一种MEMS工艺的NOx基气体传感器测试方法

本发明涉及传感器，尤其涉及一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法。

背景技术：

1、金属氧化物半导体薄膜气体传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，已被广泛应用于工业安全、生物医疗、智慧城市等领域。而随着后摩尔时代的到来以及“morethanmoore”思路的提出，面向全方位智能传感的新型智能传感器成为重要的发展方向，作为智能传感器的重要组成部分，气体传感器将向小型化、低功耗、集成化方向进一步发展。

2、传统的气体传感器往往使用基于化学反应的方法来检测气体浓度，但这种方法存在灵敏度低、响应时间长、成本高等问题。mems技术的快速发展为气体传感器的研发提供了新的途径，通过结合微纳加工技术和传感器原理，可以实现高度集成化、小型化和高灵敏度的气体传感器，传统的测试方法大多是在传感器制造过程中与制造完成后，在制造前没有系统的对适应环境进行场景实验，从而导致制造完成后，传感器出现性能不稳定的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法，解决了背景技术中提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法，包括以下测试方法：

3、s1、模拟实验：根据气体传感器的要求和应用场景，利用计算机辅助设计软件对传感器进行模拟实验，制定模拟实验场景，模拟内容主要有：针对mems气体传感器的性能测试、不同环境下的温湿度测试、对传感器的输出进行校准和线性化测试、传感器稳定性测试；

4、s2、芯片制备：采用mems技术制备传感器芯片，包括气体敏感层、微加工结构和传感电极；

5、s3、驱动电路设计：设计和制作传感器驱动电路，包括稳定的工作电压和时钟信号发生器；

6、s4、数据处理模块设计：设计和构建数据处理模块，用于接收和处理传感器输出的电信号，并进行气体浓度计算和显示；

7、s5、测试优化：对制作完成的传感器进行测试和优化，验证其灵敏度、精度和功耗等性能指标。

8、优选的，在s1的步骤中，首先对气体传感器进行设计与模拟，根据传感器的要求和应用场景，确定传感器的尺寸大小、结构样式和材料选取，利用计算机辅助设计软件对传感器进行设计，通过计算机进行模拟实验，制定模拟实验场景，针对mems气体传感器的性能测试、不同环境下的温湿度测试、对传感器的输出进行校准和线性化测试、传感器稳定性测试，验证设计的合理性和可行性，根据模拟实验数据最终选定符合标准的传感器。

9、优选的，在s2的步骤中，模拟准备工作完成后，根据气体传感器的应用领域准备mems气体传感器的制作的材料，硅衬底是mems制作的基础材料，具有良好的机械性能和化学稳定性，mems气体传感器的制作中，首先，在硅衬底上涂覆一层光刻胶，然后通过曝光机将设计好的图案投射到光刻胶上，接着，在显影液中处理，去除未曝光的光刻胶，形成图案的结构；mems气体传感器通过湿法腐蚀控制硅衬底的深度和形状，形成传感器的结构；mems气体传感器制作中在硅衬底上形成金属或者氧化物等薄膜层，用于传感器的电极和敏感区域，mems气体传感器制作完成后，对其进行封装，将传感器芯片封装到外壳中，并与电路连接。

10、优选的，在s3的步骤中，根据气体传感器的工作原理对驱动电路进行设计，首先确定传感器的供电电压和电流，根据传感器的供电要求，确定合适的供电电压和电流，设计稳压电路提供稳定的供电电压；

11、根据传感器的接口类型，设计相应的接口电路，模拟输出的传感器需要设计模拟信号放大电路或滤波电路，数字输出的传感器需要设计ad转换电路或数字接口电路；

12、根据传感器的输出信号类型和要求，设计放大电路或滤波电路对传感器输出信号进行处理，便于后续的读取和处理，选择合适的信号读取器件和处理器件用于读取和处理传感器的输出信号；对电路进行布局和布线，制作电路原理图和pcb布板文件，用于生产和制造电路板，将制造完成的电路板进行电路调试和测试，确保电路的正常工作和性能，将电路板进行封装和组装，对封装和组装完成的电路进行性能测试和验证，对整个气体传感器驱动电路进行最终的产品测试和调试，根据测试和调试结果，对气体传感器驱动电路进行优化和改进，提高其性能和可靠性。

13、优选的，在s4的步骤中，确定传感器的输出信号类型，根据传感器的输出信号类型，设计相应的信号采集电路，选择合适的微控制器或处理器，用于接收和处理传感器的输出信号，编写相应的数据处理算法，用于将传感器的输出信号转换为实际的气体浓度或其他相关参数，并进行数据处理算法的计算和处理，设计用户接口和通信接口，用于与用户交互和数据传输，在数据处理模块中设计数据存储和管理功能，将处理后的数据通过用户接口或通信接口进行显示和输出，然后进行数据处理模块的系统调试和测试，根据测试和应用反馈，对数据处理模块进行优化和改进。

14、优选的，在s5的步骤中，对制作完成的传感器进行测试和优化：

15、传感器的性能测试：针对传感器的灵敏度、选择性、响应时间、稳定性性能指标依次进行测试，可以使用标准气体、气体混合物或实际环境中的气体样品进行测试，比较传感器的输出与真实值的差异；

16、温度和湿度测试：传感器的性能受环境条件的影响，使用恒温箱、湿度控制器设备对其温度和湿度进行测试，评估传感器在不同环境条件下的性能表现；

17、校准和线性化：根据测试结果，对传感器的输出进行校准和线性化处理，以提高测量的准确性和可靠性，可以通过拟合曲线、校准系数等方法进行校准和线性化；

18、稳定性测试：将mems气体传感器进行长时间运行，对传感器在长时间使用中的性能变化进行评估分析，同时对mems气体传感器的运行功耗及老化程度进行分析。

19、优选的，包括微纳加工的传感器芯片、传感器驱动电路和数据处理模块，传感器芯片由气体敏感层、微加工结构和传感电极组成，其中气体敏感层用于与待测气体发生反应，微加工结构用于转换气体浓度变化为电信号，传感电极用于接收和测量电信号，传感器驱动电路用于提供稳定的工作电压和时钟信号，以及对传感器芯片进行控制和驱动，数据处理模块用于接收和处理传感器输出的电信号，并转化为气体浓度数据。

20、优选的，在s2的步骤中，通过化学气相沉积系统中对优化后的mo薄膜在催化剂(nacl)作用下进行硫化获得2d-mos2薄膜；

21、首先，将磁控溅射优化性能优异的si基片上的mo薄膜与盛有硫粉和nacl的石英舟置于沉积系统的石英管内，开启主炉加热、通入载气，待加热温度达到设定值，将主炉推至石英管样品处，进行沉积反应，沉积反应结束，立即将主炉从石英管样品处移开，使样品自然冷却，气相沉积阶段主要通过调控nacl与硫粉的质量比、载气流量、主炉温度、沉积时间来控制2d-mos2薄膜材料的分子层数、薄膜厚度、排列方式、结晶质量，期望获得具有大面积、连续、高活性点位的2d-mos2薄膜材料；

22、基于mems加工工艺，将2d-mos2/in2o3异质结构薄膜置于激光直写机上，进行au电极的加工，加工好的电极通过引线连接在气敏测试系统上，进行nox基气体的响应测试，研究不同气体浓度下的响应/恢复及灵敏性，将气敏测试数据与理论结合并做对比分析，建立不同厚度和界面特性的异质结构与nox基气体分子间吸附模型，研究气体分子在异质结构上的吸附位点，吸附能及吸附后电荷转移方式，结合测试数据探究影响因素和气敏增敏之间的构效关系；

23、利用物理气相沉积与化学气相沉积相结合的方法设计、构建2d-mos2/in2o3异质结，通过对异质结薄膜厚度、界面结构、界面质量、表面形貌、均匀性和结晶性多个维度进行调控优化，获得一种能显著提高气体(nox)灵敏度的异质结构的2d-mos2/in2o3气敏材料；

24、将制备均匀、厚度可控的mo膜作为种子层，在催化剂nacl的辅助下对mo膜进行真空硫化处理，来获得大面积连续的2d-mos2薄膜材料，其次，在2d-mos2薄膜材料表面沉积一层in2o3，来构建2d-mos2/in2o3异质结，最后开展对目标气体(nox)气敏特性的研究，深入解析异质结结构、界面特性和气敏增敏之间的构效关系；

25、以大面积连续的2d-mos2薄膜材料为主体，采用溅射工艺，在其表面生长in2o3，调控溅射气流、气压、时间和功率等，来控制大面积连续2d-mos2/in2o3异质结构的界面形成，实现异质结材料的制备，通过表征2d-mos2/in2o3异质结薄膜的均匀性、厚度、连续性来研究工艺参数对2d-mos2/in2o3异质结界面结构、界面特性的影响。

26、优选的，首先对气体传感器进行性能检测，准备恒温箱，将待测试的气体传感器放置箱体内部，将气体传感器引脚a0与arduino的a0对接，d0对接arduino的a1，gnd对接gndvcc接5伏，使用mixly2.0rc3版本，将程序上传好后，打开串口监视器，默认数字信号为1，模拟信号为100多，为保证准确性，关闭恒温箱，使用喷火枪或者其他气枪通过气孔持续对箱内加入气体，可以发现数字信号变化为0，模拟信号稳定变化为800多，停止对箱体内部加入气体，打开排气扇，数字信号为0，模拟信号持续缩减，由此数据可以看出，气体传感器可以对可燃气体进行检测，且检测数值稳定，响应快速，灵敏度较高，打开恒温箱，在恒温箱内设置湿度控制器，关闭恒温箱后启动湿度控制器改变恒温箱内部温湿度，首先降低恒温箱内部温度，通过气枪持续箱恒温箱内部注入气体，发现数字信号由1变化为0，模拟信号数值持续增加，模拟信号稳定变化为800多，调节湿度控制器对恒温箱内部增温增湿，发现模拟信号数值出现波动，但稳定维持为800多，中断气体输入，打开排气扇，模拟信号缓慢减小，关闭湿度控制器，模拟信号最终停留在100多，数字信号由0变化为1，确定传感器在温湿度变化下可以对烟雾气体进行检测，通过多样化的测试，对传感器的输出数据进行对比分析，重复进行操作，对不同测试方法数值进行分样统计，将相同测试方法的模拟信号的波动数值进行拟合曲线，对传感器在长时间使用中的性能变化进行评估分析，观测气体传感器在重复测试下的稳定性。

27、与相关技术相比较，本发明提供的一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法具有如下有益效果：

28、1、本发明提供一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法，通过微纳加工技术，敏感层采用2d-mos2in2o3异质结薄膜，实现了高度集成化、小型化和高灵敏度的气体传感器，与传统的基于化学反应的气体传感器相比，本发明具有灵敏度高、响应时间短、成本低的优势，适用于多种应用场景。

29、2、本发明提供一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法，通过对气体传感器进行设计与模拟，根据传感器的要求和应用场景，确定传感器的尺寸大小、结构样式和材料选取，利用计算机辅助设计软件对传感器进行设计，通过计算机进行模拟实验，有效避免了传感器制作完成后实体实验的损耗。

30、3、本发明提供一种mems工艺的nox基气体传感器测试方法，通过对制作完成的传感器进行实体测试和优化，针对mems气体传感器的性能测试、不同环境下的温湿度测试、对传感器的输出进行校准和线性化测试、传感器稳定性测试，通过实体测试与虚拟测试结合对比分析，有效提高传感器的性能和可靠性。