CN114778613A - 一种用于mems气体传感器的评测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS气体传感器的评测系统，包括气体供应模块、气体控制模块、气体清洗模块、气体混合模块、气体测试模块和气体处理模块，所述气体供应模块包含两个气瓶，本发明涉及MEMS气体传感器技术领域。该用于MEMS气体传感器的评测系统，有效提高装置气密性和结果精确度，使用小体积腔体，缩短了MEMS气体传感器的响应时间，增大了MEMS气体传感器对气体的相对吸附面积，使测量结果更精确，在第二三条通路后置混气室，使气体均匀混合，通入腔体的气体为物理性质稳定的混合气体，该气体环境在MEMS气体传感器的准确测量方面更有优势，较手动控制更能使通路气体流量连续变化，以便获得不同参数条件下MEMS气体传感器的特征响应曲线。

Description

一种用于MEMS气体传感器的评测系统

技术领域

本发明涉及MEMS气体传感器技术领域，具体为一种用于MEMS气体传感器的评测系统。

背景技术

MEMS气体传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器，自1962 年第一个硅微型压力传感器问世以来，MEMS技术不断进步和发展，极大地促进了气体传感器性能的提升，近年来，随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS气体传感器更是凭借其体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，逐步占据传感器市场,已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐，MEMS气体传感器技术的研究进展离不开其测试手段的提高，但是目前国内的很多生产厂家对MEMS气体传感器的测试以手工为主，同时缺少完善的测试设备，限制了MEMS气体传感器的进一步研究和应用。

传统传感器测试系统手工测试为主，半开放的工具和半自动的操作使得装置的自动化程度低，气密性差，测得的数据误差较大，测试的效率和精度低，后来出现的静态测试系统多采用密闭的大容量气室，不利于小体积高精度的MEMS气体传感器在气室内部的固定和吸附气体，同时响应时间曲线、恢复时间曲线也难以被测定，一些评测系统在容器中注入样品气体并均匀混合成一定体积的测试气体，再用标准传感器进行测量，该方法测试范围小，测试环境不稳定，可重复性差，不利于多种气体环境下的MEMS气体传感器的参数测量，并且很多系统缺少尾气处理装置，逸散的测试气体极易造成环境污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于MEMS气体传感器的评测系统，解决了现有测评系统自动化程度低，测得的数据误差较大，测试范围小，测试环境不稳定，可重复性差，逸散的测试气体极易造成环境污染的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于MEMS气体传感器的评测系统，包括气体供应模块、气体控制模块、气体清洗模块、气体混合模块、气体测试模块和气体处理模块，所述气体供应模块包含两个气瓶，所述气体控制模块由全通三通阀、二位三通电磁阀、二位二通电磁阀、 MFC 9、10、11以及控制其的PLC和PC组成，所述气体清洗模块包含缓冲瓶、洗气瓶和单通阀，所述气体混合模块包括混气室，所述气体测试模块包括腔体、标准气体传感器、单片机以及PC，所述气体处理模块包括腔体出气口后接的缓冲瓶和装有2mol/L氢氧化钠的250ml洗气瓶。

优选的，所述气体供应模块中，其中一个气瓶装有40升高纯氮气，出口处与外径为10mm的全通三通阀3相连，另一个气瓶装40升其他气体，例如硫化氢、二氧化碳、甲烷等。

优选的，所述气体清洗模块中的洗气瓶中装有液面不超过右端短管的蒸馏水，缓冲瓶通过左端长管连接，右端与单通阀连接。

优选的，所述气体混合模块中的混气室19为长200mm，宽120mm，高80mm，壁厚10mm的长方体。

优选的，所述气体测试模块中，标准气体传感器和小体积的MEMS气体传感器置于腔体内部，MEMS气体传感器固定在腔体中部，其串口从左端数据线接口引出与单片机引脚1连接，标准气体传感器串口从右端引出与单片机其他引脚相接，同时对多种参数进行检测及数据采集。

优选的，所述混气室内置沿着长度方向等间距交错排列的气路隔板，其上放置硅胶片，第二层置透明亚克力板并使用螺栓与下部固定，便于观察的同时增强气密性，获得性质稳定的混合气体。

有益效果

本发明提供了一种用于MEMS气体传感器的评测系统。与现有技术相比具备以下有益效果：

(1)、该用于MEMS气体传感器的评测系统，通过气体供应模块包含两个气瓶，所述气体控制模块由全通三通阀、二位三通电磁阀、二位二通电磁阀、 MFC 9、10、11以及控制其的PLC和PC组成，所述气体清洗模块包含缓冲瓶、洗气瓶和单通阀，所述气体混合模块包括混气室，所述气体测试模块包括腔体、标准气体传感器、单片机以及PC，所述气体处理模块包括腔体出气口后接的缓冲瓶和装有2mol/L氢氧化钠的250ml洗气瓶，其他气体种类多，可形成多种不同的气体环境，扩大了系统的测试范围，气路连接部分采用快拆接头，腔体和混气室与气路连接处使用硅胶垫片，有效提高装置气密性和结果精确度，使用小体积腔体，缩短了MEMS气体传感器的响应时间，增大了MEMS 气体传感器对气体的相对吸附面积，使测量结果更精确，在第二三条通路后置混气室，使气体均匀混合，通入腔体的气体为物理性质稳定的混合气体，该气体环境在MEMS气体传感器的准确测量方面更有优势。

(2)、该用于MEMS气体传感器的评测系统，通过气体供应模块中，其中一个气瓶装有40升高纯氮气，出口处与外径为10mm的全通三通阀3相连，另一个气瓶装40升其他气体，例如硫化氢、二氧化碳、甲烷等，缩小腔体体积，减小腔体内MEMS气体传感器和标准气体传感器因空间分布位置不同而导致的误差，使用电磁阀控制气路开闭，不仅可以控制开闭时间也减少了人工操作，使系统的自动化程度更高，MFC和MEMS气体传感器及标准气体传感器的测量数据都传输至PC端，提高了评测系统的可视化程度，MFC受PC控制，较手动控制更能使通路气体流量连续变化，以便获得不同参数条件下MEMS气体传感器的特征响应曲线，更能准确评测灵敏度高的MEMS气体传感器。

(3)、该用于MEMS气体传感器的评测系统，通过气体清洗模块中的洗气瓶中装有液面不超过右端短管的蒸馏水，缓冲瓶通过左端长管连接，右端与单通阀连接，采用电脑自动绘制MEMS气体传感器和标准气体传感器响应曲线并进行比较的方法评价MEMS气体传感器，使得对于灵敏度极高MEMS气体传感器的评价过程更科学，结果更准确。对MEMS气体传感器的进一步研究和应用有较大好处，腔体出气口后置有尾气处理装置，保护环境，减少有毒有害气体对大气的污染。

附图说明

图1为本发明多目标MEMS传感器检测系统的原理图；

图2为本发明实施例中多目标MEMS传感器检测系统的系统结构框架图；

图3为本发明实施例测试系统内不同湿度条件下检测的气路结构示意图；

图4为本发明实施例测试系统内混合气体环境下检测的气路结构示意图；

图5为本发明实施例中PLC控制电磁阀的电路原理图；

图6为本发明实施例中MEMS气体传感器和标准气体传感器的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供四种技术方案：一种用于MEMS气体传感器的评测系统，具体包括以下实施例：

实施例一

提供了一种MEMS气体传感器检测装置，如图1所示，包括气体供应模块、气体控制模块、气体清洗模块、气体混合模块、气体测试模块和气体处理模块。

具体的，如图2所示，本MEMS气体传感器检测系统包括氮气瓶1，其他气体瓶2，全通三通阀3、4、18，二位三通电磁阀5、12、15、20，二位二通电磁阀6、7、8，MFC9、10、11，缓冲瓶13、22，洗气瓶14、23，单向阀16、 17，混气室19，腔体21，标准气体传感器24，单片机25，PLC26以及PC27。

具体的，气路采用内径6.5mm，外径10mm的硅胶管，装置与硅胶管的接头均采用二分转快拆接头。

具体的，上述所述二分转快拆一端是气路接头，采用主流的气路接口结构，通过按压即可实现拆装，接口内径10mm，外接10mm的气管，另一端是螺纹接头，螺纹规格与上述进出气孔螺纹规格一致，与进出气孔相连接，连接中有密封胶，保证强度的同时保证气密性。

具体的，本实施例采用直流24V二位二通电磁阀，通过给其内部线圈通电和断电实现吸引和放开阀体，放开阀体后通过电磁阀内部弹簧复位，阀体处于两个位置时二位二通电磁阀处于两个不同的工作位，实现气路的导通和断开。

具体的，本实施例采用直流24V二位三通电磁阀，通过给其内部线圈通电和断电实现吸引和放开阀体，放开阀体后通过电磁阀内部弹簧复位，阀体处于两个位置时二位三通电磁阀处于两个不同的工作位，不同气路被导通。

具体的，气体供应模块里气瓶1装有40L高纯氮气，出口处与外径为10mm 的全通三通阀3相连，以便氮气充盈整个装置使后续的实验都在氮气环境中进行；气瓶2装40升其他气体，例如硫化氢、二氧化碳、甲烷等，出口处接直流24V二位二通电磁阀5控制气体的流入以便实现多种气体混合环境。

具体的，气体控制模块由全通三通阀3、4、18，二位三通电磁阀5、12、 15、20，二位二通电磁阀6、7、8，MFC9、10、11，以及控制其的PLC26和 PC27组成，所述气罐通过所述全通三通阀连接所述二位二通电磁阀和所述气体质量流量计，由气体质量流量计以及二位三通电磁阀连接恒温加热装置，再与气体质量流量计10各通过单向阀16和全通三通阀18连接到所述混气室，再与气体质量流量计9通过二位三通电磁阀19连接至所述检测腔体。

具体的，如图1和图5所示，气体控制模块中，上位机软件通过网口113 输入程序到PLC26中，并设置PLC为RUN模式，24V直流电源101给PLC供电， 24V直流电源103与所述所有复位按钮组成回路连接至端子102等给输入信号供电，24V直流电源112给所述电磁阀供电。

具体的，使电磁阀工作的操作为：按下复位按钮104，系统中电磁阀工作位发生改变，其余的电磁阀工作位不发生改变，气路由电磁阀下部通路转换为电磁阀上部通路，以进行可控的气路转换。

具体的，气体清洗模块包含缓冲瓶13，洗气瓶14和单通阀17，250ml螺口洗气瓶14中装有液面不超过右端短管的蒸馏水，下置加热装置水浴锅生成水蒸气使流经的气体具有一定湿度，左端长管接250ml缓冲瓶13防止倒吸，右端经直流24V二位三通电磁阀1接单通阀17、防止气体回流。

具体的，气体混合模块以19混气室为主，混气室19为长200mm，宽120mm，高80mm，壁厚10mm的长方体，内置多块沿长度方向等间距交错排列的气路隔板，所述气路隔板厚度为8mm，隔板间隔为22mm，交错排列，延长了气路，极大地提高了混气的均匀性，进出口均采用英制G1/4管螺纹，以直通方式引出二分转快拆接头并与气管连接，以保证装置气密性。

具体的，气体测试模块包括腔体21，标准气体传感器24，单片机25以及PC27，腔体内置标准气体传感器和待测MEMS气体传感器，通过前后两个 RS232接头的DB9孔出线并与单片机连接，单片机接入PC端进行信号传输和数据处理，气体从左右的进出气口通入，采用PC螺纹直通接头连接硅胶管以保证装置的气密性。

具体的，气体处理模块包括腔体出气口后接的缓冲瓶和装有2mol/L氢氧化钠的250ml洗气瓶，洗气瓶吸收有毒有害气体，排出干净气体，缓冲瓶防止溶液倒流入腔体。

实施例二

提出了在测试系统内不同湿度条件下检测MEMS气体传感器的方法：

具体的，如图5所示，PC27中上位机软件通过网口113输入程序到PLC26 中，并设置PLC为RUN模式，24V直流电源101给PLC供电，24V直流电源103 与所述所有复位按钮组成回路连接至端子102等给输入信号供电，24V直流电源112给所述电磁阀供电。

具体的，如图3所示，打开氮气瓶1开关使氮气流入系统，为二位二通电磁阀6，二位三通电磁阀20通电使第一条通路导通。

具体的，通过电脑连接MFC9设定氮气流量并进入腔体，待稳定后记录此时电脑上显示出的MEMS气体传感器和标准气体传感器示数。

具体的，为二位二通电磁阀7、8和二位三通电磁阀5通电使第二、三条通路导通，此时氮气一边经二位二通电磁阀7，MFC10，单通阀16和全通三通阀18进入混气室，另一边经二位二通电磁阀8，MFC11，二位三通电磁阀12、 15，缓冲瓶13，洗气瓶14，单通阀17和全通三通阀18进入混气室使湿润氮气与干燥氮气混合，混合后的气体经二位三通阀20进入腔体进行传感器的检测与校准，废气经缓冲瓶22和洗气瓶23处理后排出。

具体的，此时为使流经腔体的气体流量与开始时流经MFC9的相同，需要通过电脑调节MFC10、11的气体流入量，使MFC10的气体流量与MFC11的气体流量相加为设定的气体流量，运行程序使MFC11的气体流量从0上升至设定值，相应的，MFC10的气体流量从设定值下降至0，MEMS气体传感器和标准气体传感器检测到气体的相应数据后，通过P1、P2口将信号传递给单片机的 A/D转换模块，在模块内进行滤波、放大、隔离、比较的处理之后转换成相应的数字量并与PC端通信显示一定的数值，记录在此变化过程中的传感器示数。

具体的，测试结束后，以干湿氮气比例为横坐标，MEMS气体传感器和标准气体传感器转换后的示数为纵坐标绘图，得到传感器的响应曲线并进行对比和计算，最终对MEMS气体传感器准确度进行评价。

具体的，MEMS气体传感器和标准气体传感器响应曲线距离越近，MEMS气体传感器精确度越高；距离越远，则精确度越低。

实施例三

提出了在测试系统内干燥的混合气体条件下检测MEMS气体传感器的方法：

具体的，如图5所示，PC27中上位机软件通过网口113输入程序到PLC26 中，并设置PLC为RUN模式，24V直流电源101给PLC供电，24V直流电源103 与所述所有复位按钮组成回路连接至端子102等给输入信号供电，24V直流电源112给所述电磁阀供电。

具体的，打开氮气瓶1开关使氮气流入系统，为二位二通电磁阀6，二位三通电磁阀20通电使第一条通路导通。

具体的，通过电脑连接MFC9、设定氮气流量并进入腔体，待稳定后记录此时电脑上显示出的MEMS气体传感器和标准气体传感器示数。

具体的，为二位二通电磁阀7、8、12、15通电使第二、三条通路导通，此时氮气经二位二通电磁阀7，MFC10，单通阀16和全通三通阀18进入混气室，其他气体经二位二通电磁阀8，MFC11，二位三通电磁阀12、15，单通阀 17和全通三通阀18进入混气室使与氮气混合，混合后的气体经二位三通阀 20进入腔体进行传感器的检测与校准，废气经缓冲瓶22和洗气瓶23处理后排出。

具体的，此时为使流经腔体的气体流量与开始时流经MFC9的相同，需要通过电脑调节MFC10、11的气体流入量，使MFC10的气体流量与MFC11的气体流量相加为设定的气体流量，运行程序使MFC11的气体流量从0上升至设定值，相应的，MFC10的气体流量从设定值下降至0，MEMS气体传感器和标准气体传感器检测到气体的相应数据后，通过P1、P2口将信号传递给单片机的 A/D转换模块，在模块内进行滤波、放大、隔离、比较的处理之后转换成相应的数字量并与PC端通信显示一定的数值，记录在此变化过程中的传感器示数。

具体的，测试结束后，以氮气与其他气体混合比例为横坐标，MEMS气体传感器和标准气体传感器转换后的示数为纵坐标绘图，得到传感器的响应曲线并进行对比和计算，最终对混合气体环境下的MEMS气体传感器准确度进行评价。

具体的，MEMS气体传感器和标准气体传感器响应曲线距离越近，MEMS气体传感器精确度越高；距离越远，则精确度越低。

实施例四

针对气体传感器评测系统提供了一种测试电路，测试电路中包括PC控制模块610、单片机模块620和传感器模块630，电路原理如图6所示，其中传感器模块包括MEMS传感器和多种标准气体传感器，对应地，将气体传感器接口与单片机引脚连接，一个单片机可连接多个气体传感器，可以同时对多种参数进行检测。

如图6所示的测试系统原理图，整个电路包括PC端610、单片机620、传感器630、单片机串口通信621、MCU(微控制单元)622和A/D转换模块(模数转换器)623，单片机模块也可通过蓝牙无线传输与PC端通信。

PC端610通过RXD(接受数据)、TXD(发送数据)与单片机串口通信单元的TXD、RXD连接；所述的MCU模块622中包括控制单元、运算单元以及存储单元，单片机串口通信单元621与MCU622的控制单元连接，控制单元第一端与运算单元连接，第二端与存储单元连接；MCU622与A/D转换模块623连接，A/D转换模块623内有滤波器、放大器、隔离器和比较器，并与P1、P2 连接；单片机620通过P1、P2引脚与气体感器模块630连接，同时气体传感器模块与单片机中的VCC、GND相连。

工作原理为：上位机PC端输入传感器的控制程序后，通过驱动STC-ISP 与单片机的串口通信模块交流，PC端和单片机串口通信单元两个模块的RXD 与TXD互相连接、GND端与GND端互相连接后进行数据的传输；PC端同时又为单片机和传感器提供电源；MEMS传感器和标准气体传感器检测到气体的相应数据后，通过P1、P2口将信号传递给单片机的A/D转换模块，在模块内进行滤波、放大、隔离、比较的处理之后转换成数字量，通过SPI(串行外设接口)与MCU进行数据通信，数据在MCU内处理之后传到串口通信模块的TXD 端，进而将数据传回PC端。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于MEMS气体传感器的评测系统，包括气体供应模块、气体控制模块、气体清洗模块、气体混合模块、气体测试模块和气体处理模块，其特征在于：所述气体供应模块包含两个气瓶，所述气体控制模块由全通三通阀、二位三通电磁阀、二位二通电磁阀、MFC 9、10、11以及控制其的PLC和PC组成，所述气体清洗模块包含缓冲瓶、洗气瓶和单通阀，所述气体混合模块包括混气室，所述气体测试模块包括腔体、标准气体传感器、单片机以及PC，所述气体处理模块包括腔体出气口后接的缓冲瓶和装有2mol/L氢氧化钠的250ml洗气瓶。

2.根据权利要求1所述的一种用于MEMS气体传感器的评测系统，其特征在于：所述气体供应模块中，其中一个气瓶装有40升高纯氮气，出口处与外径为10mm的全通三通阀3相连，另一个气瓶装40升其他气体，例如硫化氢、二氧化碳、甲烷等。

3.根据权利要求1所述的一种用于MEMS气体传感器的评测系统，其特征在于：所述气体清洗模块中的洗气瓶中装有液面不超过右端短管的蒸馏水，缓冲瓶通过左端长管连接，右端与单通阀连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于MEMS气体传感器的评测系统，其特征在于：所述气体混合模块中的混气室19为长200mm，宽120mm，高80mm，壁厚10mm的长方体。

5.根据权利要求1所述的一种用于MEMS气体传感器的评测系统，其特征在于：所述气体测试模块中，标准气体传感器和小体积的MEMS气体传感器置于腔体内部，MEMS气体传感器固定在腔体中部，其串口从左端数据线接口引出与单片机引脚1连接，标准气体传感器串口从右端引出与单片机其他引脚相接，同时对多种参数进行检测及数据采集。

6.根据权利要求1所述的一种用于MEMS气体传感器的评测系统，其特征在于：所述混气室内置沿着长度方向等间距交错排列的气路隔板，其上放置硅胶片，第二层置透明亚克力板并使用螺栓与下部固定，便于观察的同时增强气密性，获得性质稳定的混合气体。

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