一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种温度连续可调型点接触式气敏、湿敏测试腔，涉及气敏、湿敏传感器测试【技术领域】，目的在于提供一种温度连续可调型点接触式气敏、湿敏测试腔，用于通过有毒、腐蚀性气体对敏感元件性能测试。包括测试腔主体和温控�？椋馐郧恢魈灏ㄇ惶�、与腔体适配的腔盖，腔体侧壁连接有引出线、用于输送测试气体的进气管和出气管，引出线与设置于腔体内的动触片连接，测试时动触片的凸点与放入腔体内的待测敏感元件的电极接触。本发明采用点接触式，内部设有动触片组，可同时测量多个待测敏感元件，设置温控�？槭沟貌馐郧荒谖露攘傻鳎稍诙嘀治露然肪诚陆校磺叶テ梢运嬉獾鹘诙テ姆较颍蛊涫屎喜煌缂叽缭牟馐�。
【专利说明】一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔
【技术领域】
[0001]本发明涉及气敏、湿敏传感器测试【技术领域】，具体涉及一种温度连续可调型点接触式气敏、湿敏测试腔。
【背景技术】
[0002]一个人每天呼吸约15立方米空气，每立方米空气约重1.3公斤，相当于一个人每天需要吸入20公斤重的空气，这个数量是一个人每天喝水量的十多倍。近年来，随着生产和生活方式的现代化发展，更多的工作和文娱、体育活动都可在室内进行，人们平均每天有80%甚至更多的时间在室内度过，因此室内空气质量与人的生命健康有着密切的关系。
[0003]根据国家标准，评估室内空气质量的主要参数有二氧化硫(S02)、二氧化氮(N02)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、氨气(NH3)、笨(C6H6)等空气污染物的含量；同时，室内空气的相对湿度(Relative Humidity)也作为评估的重要参数。在室内空气质量检测中，气体传感器与湿度传感器作为快速有效的分析手段，具有可实时测量、体积小、响应快、价格低及耗能少等特点；同时运用以气体和湿度传感器为核心器件的遥感监控系统，可对室内环境的空气质量进行实时、远程监测。鉴于此，亟待研究和发展高灵敏度、高选择、高稳定、快响应的气体和湿度传感器。
[0004]在气体和湿度传感器的研发过程中，快速、准确、简单、方便、安全有效地对研制的原型元件进行敏感性能测试至关重要。一般情况下，气敏、湿敏原型元件的性能测试不是在真实的大气环境下进行的，而是在性能测试腔中完成的，因此，设计并制备性能优良的测试腔可在很大程度上推动元件研制的顺利进行。从目前的报道来看，大多数气敏或湿敏测试腔存在功能单一的问题，如:不能同时对多个元件进行测试，不能提供多种温度测试环境，只能针对固定电极尺寸的元件进行测试，在测试前需要对原型元件进行复杂的引线封装等。如申请号为201120561722.6的实用新型专利公开了一种气敏特性动态测试系统测试室，包括上盖、主腔体、下盖、支架，测试室主体，所述支架上设有下盖，所述上盖与下盖之间设有测试室主体,所述测试室主体的上顶面和下底面分别设有密封槽,所述测试室主体的两侧壁分别设有进气口和出气口，所述进气口和出气口分别与主腔体相通。但该测试腔不能提供多种测试温度环境，且不具备电学连接装置，待测敏感元件需要先引线再测试。申请号为201210566058.3的发明专利公开了一种半导体微纳单晶气敏传感器测试系统，将制备好的SnO2单晶纳米带场效应晶体管固定在芯片底座上，单晶纳米带场效应晶体管的各个电极与芯片底座上的电极相连；在IC电路板上焊接测试芯片转换座和排针，使测试芯片转换座的各个针孔和排针一一对应并且导通；IC电路板固定在固定支架上；外接信号输出端口和排针相连，外接信号输出端口和固定支架固定在盲板上，将以上完成连接的组件密封固定在测试腔体中；将测试腔体分别与进气系统气体流量监控及组分调控单元尾气回收系统以及通过外接信号输出端口与半导体电学测试系统相连接。该系统只针对Sn02单晶纳米带场效应管的测试，该气敏元件在测试之前需要将电极连接在芯片底座上，然后将芯片底座安装在具有芯片转换座的IC电路板上，最后将IC电路板固定在测试腔内并完成IC电路板与测试腔内引线的连接后才能测试，操作较为复杂。鉴于此，本申请在传统测试腔的基础上进行了改进，提出了一种温度连续可调型点接触式气敏/湿敏测试腔。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术的不足，本发明的目的为提供一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，该测试腔可在较大温度范围内同时对多个成品或未封装气敏湿敏原型元件进行性能测试，适用于多种电极尺寸，并且可用于多种有毒、腐蚀性气体的测试。本发明可解决现有气敏湿敏测试腔存在的不能同时对多个待测敏感元件进行测试、不能提供多种温度环境、只针对固定电极尺寸元件应用、元件测试前需要复杂的引线封装等问题。
[0006]本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案:
[0007]一种温度连续可调型点接触式气敏、湿敏测试腔，其特征在于:包括测试腔主体和温控�？椋馐郧恢魈灏ㄇ惶�、与腔体适配的腔盖，腔体侧壁连接有引出线、用于输送测试气体的进气管和出气管，引出线与设置于腔体内的动触片连接，测试时动触片的凸点与放入腔体内的待测敏感元件的电极接触。
[0008]进一步地，所述温控模块包括核心控制单元、温度检测单元、加热单元、保护电路、键盘输入电路和液晶显示驱动电路，核心控制单元的输入/输出双向端口分别与温度控制单元、键盘输入电路、液晶显示驱动电路、加热单元和保护电路电连接，温度检测单元检测腔体内的实时温度，键盘输入电路设置设定温度，将设定温度和实时温度传输至核心控制单元,核心控制单元输出控制信号至加热单元由加热单元对腔体加热,通过液晶显示驱动电路显示设定温度和实时温度；核心控制单元将设定温度写入保护电路内，断电后再次通电时核心控制单元读取保护电路内的设定温度。
[0009]进一步地，温度检测单元与加热单元形成负反馈闭环控制。
[0010]进一步地，加热单元包括加热元件和温度控制电路，核心控制单元与温度控制电路电连接，温度控制电路与加热元件电连接，加热元件安装于腔体内，核心控制单元输出的控制信号通过温度控制电路输送至加热元件并使加热元件工作。
[0011]进一步地，温度检测单元包括温度传感器、信号处理电路，温度传感器安装于腔体内，温度传感器与信号处理电路电连接，信号处理电路与核心控制单元电连接，温度传感器检测腔体内的温度，并将温度信息通过信号处理电路输送至核心控制单元。
[0012]进一步地，腔体(I)内的温度为15°C?300°C。
[0013]进一步地，测试气体为水蒸气(H2O)、氨气(NH3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、甲烷(CH4)'甲基膦酸二甲酯(DMMP)或氧气(O2)。
[0014]进一步地，腔盖上与腔体接触的表面设有密封垫片，腔体与腔盖连接时通过密封垫片密封。
[0015]进一步地，腔体和腔盖的材料相同，且均为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，密封垫片为硅胶垫片、聚四氟包衬橡胶垫片、芳纶垫片或碳纤维垫片。
[0016]进一步地，腔体和腔盖的材料相同，且均为不锈钢或铜，密封垫片为硅胶垫片、聚四氟包衬橡胶垫片、芳纶垫片、碳纤维垫片、铜垫片、不锈钢垫片或石墨垫片。
[0017]进一步地，腔体内部沿腔体长度方向设置8?12个动触片。
[0018]进一步地，动触片的长度为4mm?12mm，动触片的固定孔的中心与凸点的中心之间的距离为2mm?1mm,凸点的直径为0.5mm?3mm,相邻两动触片之间的距离为3mm?15mm,每个动触片可以动触片的固定孔的圆心为圆心旋转0°?180°。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0020]一、测试腔采用点接触式，内部设有动触片组，可以同时测量多个待测敏感元件，且不需要对原型元件进行封装。动触片不但可以压紧元件电极，保证电学接触的稳定性，而且可以随意调节动触片的方向，使其适合不同电极尺寸元件的测试。
[0021]二、该测试腔具有温控�？椋沟貌馐郧荒谖露攘傻鳎共馐钥稍诙嘀治露然肪诚陆�。
[0022]三、测试腔主体采用耐腐蚀、耐高温的材料制作，且密封性良好，可应用于多种有毒、腐蚀性气体的测试，同时满足高温下测试的需求。
[0023]四、测试腔内部容积小，在配气过程中有利于腔体内气体分子的快速扩散，提高了测试精确度。
[0024]五、采用温度控制控制算法控制测试腔内温度，能使温度达到设定值后，在较精确的范围内保持恒定。
[0025]六、该测试腔具有液晶显示元件，可同时显示设定温度值和实时温度值，使测试人员直观有效地了解测试腔内部温度情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为温度连续可调型点接触式气敏/湿敏测试腔的立体示意图；
[0027]图2为温度连续可调型点接触式气敏/湿敏测试腔的俯视示意图；
[0028]图3为动触片结构示意图；
[0029]图4为动触片与待测敏感元件的连接示意图；
[0030]图5为温度控制�？榈纳杓瓶蛲迹�
[0031]其中，附图标记为:1一腔体、2—腔盖、3—进气管、4一出气管、5—密封垫片、6—螺丝孔、7—键盘、8—液晶显不屏、9 一电源插孔、10 一待测敏感兀件、11 一动触片、12—引出线、111一固定孔、112—凸点。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图，对本发明做进一步说明:
[0033]实施例一
[0034]一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，用于气敏元件或湿敏元件的性能测试。
[0035]该测试腔包括测试腔主体、温控�？�。测试腔主体包括腔体和腔盖，腔体和腔盖共同形成密封的测试腔主体，腔体和腔盖均由高分子聚合物材料中的聚四氟乙烯材料制成，腔体内部空腔的长度为40mm?120mm、宽度为1mm?30mm、深度为3mm?1mm,本实施例中腔体内部空腔的深度为3mm，宽度在10mm，长度为40mm，测试时腔体内沿腔体长度方向设置4?6个气敏元件或湿敏元件。腔体和腔盖上对应开设有螺纹孔，腔体和腔盖通过螺丝拧紧。腔盖上与腔体接触的接触面设有密封垫片，通过密封垫片可使腔体和腔盖在螺丝拧紧时确保腔体的密封性，从而保证了测试的准确性和安全性；当腔体和腔盖的材料为高分子聚合物材料时，密封垫片为耐腐蚀柔性垫片，本实施例中密封垫片的材料为聚四氟包衬橡胶垫片。腔体侧壁设有引出线、进气管和出气管，所述进气管和出气管均为硅胶管，所述进气管和出气管均用于输送测试气体。测试气体为水蒸气(H2O)、氨气(Mg、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、甲烷(CH4)、甲基膦酸二甲酯(DMMP)或氧气(O2)。腔体内部空腔内设有动触片，所述动触片为小型动触片，其结构示意图如图3所示，动触片总长度为4mm，动触片的可旋转部分的长度为2mm，该可旋转部分是指动触片上固定孔的中心与凸点的中心之间的距离；凸点直径为0.5mm ;相邻两动触片之间的距离为3mm，且动触片可以固定孔为圆心在0°~180°的范围内旋转，从而满足多种电极尺寸的元件测试需求，该动触片一端通过动触片的固定孔安装于腔体底部。该待测敏感元件有两个电极，两个电极之间的距离为2_，电极连接点宽度大于0.5_，测试时，待测敏感元件放置于腔体底部(当然，待测敏感元件也可放置于腔体的侧壁，但需在腔体侧壁上相应设置待测敏感元件的固定件，和固定在侧壁上的动触片组)，动触片的凸点与待测敏感元件的电极接触。本实施例中所述待测敏感元件为气敏元件，测试时腔体内沿腔体长度方向放置5个气敏元件、10个铜金属动触片，每一个铜金属动触片对应气敏元件中的一个电极，5个气敏元件的10个电极与10个铜金属动触片--
对应接触。
[0036]腔体侧面嵌有温控�？椋鑫驴啬？榘ê诵目刂频ピ⑽露燃觳獾ピ�、加热单元、保护电路、键盘输入电路、液晶显示驱动电路和供电电路。核心控制单元由单片机系统组成，其具体的温度控制算法采用现有的PID算法(PID控制即比例积分微分控制，其在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分⑴和微分⑶进行控制，是应用最常见、最悠久的一种基本控制算法；PID调节器是一种线性调节器，PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，常规连续PID控制器的表达形式为:
u(t) = Kpe(t) +τ)?τ + Kd —^―其中，Kp、K1、Kd是pid控制器可调的
，
三个参数)，并对单片机的内存进行扩充，以适用与PID算法的存储和运算。温度检测单元包括温度传感器、信号处理电路和A/D转换器，该温度传感器为热电偶温度传感器，将温度信号转变成电压信号，其测量范围为15°C -300°C;信号处理电路对电压信号进行放大、补偿和线性化处理;A/D转换器将电压信号转变成单片机可识别的数字信号。加热单元包括采用体积小、耐腐蚀、最高加热温度可达250°C及以上的加热元件和与加热元件相应的温度控制电路，该加热元件为CH-J103012型高温陶瓷加热片。保护电路对设定温度值进行掉电保护，其中保存的数据可被控制单元读取和重新写入，且保护电路具有锁存设定信息的功能，防止掉电后信息丢失。键盘输入电路通过对键盘的操作可以手动将设定加热温度写入控制单元，根据需求的不同可选用独立式键盘或矩阵式键盘，本实施例中键盘输入电路设计、采用矩阵键盘，具有四个按键，分别为电源开关、温度增加、温度减小和设定完成。液晶显示驱动电路，具有2寸液晶屏，可接收并显示单片机系统传送的设定温度和实时温度，核心控制单元可向液晶显示元件写入设定温度和实时温度。其中液晶显示驱动电路的液晶显示屏和键盘输入电路的键盘均设置于腔体前侧，电源接口设置于腔体右侧，引出线设置于腔体后侧。
[0037]温度检测单元的温度传感器与信号处理电路电连接，温度传感器检测腔体内的温度，将温度信号转变成电压信号并输送至信号处理电路，信号处理电路对电压信号进行放大、补偿和线性化；信号处理电路与A/D转换器电连接，经放大、补偿或线性化处理后的电压信号输送至A/D转换器，A/D转换器将电压信号转变成单片机可识别的数字信号；A/D转换器与核心控制单元电连接，经A/D转换器转换后的数字信号输送至核心控制单元，核心控制单元相应的做出响应；核心控制单元的输入/输出双向端口分别与加热单元的温度控制电路、保护电路、键盘输入电路和液晶显示驱动电路电连接，温度控制电路与加热元件电连接，温度检测单元与加热单元形成负反馈闭环控制，温度检测单元检测腔体内的实时温度，键盘输入电路设置设定温度，将设定温度和实时温度传输至核心控制单元，核心控制单元输出控制信号至加热单元由加热单元对腔体加热，通过液晶显示驱动电路显示设定温度和实时温度；核心控制单元将设定温度写入保护电路内，断电后再次通电时核心控制单元读取保护电路内的设定温度，核心控制单元做出的响应输送至温度控制电路，温度控制电路调整加热元件的工作状态，从而可使腔体内的温度在15°C~300°C内可调，由于腔体放置于环境中后，腔体内的初始温度与环境温度相同，均为室温，其初始温度为15°C~30。。。
[0038]该气敏湿敏测试腔既可适用于动态气敏测试，又可适用于静态气敏测试。
[0039]测试时，打开腔盖，将待测敏感元件放置于腔体底部，其中待测敏感元件沿腔体长度方向设置5个，10个动触片的凸点压在待测敏感元件上并与待测敏感元件上的电极一一对应接触，关闭腔盖使测试腔密封，通过进气管向腔体内通入测试气体，测敏感元件产生相应的较为稳定的电阻、电容或电流变化等电信号，待测敏感元件产生的电信号通过引出线输送至外部仪器，通过外部仪器可直观测试出待测敏感元件的各项性能。
[0040]实施例二
[0041]在实施例一的基础上，核心控制单元由单片机系统组成，其具体的温度控制算法改用现有的Dahlin算法(Dahlin算法整个控制器的设计是基于离散化的方法，是在Z域里面设计一个合适的数字控制器。这一算法的最大特点是将系统的期望闭环响应设计为理想的一阶惯性环节加纯滞后环节，再通过期望的闭环响应传递函数和控制系统的数学模型反过来求得闭环响应的调节器。Dahlin算法的控制系统结构如下所示:
【权利要求】
1.一种温度连续可调型点接触式气敏、湿敏测试腔，其特征在于:包括测试腔主体和温控模块，测试腔主体包括腔体(I )、与腔体(1)适配的腔盖(2)，腔体(1)侧壁连接有引出线(12)、用于输送测试气体的进气管(3)和出气管(4)，引出线(12)与设置于腔体(1)内的动触片(11)连接，测试时动触片(11)的凸点(112)与放入腔体(1)内的待测敏感元件(10)的电极接触。
2.如权利要求1所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:所述温控�？榘ê诵目刂频ピ�、温度检测单元、加热单元、保护电路、键盘输入电路和液晶显示驱动电路，核心控制单元的输入/输出双向端口分别与温度控制单元、键盘输入电路、液晶显示驱动电路、加热单元和保护电路电连接，温度检测单元检测腔体(1)内的实时温度，键盘输入电路设置设定温度，将设定温度和实时温度传输至核心控制单元，核心控制单元输出控制信号至加热单元由加热单元对腔体(1)加热，通过液晶显示驱动电路显示设定温度和实时温度；核心控制单元将设定温度写入保护电路内，断电后再次通电时核心控制单元读取保护电路内的设定温度。
3.如权利要求2所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:温度检测单元与加热单元形成负反馈闭环控制。
4.如权利要求2所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:加热单元包括加热元件和温度控制电路，核心控制单元与温度控制电路电连接，温度控制电路与加热元件电连接，加热元件安装于腔体(1)内，核心控制单元输出的控制信号通过温度控制电路输送至加热元件并使加热元件工作。
5.如权利要求2所述的一种温度连续可调型点接触式气敏、湿敏测试腔，其特征在于:温度检测单元包括温度传感器、信号处理电路，温度传感器安装于腔体(1)内，温度传感器与信号处理电路电连接， 信号处理电路与核心控制单元电连接，温度传感器检测腔体(1)内的温度，并将温度信息通过信号处理电路输送至核心控制单元。
6.如权利要求5所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:腔体(1)内的温度为15°C ~300°C。
7.如权利要求1所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:测试气体为水蒸气(H20)、氨气(NH3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2),一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、甲烷(CH4)、甲基膦酸二甲酯(DMMP)或氧气(02)。
8.如权利要求1所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:腔盖(2 )上与腔体(1)接触的表面设有密封垫片(5 )，腔体(1)与腔盖(2 )连接时通过密封垫片(5)密封。
9.如权利要求8所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:腔体(1)和腔盖(2)的材料相同，且均为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，密封垫片(5)为硅胶垫片、聚四氟包衬橡胶垫片、芳纶垫片或碳纤维垫片。
10.如权利要求8所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:腔体(1)和腔盖(2)的材料相同，且均为不锈钢或铜，密封垫片(5)为硅胶垫片、聚四氟包衬橡胶垫片、芳纶垫片、碳纤维垫片、铜垫片、不锈钢垫片或石墨垫片。
11.如权利要求1所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:腔体(1)内部沿腔体(1)长度方向设置8~12个动触片。
12.如权利要求11所述的一种温度连续可调型点接触式气敏湿敏测试腔，其特征在于:动触片(11)的长度为4mnTl2mm，动触片(11)的固定孔(111)的中心与凸点(112)的中心之间 的距离为2mnTl0mm，凸点(112)的直径为0.5mnT3mm，相邻两动触片(11)之间的距离为3mnTl5mm,每个动触片(11)可以动触片(11)的固定孔(111)的圆心为圆心旋转O。~180。。
【文档编号】G01N33/00GK104076122SQ201410224721
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】太惠玲, 刘春华, 蒋亚东, 徐晓颖, 谢光忠, 杜晓松 申请人:电子科技大学
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