JKZC-GSTS08型氣體傳感器陣測試系統(tǒng)
關(guān)鍵詞:氣敏，傳感器，動(dòng)態(tài)，靜態(tài),MEMS
（一）系統(tǒng)簡介
JKZC-GSTS08氣體傳感器陣測試系統(tǒng)主要完成氣體敏感材料及氣敏傳感器器件的性能檢測和評價(jià)，適用氣體范圍包括常溫是氣態(tài)的氣體和部分揮發(fā)性液體，如乙醇、苯等，濕敏作為氣敏的一個(gè)分支，此系統(tǒng)可完成水的含量和相對濕度(%RH)的敏感性評價(jià)。
JKZC-GSTS08氣體傳感器陣測試系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制下的動(dòng)態(tài)配氣方式實(shí)現(xiàn)對傳感器各類相關(guān)性能指標(biāo)的測試，消除了傳統(tǒng)靜態(tài)配氣帶來的方法誤差，借助內(nèi)置的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)方法，能快速地完成氣敏材料和元器件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的檢測， 協(xié)助進(jìn)行氣敏材料的特性研究、工藝開發(fā)和器件生產(chǎn)中生產(chǎn)檢驗(yàn)和質(zhì)量控制。整套測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、測試機(jī)箱、配氣機(jī)箱、檢測氣室（檢測模塊）等組成，檢測對象覆蓋目前常用氣敏傳感器和氣敏材料，如金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感、熱催化式傳感、光催化式傳感、 電化學(xué)傳感、MEMS氣敏、氧化鋯氧傳感、生物傳感、有機(jī)材料傳感、光電式傳感等，通過配用不同的檢測氣室(模塊)，可以快速進(jìn)行切換和測量。是生產(chǎn)單位和科研院校的重要設(shè)備。
（二）主要特點(diǎn)
1、軟硬件操作簡便，穩(wěn)定可靠，測試系統(tǒng)擴(kuò)展性好；
2、軟件可完成全部相關(guān)的測控工作，有操作向?qū)Ш投鄠€(gè)默認(rèn)測試方法，應(yīng)用上手快；
3、對復(fù)雜或重復(fù)性過程，可自定義測試流程，降低工作量；
4、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等多窗口可同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出；
5、支持金屬氧化物半導(dǎo)體、催化燃燒、電化學(xué)等多種類型氣敏測量，且通過更換氣室即可實(shí)現(xiàn)；
6、支持動(dòng)態(tài)混氣和靜態(tài)混氣方式
（三）主要技術(shù)參數(shù)
JKZC-QT08可以配用不同的檢測氣室/模塊，下表為三種主要類型氣敏傳感器的指標(biāo)，具體指標(biāo)根據(jù)應(yīng)用要求的不同可能會(huì)有變化。
金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器 | 催化燃燒式傳感器 | 電化學(xué)傳感器 | |
工作點(diǎn)設(shè)置（V） | 加熱電壓：0～6 | 加熱電壓：0～5 | 偏置電壓：0～1.5 |
測試通道數(shù) | 10 | 10 | 8 |
信號(hào)分辨率 | 0.1% | 0.2mv | 0.1uA |
氣體流量 | 1 SLM(1L/min) | ||
支持靜態(tài)方法 | 支持 | 支持 | 支持 |
支持動(dòng)態(tài)方法 | 支持 | 支持 | 支持 |
支持材料直測 | 支持 | 僅元件 | 僅元件 |
氣室溫度范圍 | 室溫～100℃ | ||
氣室相對濕度范圍 | 0%～95% |
優(yōu)勢（1）：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)氣體混氣測量
動(dòng)態(tài)和靜態(tài)方式是以進(jìn)行測試時(shí)氣體是不流動(dòng)還是處于穩(wěn)定流動(dòng)態(tài)來區(qū)別的。
采用流量調(diào)節(jié)閥控制組分的流量，實(shí)現(xiàn)測試氣源的稀釋 在背景氣容器中，注入定容的氣體或液氣
動(dòng)態(tài)混氣 | 靜態(tài)混氣 | |
氣源 | 標(biāo)準(zhǔn)氣體鋼瓶居多 | 氣袋、標(biāo)氣鋼瓶或?qū)嶒?yàn)室液體試劑 |
準(zhǔn)確度 | 由氣源和流量閥精度保證，精度級(jí)別高 | 受制備過程和環(huán)境影響，誤差較大 |
重復(fù)性 | 由氣源和流量閥精度保證，重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好 | 差 |
環(huán)境干擾 | 封閉氣路，無干擾 | 與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境有氣體交換，氣體殘留和濕度等會(huì)有干擾 |
混合均勻性 | 較好 | 分子量差異較大的氣體（如氫氣），易出現(xiàn)分層 |
有毒有害氣體 | 封閉氣路，尾氣可吸收或排走，不會(huì)對人體有影響 | 換氣時(shí)室內(nèi)排放，長期接觸對健康不利 |
實(shí)現(xiàn)代價(jià) | 需配置電子流量調(diào)節(jié)閥、標(biāo)氣鋼瓶等，代價(jià)高 | 要求不高時(shí)用簡單裝置就能實(shí)現(xiàn)，代價(jià)低 |
（三）測試方法
測試方法是基于儀器操控、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理之上，為便于快速完成特點(diǎn)參數(shù)和性能的測量而內(nèi)置的自動(dòng)化流程。軟件設(shè)置了多項(xiàng)測試方法， 通過新測試向?qū)Э梢苑奖愕剡M(jìn)行切換和參數(shù)配置，下圖為靈敏度測試中常用的兩種方法。
方法一（靈敏度脈沖法）
方法二（靈敏度臺(tái)階法）
應(yīng)用要求 | 專用方法數(shù)量 |
氣敏材料科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)室評價(jià) | 6 |
半導(dǎo)化溫度掃描，伏安特性掃描(V-I曲線)、靈敏度脈沖氣源、臺(tái)階氣源實(shí)驗(yàn)等 | |
國標(biāo)《GB/T 15653-1995 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件測試方法》 | 9 |
電源波動(dòng)影響率，啟動(dòng)過沖值，靈敏度和零點(diǎn)漂移、抗高濃氣體沖擊實(shí)驗(yàn)、多點(diǎn)平均靈敏度等 | |
行標(biāo)《JB/T 12934-2016 甲醛氣體傳感器》 | 2 |
零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移 | |
行準(zhǔn)《JB/T 13109-2017 催化燃燒式氣體傳感器》 | 6 |
輸出值短時(shí)波動(dòng)、靈敏度漂移、零點(diǎn)漂移、抗高濃度可燃?xì)怏w沖擊 | |
國標(biāo)《JB/T 11621-2013 電化學(xué)氣體傳感器》 | 2 |
零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移 | |
國標(biāo)《GB15322-2019可燃?xì)怏w探測器》系列標(biāo)準(zhǔn) | 2 |
零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移 | |
國標(biāo)《GB/T 32209-2015 多組分有害氣體檢測報(bào)警器》 | 4 |
報(bào)警濃度、響應(yīng)時(shí)間、抗氣體干擾性能、氣體選擇性檢驗(yàn) |
（四）器件檢測氣室
測試系統(tǒng)支持多種類型和封裝尺寸氣敏傳感器，氣敏材料采用不同工藝手段形成器件，通過器件檢測氣室進(jìn)行氣敏性能檢測。
常用氣室如下：
金屬氧化物(MnO) |
| 以SnO2為代表的金屬氧化物材料，通過吸附、催化、表面界面和缺陷等機(jī)理，進(jìn)行材料氣敏性能的評價(jià) |
電化學(xué)氣敏 |
| 可以完成兩電極、三電極、四電極電化學(xué)測試， |
催化燃燒式氣敏 |
| 使用以鉑、鈀為主的貴金屬催化劑進(jìn)行催化燃燒，檢測可燃性氣體的濃度 |
氧化鋯氧傳感器 |
| 汽車空燃比及電廠高爐等環(huán)境測氧，支持AFR |
1-1、材料檢測氣室
材料氣室的開發(fā)，為獨(dú)立檢測和評價(jià)金屬氧化物材料、有機(jī)材料、光催化材料等多種敏感材料的性能提供了可靠的測試環(huán)境。 經(jīng)過應(yīng)用總結(jié)，在一代氣室的基礎(chǔ)上改進(jìn)升級(jí)出了二代氣室，屬于專利產(chǎn)品。
二代材料氣室與一代相比，做了多項(xiàng)改進(jìn)：
1、氣室死體積減小了65%，進(jìn)一步縮短氣室氣體置換所需時(shí)間；
2、提高了樣品臺(tái)溫度的均勻性和準(zhǔn)確性，溫度偏差<0.2，提高了對梯度升溫控制的支持
3、裝夾樣品操作更便利，帶防燙手；
4、采用金合金探針，強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕；
5、氣室頂端設(shè)置有觀察窗，便于觀察樣品變化；
6、氣室氣體流路經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，氣流均勻穩(wěn)定。
傳感器氣敏材料制樣
氣敏傳感器的制樣是氣敏性能測試的關(guān)鍵，不同類型傳感器制樣方法不同，下面以最常用的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料為例介紹制樣方法。
金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器分為旁熱式（陶瓷管式）和直熱式（平面基本式）兩大類，其制作方法如下：
將適量的敏感材料置于研缽中研磨，可加入無水乙醇、去離子水、乙基纖維素和松油醇粘合劑等溶劑，使材料均勻地粉化為糊狀
通過潔凈軟毛刷使糊狀粉體均勻地涂覆于帶有電極的陶瓷管或陶瓷片表面，待測粉體要覆蓋住電極，且不能過厚，以免影響電阻值和脫落
將涂好的樣品置于烘箱中干燥，使溶劑揮發(fā)
將樣品放入加熱爐，在設(shè)定溫度下（二氧化錫一般為600℃-650℃ 1小時(shí)）燒結(jié)
若使用陶瓷管樣品，需要利用電烙鐵將元件焊接到相應(yīng)的底座上，并在陶瓷管中插入一根加熱絲（通常為Ni-Gr）
為使器件能夠擁有更加良好的穩(wěn)定度，一般可將器件進(jìn)行不低于24小時(shí)的老化處理（保持電阻絲兩端電壓穩(wěn)定，防止器件脫焊）
知識(shí)拓展
原位生長（合成）法也是金屬基復(fù)合材料常用的的制備方法，指在不摻雜其他復(fù)雜元素和一定條件下，利用不同元素或化學(xué)物質(zhì)之間的反應(yīng)在體系內(nèi)直接合成新型 復(fù)合材料的方法，其原理是通過控制反應(yīng)條件以控制材料的晶體的生長方向，從而控制三維結(jié)構(gòu)的形成。原位合成法大致分為氣-液、固-液及液-液反應(yīng)三大類。
MEMS氣敏主要應(yīng)用方向是半導(dǎo)體氣敏傳感，實(shí)現(xiàn)了氣敏傳感技術(shù)和IC技術(shù)的融合，將氣敏元件、加熱器和測溫元件集成到一塊芯片上，進(jìn)行溫度的控制，主 要分為硅基MEMS和硅MEMS氣敏兩大類。
常用氣源制取方法
有多種方法可以獲取氣敏測試的氣源，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的場景，常用方法如下表：
氣源制備方法 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
體積法 | 簡單，利用氣袋、氣箱、針筒等就能實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣 | 不能連續(xù)工作 |
壓力法 | 利用壓力表進(jìn)行混氣控制，操作簡單 | 壓力控制要求較高 |
質(zhì)量流量法 | 精度高、能耗低、使用方便 | 設(shè)備成本高 |
飽和蒸汽法 | 濃度重復(fù)性好 | 溫度、氣壓影響大，平衡慢 |
滲透(管)法 | 穩(wěn)定，可長期工作 | 受溫度影響大 |
容積泵法 | 用泵實(shí)現(xiàn)體積控制，使用簡單 | 對泵要求較高 |
氣體濃度范圍
氣體濃度的表示有體積濃度、質(zhì)量濃度、摩爾濃度等，最常用的是體積濃度。
體積濃度單位 | 量級(jí) | 氣源制備說明 |
% | 1/100 | 日常氣體范圍，容易制備檢測，可采用標(biāo)氣鋼瓶或靜態(tài)混氣法自行配置 |
ppm | 10-6 | 一些有毒有害氣體的檢測范圍，靜態(tài)混氣法已較難保證準(zhǔn)確度，一般采取標(biāo)氣稀釋實(shí)現(xiàn) |
ppb | 10-9 | 特殊行業(yè)和特殊研究涉及，標(biāo)氣稀釋中對氣源、配套材料、管路和環(huán)境有較高要求 |
ppt | 10-12 | 氣源制備和檢測都非常具有挑戰(zhàn)，投入代價(jià)較大 |
