DE102019126024A1

DE102019126024A1 - Verfahren zum Testen eines Gassensors

Info

Publication number: DE102019126024A1
Application number: DE102019126024.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias König
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01
Also published as: US11927582B2; US20210096115A1

Abstract

Ein Verfahren zum Testen wenigstens eines Gassensors (100) wird beschrieben, wobei in einem ersten Messschritt (10) der Gassensor einem Testgas unter ersten Gasbedingungen einschließlich eines ersten Drucks ausgesetzt wird, wobei in einen zweiten Messschritt (20) der Gassensor einem Testgas unter zweiten Gasbedingungen einschließlich eines zweiten Drucks ausgesetzt wird, wobei die zweiten Gasbedingungen verschieden von den ersten Gasbedingungen sind, wobei der zweite Druck verschieden vom ersten Druck ist, und/oder wobei in einem Zwischenschritt (15) zwischen dem ersten Messschritt und dem zweiten Messschritt der Gassensor einem Zwischendruck ausgesetzt wird, der vom ersten Druck verschieden ist.

Description

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zum Testen eines Gassensors.
Gassensoren aufweisen üblicherweise eine Sensorvorrichtung in einem Gehäuse, das eine auch als Port bezeichnete Öffnung aufweist, die es ermöglicht, dass umgebendes Gas in das Gehäuse eintritt und in Kontakt mit der Sensorvorrichtung gelangt. Gassensoren nach dem Stand der Technik weisen üblicherweise große Ports auf, um die Möglichkeit eines schnellen Gasaustausches bereitzustellen. Jedoch ist es manchmal notwendig, kleinere Gas-Ports zu verwenden, zum Beispiel aus technischen Gründen. Zum Beispiel ist in Verbindung mit manchen Bestückungs(Pick-and-Place)-Vorrichtungen ein kleiner Port notwendig. Falls ein Filter benötigt wird, ermöglicht Weiterhin ein kleinerer Port die Verwendung einer kleineren Filtermembran. Folglich kann ein kleinerer Port zu geringeren Kosten führen, da manche Filtermaterialein sehr teuer sein können, insbesondere wenn ein Filtermaterial notwendig ist, das nur gewisse Gase filtert. Zudem kann eine gewisse kleine Port-Größe aufgrund der Kundenumgebung notwendig sein. Ein kleinerer Port kann auch das Risiko von Partikelproblemen reduzieren, da Partikel in dem Fall eines großen Ports einfach in den Sensor eintreten und Fehlfunktionen verursachen können.
Jedoch kann ein kleiner Port zu dem Nachteil führen, dass die Reaktionszeit des Sensors gegenüber Gasänderungen in der Umgebungsatmosphäre erhöht ist, da die Gasmoleküle mehr Zeit benötigen, um durch den Port zu diffundieren. Obwohl die Reaktionszeit für viele Anwendungen kein großes Problem ist, weil üblicherweise Gasänderungsraten sehr niedrig sind, wie zum Beispiel in Verbindung mit Messungen der Luftqualität in einem Raum, führt ein kleiner Gas-Port zu langen Testzeiten, wenn der Sensor Testen und Kalibrieren durchläuft, was notwendig ist, bevor der Sensor an einen Kunden verkauft werden kann. Während einer üblichen Testprozedur wird der Sensor einem Gas ausgesetzt und es wird überprüft, ob der Sensor auf die gewünschte Weise reagiert. Weiterhin können Kalibrierungskoeffizienten basierend auf den Testinformationen berechnet werden. Bei üblichen Testverfahren wird der zu testende Sensor zuerst reiner Luft und dann einem gewünschten Testgas ausgesetzt, wobei die Luft oder das Luft/Gas-Gemisch konstant der Testkammer zugeführt und von dieser abgeführt wird. Das Testgas ist in Druckflaschen enthalten und wird unter Verwendung unterschiedlicher Flussraten mit Luft gemischt, um gewünschte Konzentrationen zu erreichen. Falls der Druck in der Kammer konstant bleiben soll, muss der Gesamtfluss unter Normalbedingungen konstant sein. Gaskonzentrationsänderungen finden daher aufgrund von Diffusion in der Testkammer statt. Selbst wenn hohe Flussraten verwendet werden, dauert der Gasaustausch selbst in einer optimierten Kammer üblicherweise einige zehn Sekunden, was für eine Produktion mit hohem Volumen eine sehr lange Zeit ist. Die Gasaustauschzeit kann sogar zunehmen, zum Beispiel wenn größere Kammern mit Handhabungsvorrichtungen (Handlers) und anderen notwendigen Geräten verwendet werden.
Es ist ein Ziel, ein Verfahren zum Testen eines Gassensors anzugeben, insbesondere ein Verfahren, das manche der oben erwähnten Probleme vermeidet oder wenigstens reduziert.
Dieses Ziel wird unter anderem mit einem Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht. Weitere Ausführungsformen und Konfigurationen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Testen wenigstens eines Gassensors den Schritt des Aussetzens des Gassensors gegenüber einem Testgas auf. Hier und im Folgenden schließt der Ausdruck „Testen“ bevorzugt Schritte des grundlegenden funktionalen Testens des wenigstens einen Gassensors und/oder des Kalibrierens des wenigstens einen Gassensors mit Bezug auf wenigstens eine Testgasspezies, die in dem Testgas enthalten ist, ein.
Hier und im Folgenden ist ein Gassensor ein Sensor, der die Anwesenheit eines Gases, d. h. die Anwesenheit wenigstens einer Gasspezies in einer Gasatmosphäre in Kontakt mit dem Gassensor, detektiert. Der Gassensor kann bevorzugt wenigstens eine Gasspezies detektieren, die in einem Gemisch aus Gasen vorhanden ist. Die Gasatmosphäre kann beispielsweise Luft, z. B. reine Luft oder normale Luft, sein oder aufweisen, die rein sein kann oder die zusätzlich eine Gasspezies, wie zum Beispiel CO, CO₂, Ethanol und/oder ein anderes Umgebungsgas, das durch den Gassensor detektiert wird, enthält.
Im Betrieb liefert der Gassensor ein elektrisches Signal, zum Beispiel einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Widerstand und/oder ein digitales Signal und/oder ein digitales Wort, wobei das elektrische Signal ein Maß für die Menge der wenigstens einen detektierten Gasspezies in der Gasatmosphäre ist. Durch das Messen und Verarbeiten des elektrischen Signals des Gassensors, bevorzugt bei Betrieb unter unterschiedlichen vorbestimmten Gasbedingungen des Testgases, kann das Testen durchgeführt werden. Folglich kann das Verfahren bevorzugt einige Schritte aufweisen, in denen der wenigstens eine Gassensor in einem Testgas mit unterschiedlichen Gasbedingungen angeordnet ist. Hier und im Folgenden kann der Ausdruck „Gasbedingungen“ ein oder mehrere Merkmale eines Gases einschließen, die beispielsweise aus einer Gaszusammensetzung, einem Gasdruck, einer Gastemperatur ausgewählt werden können. Besonders bevorzugt wird die Änderung von einer Gasbedingung zu einer anderen Gasbedingung wenigstens teilweise mittels einer Druckänderung des Testgases durchgeführt, wie nachfolgend ausführlicher erklärt ist.
Der wenigstens eine Gassensor kann zum Beispiel ein elektrochemischer Gassensor, ein Gassensor vom Pellistor-Typ, ein Halbleitergassensor oder ein Metall-Oxid-HalbleiterGassensor sein oder eine solchen aufweisen. Diese Typen von Gassensoren sind einem Fachmann wohlbekannt und werden daher nicht weiter erklärt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren in einer Testkammer durchgeführt. Entsprechend kann das Verfahren den Schritt des Bereitstellens einer Testkammer und des Anordnens des wenigstens einen Gassensors in der Testkammer aufweisen. Die Testkammer weist bevorzugt ein internes Volumen auf, in dem der wenigstens eine Gassensor angeordnet ist und für das gewünschte Testgasbedingungen bereitgestellt werden können. Besonders bevorzugt können mehrere Gassensoren in der Testkammer angeordnet sein, so dass das Verfahren gleichzeitig für die mehreren Gassensoren durchgeführt wird. Die zuvor und nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte und Merkmale gelten gleichermaßen für ein Verfahren zum Testen von genau einem Gassensor oder zum Testen von mehr als einem Gassensor, d. h. von mehreren Gassensoren, die zur gleichen Zeit in der Testgasatmosphäre angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren einen ersten Messschritt auf, wobei in dem ersten Messschritt der wenigstens eine Gassensor einem Testgas unter ersten Gasbedingungen einschließlich eines ersten Drucks ausgesetzt wird. Bevorzugt wird in dem ersten Messschritt ein erstes elektrisches Signal des Gassensors gemessen. Das elektrische Signal kann bevorzugt ein Maß für die Menge einer Gasspezies sein, die Teil des Testgases des ersten Messschritts ist und die durch den Gassensor detektiert wird. Die Gasspezies, die durch den Gassensor detektiert wird, kann hier und im Folgenden als Testgasspezies bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren einen zweiten Messschritt auf, wobei der Gassensor in dem zweiten Messschritt einem Testgas unter zweiten Gasbedingungen einschließlich eines zweiten Drucks ausgesetzt wird, wobei die zweiten Gasbedingungen von den ersten Gasbedingungen verschieden sind. Bevorzugt wird in dem zweiten Messschritt ein zweites elektrisches Signal des Gassensors gemessen, wobei das zweite elektrische Signal bevorzugt ein Maß für die Testgasspezies in dem Testgas des zweiten Messschritts ist.
Weiterhin kann es möglich sein, dass wenigstens ein weiterer Messschritt durchgeführt wird, während dessen der Gassensor einem Testgas unter weiteren Gasbedingungen einschließlich eines weiteren Drucks ausgesetzt wird, wobei die weiteren Gasbedingungen wenigstens von den Gasbedingungen des unmittelbar vorhergehenden Messschritts verschieden sind. Bevorzugt wird in dem weiteren Messschritt ein weiteres elektrisches Signal des Gassensors gemessen. Weiterhin können mehrere solcher weiteren Messschritte durchgeführt werden. Obwohl im Folgenden das Verfahren hauptsächlich mit einem ersten und einem zweiten Messschritt beschrieben wird, gilt die Beschreibung entsprechend für ein Verfahren, das einen oder mehrere weitere Messschritte aufweist. Die gemessenen elektrischen Signale und die Informationen der zugehörigen Gasbedingungen während des ersten, zweiten und ggf. weiteren Messschritts können für das grundlegende funktionale Testen und insbesondere für die Kalibrierung des Gassensors verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Testkammer einen Einlass und einen Auslass auf. Der Einlass ist zum Füllen des internen Volumens der Testkammer mit einem Testgas vorgesehen und ausgebildet, wohingegen der Auslass zum wenigstens partiellen Entfernen des Testgases aus dem internen Volumen der Testkammer vorgesehen und ausgebildet ist. Der Auslass kann mit einer Pumpe oder einem externen Volumen mit einem niedrigeren Druck als das interne Volumen verbunden sein. Der Einlass kann mit einer Gasquelle verbunden sein. Wenn der Einlass geschlossen ist und der Auslass geöffnet ist, so dass das interne Volumen ausgepumpt werden kann, kann eine Abnahme des Drucks in dem internen Volumen erreicht werden. Die Abnahme des Drucks kann zu einem Vakuum führen. Der Ausdruck „Vakuum“ schließt Gasbedingungen mit einem Druck gleich oder kleiner als 300 hPa, das als Grobvakuum bezeichnet werden kann, gleich oder kleiner als 1 hPa, was als Feinvakuum bezeichnet werden kann, oder gleich oder kleiner als 10^-3 hPa, was als Hochvakuum oder in Abhängigkeit vom Druck sogar als Ultrahochvakuum bezeichnet werden kann, ein. Wenn der Einlass geöffnet ist und der Auslass geschlossen ist und der Druck in dem internen Volumen niedriger als der Druck des Quellengases ist, kann Gas in das interne Volumen gefüllt werden. Der Gasaustausch aufgrund von Druckunterschieden kann im Vergleich zu Gasaustäuschen aufgrund von Diffusionsprozessen sehr schnell sein.
Während des ersten Messschritts und des zweiten Messschritts ist der Einlass und/oder der Auslass geschlossen. Bevorzugt ist wenigstens der Auslass während sowohl des ersten Messschritts als auch des zweiten Messschritts geschlossen. Durch Schließen des Auslasses oder bevorzugt sowohl des Einlasses als auch des Auslasses der Testkammer während der Messschritte kann die Testgasatmosphäre, d. h. die Gasbedingungen des Testgases, in der Testkammer konstant gehalten werden. Mit anderen Worten gibt es während jedes der Messschritte, die den ersten Messschritt und den zweiten Messschritt aufweisen, bevorzugt keinen Gasfluss in die Testkammer hinein, durch diese hindurch und aus dieser heraus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Druck vom ersten Druck verschieden. Entsprechend ist der zweite Druck niedriger als der erste Druck oder der zweite Druck ist höher als der erste Druck. Bevorzugt wird der Druck des Testgases bei einer Änderung vom ersten Druck zum zweiten Druck geändert. Besonders bevorzugt ist in diesem Fall das Testgas im ersten und zweiten Messschritt im Wesentlichen gleich. „Im Wesentlichen gleich“ bedeutet, dass die Zusammensetzung des Testgases, d. h. die relative Konzentration der einen oder der mehreren Gasspezies des Testgases, vom ersten zum zweiten Messschritt nicht absichtlich geändert wird und dementsprechend gleich bleibt. Anstatt eine Gaszusammensetzung des Testgases zu ändern, kann lediglich der Gasdruck des Testgases geändert werden, indem ein Teil des Testgases aus der Testkammer entfernt wird oder die Menge des Testgases in der Testkammer erhöht wird. Entsprechend weist das Testgas eine Testgasspezies mit einer relativen Konzentration auf, die während des ersten und zweiten Messschritts im Wesentlichen gleich ist.
Aufgrund der Druckänderung des Testgases zwischen dem ersten und zweiten Messschritt ändert sich der Partialdruck der Testgasspezies, die durch den Gassensor detektiert wird. Da eine Änderung des Partialdrucks äquivalent zu einer Konzentrationsänderung der detektierten Testgasspezies ist, kann der Gassensor auf die Druckänderung auf eine ähnliche Weise zu der Situation reagieren, wenn eine entsprechende Änderung der Gaszusammensetzung durchgeführt wird. Falls der Gassensor zusätzlich eine Druckabhängigkeit aufzeigt, kann diese Druckabhängigkeit zum Beispiel durch das Entwickeln eines geeigneten Modells korrigiert werden. Beispielsweise können der erste und der zweite Messschritt einige Male durchgeführt werden, wobei für jede Wiederholung des ersten und zweiten Messschritts die Menge der detektierten Testgasspezies in dem Testgas geändert wird, während jeder erste Messschritt mit dem gleichen ersten Druck durchgeführt wird und jeder zweite Messschritt mit dem gleichen zweiten Druck durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Zwischenschritt zwischen dem ersten Messschritt und dem zweiten Messschritt. Während des Zwischenschritts wird der Gassensor einem Zwischendruck ausgesetzt, der vom ersten Druck verschieden ist. Insbesondere kann der Zwischendruck so niedrig wie möglich sein. Bevorzugt wird der Gassensor während des Zwischenschritts einem Vakuum ausgesetzt. Dies kann bedeuten, dass das Testgas des ersten Messschritts während des Zwischenschritts im Wesentlichen aus der Testkammer entfernt wird. Nach dem Zwischenschritt wird ein während des zweiten Messschritts zu verwendendes Testgas in die Testkammer eingeleitet. In diesem Fall kann es möglich sein, dass das während des ersten Messschritts verwendete Testgas und das während des zweiten Messschritts verwendete Testgas unterschiedlich sind. Insbesondere ist die Konzentration der Testgasspezies, die durch den Gassensor detektiert wird, in den Testgasen verschieden, die während des ersten und des zweiten Messschritts verwendet werden. Bevorzugt können der erste und der zweite Druck gleich sein. Alternativ dazu können der erste und der zweite Druck unterschiedlich sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die unterschiedlichen Gasbedingungen in dem ersten und zweiten Messschritt unterschiedliche Gastemperaturen beinhalten. Mit anderen Worten kann alternativ oder zusätzlich zu den Variationen der ersten und zweiten Gasbedingung, die oben beschrieben sind, das Testgas während des ersten Messschritts eine erste Temperatur aufweisen und kann das Testgas während des zweiten Messschritts eine zweite Temperatur aufweisen, die von der ersten Temperatur verschieden ist. Es kann möglich sein, dass das Testgas während des ersten und zweiten Messschritts unverändert bleibt, so dass die Temperaturdifferenz eine Druckdifferenz verursacht. Alternativ dazu können der erste und zweite Druck durch das Anpassen des Testgasdrucks gleich sein, während die erste und zweite Temperatur unterschiedlich sind. Weiterhin können sich der erste und zweite Messschritt hinsichtlich anderer physikalischer Stimuli für den Gassensor unterscheiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Testgas eine oder mehrere der folgenden Gasverbindungen: N₂, O₂, CO₂, CO, Ethanol, NH₃, N_xO_x, flüchtige organische Verbindungen (VOCs: volatile organic compounds). Insbesondere kann das Testgas eine oder mehrere der erwähnten Gasverbindungen im ersten Messschritt und im zweiten Messschritt aufweisen. Weiterhin kann das Testgas ein Gemisch mit wenigstens zwei oder mehr der erwähnten Gasverbindungen sein. Beispielsweise kann das Testgas ein Gemisch aus N₂, O₂ und wenigstens einem von CO₂, CO, Ethanol, NH₃, N_xO_x, VOCs sein oder aufweisen.
Wie zuvor beschrieben, verwendet das Verfahren Druckänderungen, um den wenigstens einen Gassensor zu kalibrieren. Insbesondere umfasst das Verfahren Druckänderungen des Testgases nach dem ersten Messschritt. Während Druckänderungen mit Schallgeschwindigkeit stattfinden, die etwa 333 m/s beträgt, finden Diffusionsgasänderungen, die üblicherweise in Testverfahren für Gassensoren verwendet werden, mit einer typischen Geschwindigkeit von etwa 0,1 m/s bis 1 m/s statt. Daher erfolgen Änderungen der Gasbedingungen zwischen dem ersten und zweiten Messschritt in dem hier beschriebenen Verfahren viel schneller als in üblichen Testverfahren. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht daher eine Reduzierung der erforderlichen Testzeit, selbst wenn der getestete Gassensor oder die getesteten Gassensoren einen kleinen Gas-Port aufweist/aufweisen. Das beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf gewisse Port-Größen begrenzt und kann für Gassensoren mit einer beliebigen Port-Größe durchgeführt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.

1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen von Gassensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen,
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 zeigt eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Testen eines Gassensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 zeigt eine Messung eines Gassensors,
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
8 zeigt eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Testen eines Gassensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Gleiche oder ähnliche Elemente sowie Elemente gleicher Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet. Die Figuren und die Proportionen der in den Figuren gezeigten Elemente werden nicht als maßstabsgetreu gezeigt betrachtet. Stattdessen können einzelne Elemente, insbesondere Schichten, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis in übertriebener Größe gezeigt sein.
1 zeigt einen Gassensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 2 und 3 zeigen Modifikationen des Gassensors 100 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. Die Merkmale des Gassensors 100, wie in den 1 bis 3 sowie in den folgenden Figuren veranschaulicht, sind rein beispielhaft und sind nicht als das unten beschriebene Verfahren beschränkend zu verstehen.
Der Gassensor 100 weist eine Sensorvorrichtung 101 auf, die das gasempfindliche Element des Gassensors 100 ist und die beispielsweise ein elektrochemischer Gassensor, ein Gassensor vom Pellistor-Typ, ein Halbleitergassensor oder ein MetallOxid-Halbleiter-Gassensor sein kann. Wie in 1 angegeben, kann die Sensorvorrichtung 101 ein Chip oder wenigstens eine Vorrichtung in Chipgröße sein. Zum Beispiel ist die Sensorvorrichtung 101 eine MEMS-Vorrichtung (MEMS: mikroelektromechanisches System) oder weist eine solche auf. Weiterhin kann der Gassensor 100 eine elektronische Vorrichtung 102 aufweisen, die zum Beispiel ein ASIC (application-specific integrated circuit - anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) ist oder einen solchen umfasst. Eine solche Vorrichtung kann zum Beispiel die Funktion der Sensorvorrichtung 101 und dementsprechend des Gassensors 100 steuern. Die elektronische Vorrichtung 102 kann zusammen mit der Sensorvorrichtung 101 in einem gemeinsamen Gehäuse 103 oder außerhalb des Gehäuses 103 montiert sein. Alternativ dazu kann es möglich sein, dass der Gassensor 100 keine elektronische Vorrichtung 102 aufweist.
Das Gehäuse 103 weist einen Träger 104 auf, der die Sensorvorrichtung 101 und die elektronische Vorrichtung 102 aufweist, die zum Beispiel mittels einer Lötschicht oder Klebstoffschicht an den Träger 104 gelötet oder geklebt und über Bonddrähte elektrisch kontaktiert sein kann. Weiterhin weist das Gehäuse 103 eine Abdeckung 105 auf, die die Sensorvorrichtung 101 und die elektronische Vorrichtung 102 bedeckt. Sowohl der Träger 104 als auch die Abdeckung 105 können ein Keramik- und/oder Kunststoffmaterial aufweisen. Alternativ dazu kann die Abdeckung 105 zum Beispiel auch ein Metall aufweisen oder daraus bestehen. Für das elektrische Kontaktieren der auf dem Träger 104 montierten Bauelemente weist der Träger 104 ferner interne elektrische Kontakte, wie beispielsweise Bondpads 106, externe elektrische Kontakte, wie beispielsweise Lötpads 107, und falls notwendig interne Leitungen und/oder elektrische Vias auf. Die Abdeckung 105 weist eine Öffnung auf, die einen Port 108 bildet, durch den die umgebende Atmosphäre in das Gehäuse 103 eintreten kann, so dass das Gas oder eine oder mehrere Gasspezies der umgebenden Atmosphäre durch die Sensorvorrichtung 101 detektiert werden können.
Wie in 1 gezeigt, kann sich der Port 108 in der oberen Seite der Abdeckung 105 befinden, so dass die umgebende Gasatmosphäre von der Oberseite des Gassensors 100 in das Gehäuse 103 eintreten kann. Folglich ist der Gassensor 100 mit dem Träger 104 auf einer Auflage zu montieren, so dass der Port 108 zugänglich ist. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gassensors 100 mit einem Port 108 in der oberen Seite und einer lateralen Seite der Abdeckung 105. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gassensors 100 mit einem Port 108 nur in der lateralen Seite der Abdeckung 105. Bei diesen zwei Ausführungsbeispielen kann das Gas der umgebenden Atmosphäre in das Gehäuse 103 eintreten, selbst wenn der Gassensor 100 kopfüber mit der Abdeckung 105 auf einer Auflage montiert ist.
4 zeigt eine Messvorrichtung 1000, die zum Ausführen eines Verfahrens zum Testen wenigstens eines Gassensors 100 ausgebildet ist. Die Messvorrichtung 1000 weist eine Testkammer 1001 auf, in der das Verfahren durchgeführt wird. Die Testkammer 1001 schließt ein internes Volumen 1002 ein, in dem der wenigstens eine Gassensor 100 angeordnet ist und für das gewünschte Testgasbedingungen bereitgestellt werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere Gassensoren 100 in der Testkammer 1001 angeordnet, so dass das Verfahren für die mehreren Gassensoren 100 durchgeführt werden kann.
Die Testkammer 1001 weist einen Einlass 1003 und einen Auslass 1004 auf. Der Einlass 1003 ist zum Füllen des internen Volumens 1002 der Testkammer 1001 mit einem Testgas ausgebildet, wohingegen der Auslass 1004 zum wenigstens partiellen Entfernen des Testgases aus dem internen Volumen 1002 der Testkammer 1001 ausgebildet ist. Die Gassensoren 100 sind in einer matrixartigen Anordnung auf einer Auflage 1005 angeordnet, die zum Beispiel ein Montageband aufweisen oder sein kann, und können durch eine Testvorrichtung 1006 kontaktiert werden. Um das Kontaktieren durch die Testvorrichtung 1006 zu erleichtern, die auf die elektrischen Kontakte der Gassensoren 100 zugreifen muss, sind die Gassensoren 100 kopfüber auf der Auflage 1005 angeordnet. Die Gassensoren 100 sind wie in Verbindung mit 2 erklärt mit einem Port wenigstens teilweise auf einer lateralen Seite der Abdeckung ausgebildet, so dass die Ports der Gassensoren 100 nicht durch die Auflage 1005 blockiert werden. Alternativ dazu können die Gassensoren 101 auch wie in 3 gezeigt ausgebildet sein. Jedoch kann das Verfahren auch in Verbindung mit anderen Gassensoren und anderen Anordnungen von Gassensoren durchgeführt werden. Die Testvorrichtung 1006 kontaktiert einen Gassensor 100 nach dem anderen elektrisch, wie durch die Pfeile angedeutet ist, indem sie sich schrittweise von Gassensor 100 zu Gassensor 100 bewegt, wobei dabei ein elektrisches Signal der Gassensoren 100 als Reaktion auf das in der Testkammer 1001 enthaltene Testgas gemessen wird. Alternativ dazu kann die Messvorrichtung 1000 eine Testvorrichtung aufweisen, die mehr als einen Gassensor 100 oder sogar alle Gassensoren 100 zur gleichen Zeit kontaktiert.
Der Einlass 1003 ist mit einer Gasquelle 1007 verbunden, die eine oder mehrere Druckflaschen aufweisen kann, die Gase oder Gasspezies enthalten. Der Auslass 1004 kann mit einer Pumpe oder einem externen Volumen mit einem niedrigeren Druck als das interne Volumen 1001 verbunden sein. Beim in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Drucksteuerung 1008 mit dem Auslass 1004 verbunden, so dass der Druck des Testgases in dem internen Volumen 1002 der Testkammer 1001 gesteuert werden kann. Wenn der Einlass 1003 geschlossen und der Auslass 1004 geöffnet ist, kann eine gesteuerte Abnahme des Drucks in dem internen Volumen 1002 mittels der Drucksteuerung 1008 erzielt werden. Wenn der Einlass 1003 geöffnet und der Auslass 1004 geschlossen ist, kann Gas in das interne Volumen 1002 gefüllt werden.
Das Testgas kann bevorzugt eine oder mehrere der folgenden Gasverbindungen aufweisen: N₂, O₂, CO₂, CO, Ethanol, NH₃, N_xO_x, flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Beispielsweise kann das Testgas ein Gemisch aus N₂, O₂ und wenigstens einem von CO₂, CO, Ethanol, NH₃, N_xO_x, VOCs sein oder aufweisen.
5 zeigt Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Testen wenigstens eines Gassensors, wobei die Verfahrensschritte mit der Messvorrichtung 1000 des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels durchgeführt werden.
Das Verfahren weist einen ersten Messschritt 10 auf. Im ersten Messschritt 10 wird der wenigstens eine Gassensor einem Testgas unter ersten Gasbedingungen einschließlich eines ersten Drucks ausgesetzt. Im ersten Messschritt wird ein erstes elektrisches Signal des wenigstens einen Gassensors gemessen. Wie in Verbindung mit 4 erläutert, wird die Testvorrichtung 1006 zum Messen des elektrischen Signals des Gassensors 100 verwendet, der in der Testkammer 1001 angeordnet ist. Insbesondere wird im ersten Messschritt 10 ein elektrisches Signal jedes Gassensors gemessen, wobei das elektrische Signal von den ersten Gasbedingungen abhängt. Das elektrische Signal jedes Gassensors ist ein Maß für die Menge einer Testgasspezies, die Teil des Testgases ist, das in dem internen Volumen der Testkammer während des ersten Messschritts 10 vorhanden ist, und die durch den jeweiligen Gassensor detektiert wird.
Das Verfahren weist weiterhin einen zweiten Messschritt 20 auf, wobei im zweiten Messschritt der wenigstens eine Gassensor, d. h. die mehreren Gassensoren im Ausführungsbeispiel der 4, einem Testgas unter zweiten Gasbedingungen einschließlich eines zweiten Drucks ausgesetzt wird. Die zweiten Gasbedingungen sind von den ersten Gasbedingungen verschieden. Ähnlich dem ersten Messschritt 10 wird im zweiten Messschritt ein zweites elektrisches Signal von jedem der Gassensoren gemessen, wobei das zweite elektrische Signal bevorzugt ein Maß für die Testgasspezies in dem Testgas des zweiten Messschritts 20 ist.
Während des ersten Messschritts 10 und des zweiten Messschritts 20 ist der Einlass und/oder der Auslass der Testkammer geschlossen. Bevorzugt ist wenigstens der Auslass während sowohl des ersten Messschritts 10 als auch des zweiten Messschritts 20 geschlossen. Durch Schließen des Auslasses oder bevorzugt sowohl des Einlasses als auch des Auslasses der Testkammer kann die Testgasatmosphäre, d. h. die Gasbedingungen des Testgases, in der Testkammer konstant gehalten werden. Folglich gibt es während sowohl des ersten Messschritts 10 als auch des zweiten Messschritts 20 keinen Gasfluss in die Testkammer hinein, durch diese hindurch und aus dieser heraus.
Der zweite Druck ist von dem ersten Druck verschieden. Insbesondere ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der zweite Druck niedriger als der erste Druck. Jedoch kann es auch möglich sein, dass der zweite Druck höher als der erste Druck ist. Besonders bevorzugt ist das Testgas im ersten und zweiten Messschritt 10, 20 im Wesentlichen gleich. Folglich unterscheiden sich die erste und zweite Gasbedingung nur hinsichtlich des Gasdrucks. Aufgrund der Druckänderung des Testgases zwischen dem ersten und zweiten Messschritt 10, 20 ändert sich der Partialdruck der Testgasspezies, die durch die Gassensoren detektiert wird. Die Partialdruckänderung ist äquivalent zu einer Konzentrationsänderung der Testgasspezies.
Wenn zum Beispiel ein Sauerstoffsensor, der ein Gassensor aufweisend eine durch einen Metalloxidgassensor gebildete Sensorvorrichtung sein kann, getestet und insbesondere kalibriert werden soll, kann die Testkammer mit reiner Luft mit einem Druck von 1000 hPa als Testgas für den ersten Messschritt 10 gefüllt werden. Der Partialdruck von Sauerstoff beträgt etwa 200 hPa. Der Gassensor kann daher mit einer Konzentration von (200/1000)*(1/22,4) mol/l = 4,48 mol/l getestet werden. Für den zweiten Messschritt 20 wird der Druck in der Testkammer zum Beispiel auf 500 hPa reduziert, was zu einer Sauerstoffkonzentration von 2,24 mol/l führt. Der Gassensor kann dann auch mit dieser Konzentration getestet und anschließend kalibriert werden. Aufgrund der Tatsache, dass Gasänderungen in einem Gas, das auf dem gleichen Druck gehalten wird, rein diffusionsbedingt sind und mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1 m/s bis 1 m/s stattfinden, wohingegen Änderungen des Drucks mit Schallgeschwindigkeit, d. h. mit einer Geschwindigkeit von etwa 333 m/s, stattfinden, ist das hier beschriebene Verfahren viel schneller als übliche Gassensorkalibrierungsverfahren. Falls der Gassensor zusätzlich eine Druckabhängigkeit aufweist, kann diese Druckabhängigkeit zum Beispiel durch das Entwickeln eines geeigneten Modells korrigiert werden.
6 zeigt eine beispielhafte Messung mit einem Gassensor in einer Messvorrichtung, wie sie oben erklärt ist. Die oberste Messung zeigt als Sensorlesewert, d. h. als das elektrische Signal des Gassensors, den elektrischen Widerstand RS des Gassensors als Reaktion auf Druckänderungen des Drucks P (unterste Messung) und die Temperatur T, gemessen in Bezug auf einen Heizelementwiderstand RH (mittlere Messung) in einer Testkammer, während eine Abfolge erster und zweiter Messschritte während einer Zeit T durchgeführt wird. Wie leicht zu sehen ist, verursachen die Druckänderungen von etwa 200 hPa signifikante Änderungen der Sensorlesewerte von etwa 3,8 kΩ. Obwohl die Temperaturänderung in der Testkammer zu einer Zeit T = 810 s eine Verschiebung des Sensorlesewerts verursacht, kann die Sensorlesewertdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Messschritt gleich bleiben.
7 zeigt eine Messvorrichtung 1000, die zum Ausführen eines Verfahrens zum Testen wenigstens eines Gassensors 100 ausgebildet ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Verfahren in 8 gezeigt ist. Das Verfahren, das. eine Modifikation des in 5 gezeigten Verfahrens ist, umfasst einen Zwischenschritt 15 zwischen dem ersten und zweiten Messschritt 10, 20. Während des Zwischenschritts 15 werden die Gassensoren 100 einem Zwischendruck ausgesetzt, der vom ersten Druck verschieden ist. Bevorzugt werden die Gassensoren 100 während des Zwischenschritts 15 einem Vakuum ausgesetzt. Folglich wird das Testgas, das während des ersten Messschritts 10 in der Testkammer enthalten ist, im Zwischenschritt 15 im Wesentlichen aus der Testkammer 1001 entfernt. Zu diesem Zweck weist die Messvorrichtung 1000 eine Vakuumerzeugungsvorrichtung 1009 auf, beispielweise eine Pumpe oder ein großes Vakuumreservoir, die mit dem Auslass 1004 verbunden ist.
Nach dem Zwischenschritt 15 wird ein Testgas, das dann während des zweiten Messschritts 20 verwendet wird, über den Einlass 1003 in die Testkammer 1001 eingeleitet. Insbesondere sind das während des ersten Messschritts 10 verwendete Testgas und das während des zweiten Messschritts 20 verwendete Testgas unterschiedlich. Beispielsweise ist das während des ersten Messschritts 10 verwendete Testgas reine Luft und das während des zweiten Messschritts 20 verwendete Testgas ist reine Luft, die mit einer Testgasspezies gemischt ist, die beispielsweise CO, CO₂, Ethanol und/oder andere Umgebungsgase sein kann. Allgemein ist die Konzentration der Testgasspezies, die durch den Gassensor detektiert wird, in den Testgasen verschieden, die während des ersten und des zweiten Messschritts 10, 20 verwendet werden. Bevorzugt können der erste und der zweite Druck gleich sein. Alternativ dazu können der erste und der zweite Druck unterschiedlich sein. Da der Gassensor während des Zwischenschritts 15 Vakuum ausgesetzt wird, ist der Austausch der Testgase viel schneller als in einem Verfahren, in dem Änderungen der Konzentration der Testgasspezies nur durch Diffusion stattfindet.
Bei den oben erklärten Verfahren kann eine Wiederholung der ersten und zweiten Messung durchgeführt werden, wie auch in Verbindung mit 6 erwähnt ist. Zusätzlich oder alternativ dazu können ein oder mehrere weitere Messschritte durchgeführt werden, wobei in jedem der weiteren Messschritte der (die) Gassensor(en) einem Testgas unter weiteren Gasbedingungen einschließlich eines weiteren Drucks ausgesetzt wird (werden), wobei die weiteren Gasbedingungen wenigstens von den Gasbedingungen des unmittelbar vorhergehenden Messschritts verschieden sind.
Alternativ oder zusätzlich zu den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmalen können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale aufweisen, die in dem allgemeinen Teil der Beschreibung beschrieben sind. Zudem können Merkmale und Ausführungsbeispiele der Figuren miteinander kombiniert werden, selbst wenn eine solche Kombination nicht explizit beschrieben ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung auf Basis der Ausführungsbeispiele beschränkt. Stattdessen schließt die Erfindung ein beliebiges neues Merkmal und auch eine beliebige Kombination von Merkmalen ein, was insbesondere eine beliebige Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen umfasst, selbst wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst in den Patentansprüchen oder Ausführungsformen nicht explizit angegeben ist.
Bezugszeichenliste

10: Messschritt
15: Zwischenschritt
20: Messschritt
100: Gassensor
101: Sensorvorrichtung
102: Elektronische Vorrichtung
103: Gehäuse
104: Träger
105: Abdeckung
106: Bondpad
107: Lötpad
108: Port
1000: Messvorrichtung
1001: Testkammer
1002: Internes Volumen
1003: Einlass
1004: Auslass
1005: Auflage
1006: Testvorrichtung
1007: Gasquelle
1008: Drucksteuerung
1009: Vakuumerzeugungselement

Claims

Verfahren zum Testen wenigstens eines Gassensors (100), wobei in einem ersten Messschritt (10) der Gassensor einem Testgas unter ersten Gasbedingungen einschließlich eines ersten Drucks ausgesetzt wird, wobei in einem zweiten Messschritt (20) der Gassensor einem Testgas unter zweiten Gasbedingungen einschließlich eines zweiten Drucks ausgesetzt wird, wobei die zweiten Gasbedingungen von den ersten Gasbedingungen verschieden sind, wobei der zweite Druck vom ersten Druck verschieden ist, und/oder wobei in einem Zwischenschritt (15) zwischen dem ersten Messschritt und dem zweiten Messschritt der Gassensor einem Zwischendruck ausgesetzt wird, der von dem ersten Druck verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Druck niedriger als der erste Druck ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten und zweiten Messschritt der Druck des Testgases zum Ändern vom ersten Druck zum zweiten Druck geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Testgas während des ersten und zweiten Messschritts im Wesentlichen gleich ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Testgas eine Testgasspezies mit einer relativen Konzentration aufweist, die während des ersten und zweiten Messschritts im Wesentlichen gleich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren in einer Testkammer (1001) durchgeführt wird und während des Zwischenschritts das Testgas des ersten Messschritts aus der Testkammer entfernt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gassensor während des Zwischenschritts einem Vakuum ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Testgas während des ersten und des zweiten Messschritts unterschiedlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einer Testkammer mit einem Einlass (1003) und einem Auslass (1004) durchgeführt wird, wobei während des ersten Messschritts und des zweiten Messschritts wenigstens der Auslass geschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einer Testkammer durchgeführt wird und mehrere Gassensoren in der Testkammer angeordnet sind, so dass das Verfahren gleichzeitig für die mehreren Gassensoren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Testgas ein Gemisch aus N₂, O₂ und wenigstens einem von CO₂, CO, Ethanol, NH₃, N_xO_x, flüchtigen organischen Verbindungen aufweist.