腔上直接设有探针固定孔4，用于固定探针，具有结构简单和成本低的优点，即只需要几根探针即可进行测试。

该第二凹槽21与该第一凹槽11通过该第一壳体1和该第二壳体2对接形成通孔3；通孔3用于放置气体传感器和流通气体，由于供气装置7通过与通孔3的一端连接，气体通过该通孔3直接到达气体传感器的区域，使得气体传感器区域能够很快充满待分析气体，缩短稳定时间，并且气体从通孔3另一端排出，在通孔3内形成稳定持续地气体流，更能模拟实际测试状态，具有测试效果好的优点，而现有技术中现有技术中的气体测试系统的测试腔室包括传感器放置区域、进气口，气体需要先通过进气口充满腔室稳定后，才能测试，然而由于气体进入气体仓后是无方向运动，需要稳定较长时间才能充满测试腔，才能测试准确，而且这种静态测试不能很好地模拟实际气流，测试效果差。

如图2所示，图2为本申请顶接触式气体测试腔的爆炸图。在一种可选地实施方式中，该第一凹槽11包括连通的第一通气槽111和第一置物槽112；该第二凹槽21包括连通的第二通气槽211和第二置物槽212；该通孔3包括气体通道和容纳空间；该气体通道用于流通气体；该容纳空间用于放置气体传感器，该第一通气槽111与该第二通气槽211连接形成该气体通道；该第一置物槽112与该第二置物槽212连接形成该容纳空间，该探针固定孔4位于该第二置物槽212上。

在一种可选地实施方式中，第一置物槽112为与气体传感器尺寸相同的凹槽，起到固定气体传感器的作用，在一种可选地实施方式中，该第一置物槽112的底面积为0.1～100平方厘米。

在一种可选地实施方式中，第一置物槽112位于第一壳体1的中部，第而置物槽与第一置物槽112与第一置物槽112对应设置，有利于该测试腔的结构平衡。

在一种可选地实施方式中，该气体通道的横截面的形状为圆形，具有减少气体流通过程中的空气阻力，便于与该气体通道连通的供气装置7的供气管道尺寸相配，该气体通道的直径为0.25～2厘米；在一种可选地实施方式中，第一通气槽111为半圆形槽，第二通气槽211为与第一通气槽111尺寸相同的半圆形槽，有利于成型加工，在降低在在另一种可选地实施方式中，第一通气槽111为矩形槽，第二通气槽211为矩形槽，与圆形槽相比成型加工更简单。

在一种可选地实施方式中，第二壳体2设有至少三个该探针固定孔4；该探针固定孔4的直径为0.1～1厘米，具体地，探针为弹簧探针或者其他易发生可恢复变形的探针，优选地，弹簧探针的针长为1～5厘米，防止探针刺穿器件介电层造成漏电，探针直径0.1～1厘米，使得探针能够直接卡接在探针固定孔4内，不需要再在探针固定孔4上设置固定装置。

在一种可选地实施方式中，该第一壳体1设有第一定位孔5；该第二壳体2设有与该第一定位孔5相对应的第二定位孔6，且第一壳体1与第二壳体2通过螺栓穿过第一定位孔5和第二定位孔6固定。在一种可选地实施方式中，该第一壳体1与该第二壳体2的连接方式为粘接、螺接或者销接中的一种或者两种。

在一种可选地实施方式中，该第一壳体1的材质为塑料、金属或者无机非金属中的一种或者多种；该第二壳体2的材质为塑料、金属或者无机非金属中的一种或者多种。

其中，塑料包括聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯，金属包括不锈钢和黄铜，无机非金属包括二氧化硅。

在一种可选地实施方式中，第一壳体1的顶部与第二壳体2的顶部连接，且其连接处使用硅胶密封，防止气体泄漏。

如图3所示，图3为本申请动态气体测试系统的结构连接示意图。本申请在另一方面还公开了一种动态气体测试系统，其包括供气装置7、性能参数分析仪12、气体传感器13和上述的顶接触式气体测试腔；该气体传感器13固定于该顶接触式气体测试腔；该性能参数分析仪12通过探针与该气体传感器13的电极连接；该供气装置7与该通孔3的一端密封连接，通气孔的另一端为第一出气口，从而使供气装置7在通孔3中形成同向持续流动地气流。

在一种可选地实施方式中，包括气体流量控制器8；该气体流量控制器8用于调节供气装置7传输给通孔3的气体流量，该气体流量控制器8通过电脑9控制；该供气装置7包括干燥气体仓71和分析气体仓72；该干燥气体舱和该分析气体仓72通过四通阀10与该通孔3连接，四通阀10包括第二出气口，用于在调节供气装置7的气体时，将多余的气体排出。

在一种可选地实施方式中，在弹簧探针与气体传感器13件电极接触处设有液态金属铟镓，用于降低接触电阻，提高测试精度。

为了更好地说明本申请公开的顶接触式气体测试腔的有益效果，以下将以具体实施方式进行说明。

实施例1

如图1所示，顶接触式气体测试腔包括第一壳体1，该第一壳体1的顶部设有第一凹槽11；第二壳体2，该第二壳体2的底部设有第二凹槽21和探针固定孔4，测试用探针通过该探针固定孔4与气体传感器的电极接触，并固定在测试腔上该第二凹槽21与该第一凹槽11连接形成通孔3；通孔3用于放置气体传感器和流通气体。

顶接触式气体测试腔的材质为聚四氟乙烯，其具有耐腐蚀性好的优点，该第一凹槽11包括连通的第一通气槽111和第一置物槽112；该第二凹槽21包括连通的第二通气槽211和第二置物槽212；该通孔3包括气体通道和容纳空间；该气体通道用于流通气体；该容纳空间用于放置气体传感器，该第一通气槽111与该第二通气槽211连接形成该气体通道；该第一置物槽112与该第二置物槽212连接形成该容纳空间，容纳空间为长方体空间，尺寸为长3.5厘米，宽2.5厘米，高1厘米，

其中，第一置物槽112为边长1厘米正方形凹槽，深度2毫米，用于固定气体传感器。微腔上半部分与正方形凹槽对应的是4个弹簧探针接入孔，分别对应有机气体传感器的源漏栅三电极以及一个备用电极接口，该探针固定孔4直径1毫米。

在微腔的边缘留有3个螺丝固定孔，直径5毫米。根据具体测试环境以及器件尺寸需求，该测试腔可在尺寸上进行调整。

如图3所示，动态气体测试系统包括供气装置7、气体流量控制器8、性能参数分析仪12、气体传感器13和上述的顶接触式气体测试腔；该气体传感器13固定于该顶接触式气体测试腔；该性能参数分析仪12通过探针与该气体传感器13的电极连接；该供气装置7与该通孔3的一端密封连接，通气孔的另一端为第一出气口，从而使供气装置7在通孔3中形成同向持续流动的气流，避免测试信号因流量流速改变产生变化；该气体流量控制器8用于调节供气装置7传输给通孔3的气体流量，该气体流量控制器8通过电脑9控制；

其中，该气体流量的控制范围为0-200mL/mi n，连接每个部分的导气管为聚偏氟乙烯材料，导气管的直径为0.635厘米。

具体地，该供气装置7包括干燥气体仓71和分析气体仓72；该干燥气体舱和该分析气体仓72通过四通阀10与该通孔3连接，四通阀10包括第二出气口，用于在调节供气装置7的气体时，将多余的气体排出。

且通孔3的直径与四通阀10的导气管的管径保持一致，便于二者更方便地连接，具体地，该通孔3的直径为0.635厘米。

该气体传感器13的结构为顶接触结构，二氧化硅材料作为绝缘层，在绝缘层下方为N型重掺杂的硅作为栅电极，在绝缘层上方为敏感材料并五苯薄，在敏感材料上为源漏电极，通过将敏感材料直接暴露在待测气体氛围中进行测试，其中，源极和漏极之间设计为金插指电极结构，栅电极与对应的探针固定孔处的对应处的硅进行暴露处理。可知，当该期间处于工作状态时，器件的源漏极电压和栅压均为-50V。

将上述气体传感器13置于上述动态气体测试系统进行本征性能测试，测试曲线如图4和图5所示，图4为本申请动态气体测试系统的第一种测试性能图。图5为本申请动态气体测试系第二种的测试性能图。图4中的曲线a对应为源漏极电流-栅极电压曲线，曲线b为对源漏电流开根号的源漏极电流-栅极电压曲线，图5中的V_G为栅极电压，测试结果为该敏感材料的电子迁移率为0.01厘米²V^-1s^-1，气体传感器13的阈值电压-3V，开关比为350。该测试结果与常规探针台测试结果一致，证明本发明所涉及的测试微腔能够为器件提供稳定可靠的工作环境。

实施例2

为了简化描述，本实施例中与实施例1中相同的部分将不再赘述，本实施例具体为将上述置有上述气体传感器13和探针的顶接触式气体测试腔置于密闭氯苯气体环境下进行测试，设置工作电压为1V，氯苯的浓度为1ppm，测试结果如图6所示，图6为本申请另一种可选地实施方式中动态气体测试系统的源漏极电流随时间变化的曲线图。通过结果可见，器件在接触到1ppm氯苯后电流发生显著变化，电流变化量为98％，响应时间3s。根据已知气体传感机制可知，氯苯气体分子会对敏感材料产生溶胀效应，从而降低薄膜电导率，使电流下降，也就是说本发明该测试微腔能够提供稳定的电路连接和测试环境。

实施例3

为了简化描述，本实施例中与实施例1中相同的部分将不再赘述，本实施例具体为将上述置有上述气体传感器13置于实施例1中的动态气体测试系统进行动态测试。

分析气体仓72的气体为甲苯，浓度为38.6ppm。为保障器件在测试过程中不受气流流速以及方向的改变产生的影响，本测试经由四通阀10控制气流，在器件进行前期基线扫描的过程中，通过四通阀10释放同等流速的压缩空气进入测试腔体内部，气体流量为10mL/mi n。待器件基线稳定后，通入甲苯气体进行动态吹扫，并通过四通阀10对通入气体进行切换，测试结果如图7所示，图7为本申请另一种可选地实施方式中动态气体测试系统的测试电流变化比值随时间变化的曲线图。根据电流变化情况可知，器件在测试微腔内部能够进行稳定的动态气体测试。

以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶接触式气体测试腔，其特征在于，包括：

第一壳体(1)，所述第一壳体(1)的顶部设有第一凹槽(11)；

第二壳体(2)，所述第二壳体(2)的底部设有第二凹槽(21)和探针固定孔(4)，所述第二凹槽(21)与所述第一凹槽(11)通过所述第一壳体(1)和所述第二壳体(2)对接形成通孔(3)；

其中，所述通孔(3)的一端与供气装置(7)连接，所述通孔(3)用于放置气体传感器和流通气体。

2.根据权利要求1所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：所述第一凹槽(11)包括连通的第一通气槽(111)和第一置物槽(112)；

所述第二凹槽(21)包括连通的第二通气槽(211)和第二置物槽(212)；

所述第一通气槽(111)与所述第二通气槽(211)连接形成气体通道；

所述第一置物槽(112)与所述第二置物槽(212)连接形成容纳空间，所述容纳空间用于放置气体传感器；

所述探针固定孔(4)位于所述第二置物槽(212)上。

3.根据权利要求2所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：所述第一置物槽(112)的底面积为0.1～100平方厘米。

4.根据权利要求2所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：所述气体通道的横截面的形状为圆形；

所述气体通道的直径为0.25～2厘米。

5.根据权利要求1所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：第二壳体(2)设有至少三个所述探针固定孔(4)；

所述探针固定孔(4)的直径为0.1～1厘米。

6.根据权利要求1所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：所述第一壳体(1)设有第一定位孔(5)；

所述第二壳体(2)设有与所述第一定位孔(5)相对应的第二定位孔(6)。

7.根据权利要求1所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：所述第一壳体(1)的材质为塑料、金属或者无机非金属中的一种或者多种；

所述第二壳体(2)的材质为塑料、金属或者无机非金属中的一种或者多种。

8.根据权利要求1所述的顶接触式气体测试腔，其特征在于：所述第一壳体(1)与所述第二壳体(2)的连接方式为粘接、螺接或者销接中的一种或者两种。

9.一种动态气体测试系统，其特征在于：包括供气装置(7)、性能参数分析仪(12)、气体传感器和如权利要求1-8任一项所述的顶接触式气体测试腔；

所述气体传感器(13)固定于所述顶接触式气体测试腔；

所述性能参数分析仪(12)通过探针与所述气体传感器(13)的电极连接；

所述供气装置(7)与所述通孔(3)的一端密封连接。

10.根据权利要求9所述的动态气体测试系统，其特征在于：还包括气体流量控制器(8)；

所述气体流量控制器(8)用于调节所述供气装置(7)传输给所述通孔(3)的气体流量；

所述供气装置(7)包括干燥气体仓(71)和分析气体仓(72)；

所述干燥气体舱和所述分析气体仓(72)通过四通阀(10)与所述通孔(3)连接。

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