可控湿度的半导体气敏元件的测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于元件测试领域，尤其涉及一种可控湿度的半导体气敏元件的测试方 法。
【背景技术】
[0002] 当半导体气体传感器技术的发展如火如荼之时，半导体气敏元件测试技术的发展 并未跟上气体传感器技术发展的速度。人类对客观世界的认识和改造活动，往往以测试工 作为基础。工程测试技术就是利用现代测试手段对工程中的各种信号，特别是随时间变化 的动态物理信号进行检测、试验、分析，并从中提取有用信息的一门新兴技术。其测量和分 析的结果客观地描述了研究对象的状态、变化和特征，并为进一步改造和控制研究对象提 供了可靠的依据。同样，传感器技术的研究进展也离不开其测试手段的提高。目前，限制 半导体气体传感器的研究进展和规模化生产的一个重要因素是检测手段落后，测试环境复 杂、测试效率、精度低，同时由于缺少完善的测试设备，得不到气体传感器各种特性的完整 参数和曲线，也限制了半导体气体传感器的进一步研究和应用，因此，无论对于生产和科学 研究，都急需一套完善的半导体气体传感器性能参数测试系统。
[0003] 由于半导体气体传感器在现实中的重要意义和气体传感器测试的重要性，国内外 的科研人员都对半导体气体传感器的测试系统做了大量的深入研究工作，他们采用不同的 方式组建了功能各异的半导体气体传感器测试系统，对传感器性能测试及其标定技术的发 展发挥了重要的作用。纵观这些测试系统，基本上都是由计算机、仪器硬件、传感器测试腔 等几个部分组成，目前，国外的L.Harvey，G.s.v，coles，HildegardD.Jander，Wolfgang Gottler等学者先后研究设计出了一套自动测试系统，它能够在纯净空气中、单一气体中、 混合气体中对气体传感器进行测试，同时考虑到了环境温度、湿度对其性能参数的影响，但 许多操作都需要手工的进行，使测试者无法远离有毒的测试环境，需进一步提高其自动化 程度，同时能够测试的参数种类也较少，对被测试半导体气体传感器的形状也有限制；国内 的管玉国、彭忠名、林永兵等学者也先后研制出了一套自动测试系统，集测试腔、检测系统 为一体，为新产品开发提供了可靠的数据，但是自动化程度还不够高，采集的参数单一、使 用硬件过多、可靠性不高，各种纯气体难以在高动态、低浓度范围内混合而且难以满足所需 要的浓度和精度要求。同时也存在实现气敏元件的检验和分档的困难。很多生产厂家以手 工测试为主，测试效率低、精度低，远远满足不了生产发展的需要，更为重要的是手工测试 无法实现动态测量，从而不能准确的测得气敏元件的某些参数，如响应时间曲线、恢复时间 曲线等。不能得到气敏元件各种特性的完整参数的不足，限制了气敏元件的进一步研究和 应用。为满足企业生产和研究的需要，气体传感器的研制需要一整套完善的测试系统。
[0004] 在半导体气体传感器的研制过程中需要研究传感器在不同环境和工作条件下的 气体响应特性，衡量传感器的优劣，总结摸索出最佳的工作状态，而这离不开良好的测试设 备。
[0005]目前研究半导体气体传感器的气体响应特性有静态和流气两种测试方式，将传感 器安装在气室中，在气室里注入己知浓度的某种气体，通过采集传感器的响应信号，可以获 得该传感器对这种气体的气敏响应特性。通常情况下进行静态测试的系统采用密闭的大容 量气室，通过注入样品气体并在容器中均匀混合成一定体积的测试气体，这种测试方法的 设备较为简单，但气室中器件上样品气体的脱附时间较长，不适合进行大量的气体测试。而 采用流气的方式是在较小容量气室中通入流量恒定的气流，在一个时间段内通过一定浓度 的样品气体，并采集这时间段的传感器响应数据。这种方式中由于气室较小，清洗残留气体 时间较短，传感器器件可以很快恢复到初始状态，可以快速进行重复性实验，尤其是在进行 传感器阵列的气敏特性研究时是很有利的。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，并对测试过程中湿度进行精确控制，本发明提供了一种 可控湿度的半导体气敏元件的测试方法。
[0007] 本发明采用的技术方案是：一种可控湿度的半导体气敏元件的测试方法，具有：
[0008] 半导体气体传感器测试系统组建与测试的步骤，及对半导体气体传感器测试系统 及半导体气敏元件性能分析的步骤；其中，
[0009] 所述气体传感器测试系统组建与测试的步骤中具有对气室的湿度进行控制的步 骤，该步骤中使用了一种湿度控制系统，包括主控制器、湿度检测传感器、除湿机、超声波加 湿器和蜂鸣器，其中，湿度检测传感器、除湿机和超声波加湿器安装于气室内，主控制器分 别与湿度检测传感器、除湿机、超声波加湿器、蜂鸣器连接。
[0010] 进一步的，所述半导体气体传感器测试系统组建与测试的步骤中，半导体气体传 感器测试系统用于对不同气体在给定浓度下进行动态配气及使多支传感器阵列在气体通 入时对气敏元件表面电导率的变化进行实时监测；
[0011] 所述半导体气体传感器测试系统包括：自动进行样品气体浓度配比的进样装置、 气体传感器加热与测温装置、用于与进样装置协调动作，并在不同的气样环境下自动采集 4~6路气体传感器测量信号的信号测量与数据采集电路、对采集的测量信号进行数据处 理的数据处理电路；和对进气过程和室温变化所引起的温度变化进行补偿的温度补偿电 路；
[0012] 气体传感器阵列安装在气室中，气体传感器所测得的气体浓度变化是气室中气体 的变化，气室为内腔形状圆滑且近似方形的干燥的有机玻璃腔；
[0013] 所述气体传感器加热与测温装置对气敏元件进行加热，并实时测量气体传感器的 工作温度；当传感器的工作温度因环境温度或气流影响发生变化时，温度补偿电路实时进 行温度补偿控制，使传感器的工作温度保持不变；所述信号测量与数据采集电路用于对信 号调节和AD采样，信号调节为用于将气体传感器对测试气样的响应转变为电信号，AD采样 将模拟信号通过数据处理电路将模拟信号转变为数字信号，并将采集到的4~6路传感器 信号经过归一化处理，转变为BP神经网络所需要的标准信号；
[0014] 标准气样输出被分成二路或多路，各自由一个质量流量控制器控制，并接入测试 装置，载气和待测气体分别在质量流量控制器的控制下进入干燥罐充分混合，配成目标测 试气样并进入测试装置中的测试腔中，气体传感器测试系统在计算机的控制下对所设定的 目标浓度气体进行配气，将一种或多种标准浓度的目标气样和标准的载气按照比例进行配 比，并在质量流量控制器控制下通入混合通道内进行充分混合，当混合后的测试气样通入 测试腔时，对气室内气体传感器阵列的4~6路响应信号进行采集，并将获得的气体传感器 阵列对样品气体的响应信息传送到计算机上进行数据处理和数据分析，使测试气体进气、 响应信号采集和数据处理顺序进行；当温度监测系统发现半导体气敏元件工作温度发生变 化时，温度补偿电路实时进行元件工作温度补偿，调节电阻丝的加热电压，使元件的工作温 度保持不变；
[0015] 湿度检测传感器实时检测气室内湿度信号，且将该信号传输至主控制器，主控制 器基于气室内恒定的湿度设定值，或一个设定的湿度范围，该湿度信号与控制器的设定值 相比较，控制器输出分程控制信号；当气室内的湿度低于10%RH，而加湿器已开到最大，系 统不能继续加湿时，或气室内的湿度高于60 %RH，而除湿机开至最大时，主控制器将控制 蜂鸣器鸣响，并调用主控制器中断，停止对除湿机和超声波加湿器的信号输出，且湿度超过 60%RH时，系统自动断电并停止测试。
[0016] 进一步的，所述气体传感器测试系统的软件部分包括气路控制模块、电压采样模 块、温度补偿模块、数据处理模块和显示功能模块，其中：
[0017] 气路控制模块对控制参数设置，所述参数包括通气前时间、通气时间、停气后时 间、数据采样时间间隔、混合气体种类、各种气体浓度和载气控制电压，气路控制模块对参 数设置以控制多路气样输出量实现配气，配气过程中，气体流量和元件的工作温度在整个 测试过程中保持不变；
[0018] 电压采样模块对电压采样开始、采样中断与采样结束进行相应控制；
[0019] 数据处理模块进行数据采集、数据保存、图像保存、图像打印、历史数据提取处理。
[0020] 进一步的，数据采集模块完成在采样时间间隔内的数据跟踪采集，对提供的实验 数据在对本次实验结束后自动保存为两种格式的六个文件，分别为4~6路传感器的电压、 电阻、响应灵敏度数字量及动态变化曲线，同时对保存的图像即