可控濕度的半導體氣敏元件的測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于元件測試領域，尤其涉及一種可控濕度的半導體氣敏元件的測試方 法。
【背景技術】
[0002] 當半導體氣體傳感器技術的發展如火如荼之時，半導體氣敏元件測試技術的發展 并未跟上氣體傳感器技術發展的速度。人類對客觀世界的認識和改造活動，往往以測試工 作為基礎。工程測試技術就是利用現代測試手段對工程中的各種信號，特別是隨時間變化 的動態物理信號進行檢測、試驗、分析，并從中提取有用信息的一門新興技術。其測量和分 析的結果客觀地描述了研究對象的狀態、變化和特征，并為進一步改造和控制研究對象提 供了可靠的依據。同樣，傳感器技術的研究進展也離不開其測試手段的提高。目前，限制 半導體氣體傳感器的研究進展和規模化生產的一個重要因素是檢測手段落后，測試環境復 雜、測試效率、精度低，同時由于缺少完善的測試設備，得不到氣體傳感器各種特性的完整 參數和曲線，也限制了半導體氣體傳感器的進一步研究和應用，因此，無論對于生產和科學 研究，都急需一套完善的半導體氣體傳感器性能參數測試系統。
[0003] 由于半導體氣體傳感器在現實中的重要意義和氣體傳感器測試的重要性，國內外 的科研人員都對半導體氣體傳感器的測試系統做了大量的深入研究工作，他們采用不同的 方式組建了功能各異的半導體氣體傳感器測試系統，對傳感器性能測試及其標定技術的發 展發揮了重要的作用。縱觀這些測試系統，基本上都是由計算機、儀器硬件、傳感器測試腔 等幾個部分組成，目前，國外的L.Harvey，G.s.v，coles，HildegardD.Jander，Wolfgang Gottler等學者先后研究設計出了一套自動測試系統，它能夠在純凈空氣中、單一氣體中、 混合氣體中對氣體傳感器進行測試，同時考慮到了環境溫度、濕度對其性能參數的影響，但 許多操作都需要手工的進行，使測試者無法遠離有毒的測試環境，需進一步提高其自動化 程度，同時能夠測試的參數種類也較少，對被測試半導體氣體傳感器的形狀也有限制；國內 的管玉國、彭忠名、林永兵等學者也先后研制出了一套自動測試系統，集測試腔、檢測系統 為一體，為新產品開發提供了可靠的數據，但是自動化程度還不夠高，采集的參數單一、使 用硬件過多、可靠性不高，各種純氣體難以在高動態、低濃度范圍內混合而且難以滿足所需 要的濃度和精度要求。同時也存在實現氣敏元件的檢驗和分檔的困難。很多生產廠家以手 工測試為主，測試效率低、精度低，遠遠滿足不了生產發展的需要，更為重要的是手工測試 無法實現動態測量，從而不能準確的測得氣敏元件的某些參數，如響應時間曲線、恢復時間 曲線等。不能得到氣敏元件各種特性的完整參數的不足，限制了氣敏元件的進一步研究和 應用。為滿足企業生產和研究的需要，氣體傳感器的研制需要一整套完善的測試系統。
[0004] 在半導體氣體傳感器的研制過程中需要研究傳感器在不同環境和工作條件下的 氣體響應特性，衡量傳感器的優劣，總結摸索出最佳的工作狀態，而這離不開良好的測試設 備。
[0005]目前研究半導體氣體傳感器的氣體響應特性有靜態和流氣兩種測試方式，將傳感 器安裝在氣室中，在氣室里注入己知濃度的某種氣體，通過采集傳感器的響應信號，可以獲 得該傳感器對這種氣體的氣敏響應特性。通常情況下進行靜態測試的系統采用密閉的大容 量氣室，通過注入樣品氣體并在容器中均勻混合成一定體積的測試氣體，這種測試方法的 設備較為簡單，但氣室中器件上樣品氣體的脫附時間較長，不適合進行大量的氣體測試。而 采用流氣的方式是在較小容量氣室中通入流量恒定的氣流，在一個時間段內通過一定濃度 的樣品氣體，并采集這時間段的傳感器響應數據。這種方式中由于氣室較小，清洗殘留氣體 時間較短，傳感器器件可以很快恢復到初始狀態，可以快速進行重復性實驗，尤其是在進行 傳感器陣列的氣敏特性研究時是很有利的。
【發明內容】
[0006] 為了解決上述技術問題，并對測試過程中濕度進行精確控制，本發明提供了一種 可控濕度的半導體氣敏元件的測試方法。
[0007] 本發明采用的技術方案是：一種可控濕度的半導體氣敏元件的測試方法，具有：
[0008] 半導體氣體傳感器測試系統組建與測試的步驟，及對半導體氣體傳感器測試系統 及半導體氣敏元件性能分析的步驟；其中，
[0009] 所述氣體傳感器測試系統組建與測試的步驟中具有對氣室的濕度進行控制的步 驟，該步驟中使用了一種濕度控制系統，包括主控制器、濕度檢測傳感器、除濕機、超聲波加 濕器和蜂鳴器，其中，濕度檢測傳感器、除濕機和超聲波加濕器安裝于氣室內，主控制器分 別與濕度檢測傳感器、除濕機、超聲波加濕器、蜂鳴器連接。
[0010] 進一步的，所述半導體氣體傳感器測試系統組建與測試的步驟中，半導體氣體傳 感器測試系統用于對不同氣體在給定濃度下進行動態配氣及使多支傳感器陣列在氣體通 入時對氣敏元件表面電導率的變化進行實時監測；
[0011] 所述半導體氣體傳感器測試系統包括：自動進行樣品氣體濃度配比的進樣裝置、 氣體傳感器加熱與測溫裝置、用于與進樣裝置協調動作，并在不同的氣樣環境下自動采集 4~6路氣體傳感器測量信號的信號測量與數據采集電路、對采集的測量信號進行數據處 理的數據處理電路；和對進氣過程和室溫變化所引起的溫度變化進行補償的溫度補償電 路；
[0012] 氣體傳感器陣列安裝在氣室中，氣體傳感器所測得的氣體濃度變化是氣室中氣體 的變化，氣室為內腔形狀圓滑且近似方形的干燥的有機玻璃腔；
[0013] 所述氣體傳感器加熱與測溫裝置對氣敏元件進行加熱，并實時測量氣體傳感器的 工作溫度；當傳感器的工作溫度因環境溫度或氣流影響發生變化時，溫度補償電路實時進 行溫度補償控制，使傳感器的工作溫度保持不變；所述信號測量與數據采集電路用于對信 號調節和AD采樣，信號調節為用于將氣體傳感器對測試氣樣的響應轉變為電信號，AD采樣 將模擬信號通過數據處理電路將模擬信號轉變為數字信號，并將采集到的4~6路傳感器 信號經過歸一化處理，轉變為BP神經網絡所需要的標準信號；
[0014] 標準氣樣輸出被分成二路或多路，各自由一個質量流量控制器控制，并接入測試 裝置，載氣和待測氣體分別在質量流量控制器的控制下進入干燥罐充分混合，配成目標測 試氣樣并進入測試裝置中的測試腔中，氣體傳感器測試系統在計算機的控制下對所設定的 目標濃度氣體進行配氣，將一種或多種標準濃度的目標氣樣和標準的載氣按照比例進行配 比，并在質量流量控制器控制下通入混合通道內進行充分混合，當混合后的測試氣樣通入 測試腔時，對氣室內氣體傳感器陣列的4~6路響應信號進行采集，并將獲得的氣體傳感器 陣列對樣品氣體的響應信息傳送到計算機上進行數據處理和數據分析，使測試氣體進氣、 響應信號采集和數據處理順序進行；當溫度監測系統發現半導體氣敏元件工作溫度發生變 化時，溫度補償電路實時進行元件工作溫度補償，調節電阻絲的加熱電壓，使元件的工作溫 度保持不變；
[0015] 濕度檢測傳感器實時檢測氣室內濕度信號，且將該信號傳輸至主控制器，主控制 器基于氣室內恒定的濕度設定值，或一個設定的濕度范圍，該濕度信號與控制器的設定值 相比較，控制器輸出分程控制信號；當氣室內的濕度低于10%RH，而加濕器已開到最大，系 統不能繼續加濕時，或氣室內的濕度高于60 %RH，而除濕機開至最大時，主控制器將控制 蜂鳴器鳴響，并調用主控制器中斷，停止對除濕機和超聲波加濕器的信號輸出，且濕度超過 60%RH時，系統自動斷電并停止測試。
[0016] 進一步的，所述氣體傳感器測試系統的軟件部分包括氣路控制模塊、電壓采樣模 塊、溫度補償模塊、數據處理模塊和顯示功能模塊，其中：
[0017] 氣路控制模塊對控制參數設置，所述參數包括通氣前時間、通氣時間、停氣后時 間、數據采樣時間間隔、混合氣體種類、各種氣體濃度和載氣控制電壓，氣路控制模塊對參 數設置以控制多路氣樣輸出量實現配氣，配氣過程中，氣體流量和元件的工作溫度在整個 測試過程中保持不變；
[0018] 電壓采樣模塊對電壓采樣開始、采樣中斷與采樣結束進行相應控制；
[0019] 數據處理模塊進行數據采集、數據保存、圖像保存、圖像打印、歷史數據提取處理。
[0020] 進一步的，數據采集模塊完成在采樣時間間隔內的數據跟蹤采集，對提供的實驗 數據在對本次實驗結束后自動保存為兩種格式的六個文件，分別為4~6路傳感器的電壓、 電阻、響應靈敏度數字量及動態變化曲線，同時對保存的圖像即