基于真空技術(shù)的高精度氣體傳感器測試系統(tǒng)

沈　偉，高　柯，孫語遙，王　軍，趙　蒙

(蘇州科技學(xué)院 a.數(shù)理學(xué)院；b.天平學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

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基于真空技術(shù)的高精度氣體傳感器測試系統(tǒng)

沈偉a，高柯b，孫語遙a，王軍a，趙蒙a

(蘇州科技學(xué)院 a.數(shù)理學(xué)院；b.天平學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

摘要：以真空部件為主體并結(jié)合自動化控制技術(shù)搭建了氣體傳感器測試系統(tǒng). 該系統(tǒng)采用靜態(tài)測量模式，提高了樣氣配制、響應(yīng)與恢復(fù)時間測量以及測試氣壓控制的精度. 系統(tǒng)功能全面，可同步測量樣品的光學(xué)和電學(xué)參量對目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)、工作溫度、濕度、氣壓、光照等變量的響應(yīng)，并可開展批量樣品的長期穩(wěn)定性測試.

關(guān)鍵詞：氣體傳感器；真空技術(shù)；靜態(tài)測量模式

氣體傳感器在安全環(huán)保、健康醫(yī)療以及智能家居等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，是國家重點發(fā)展的高新技術(shù)之一. 目前研究的重點為氣敏材料[1]及傳感器結(jié)構(gòu)[2]，對傳感器測試技術(shù)則較少關(guān)注[3-6]. 而當(dāng)前普遍采用的動態(tài)配氣技術(shù)依靠調(diào)節(jié)不同氣路的流量比來配制樣氣，難以配制痕量氣體；而且測試腔內(nèi)氣氛更換耗時較長，無法準(zhǔn)確測定響應(yīng)與恢復(fù)時間. 為解決上述難題，基于真空和自動化控制技術(shù)研發(fā)了一套高精度、多功能氣體傳感器自動化測試系統(tǒng). 本文介紹了該系統(tǒng)的工作原理及軟硬件配置，探討了動態(tài)及靜態(tài)測量模式的利弊，并結(jié)合測試實例展示了部分系統(tǒng)功能.

1測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖. 系統(tǒng)主管路為6.35 mm不銹鋼管， 其上的箭頭表示氣體流動方向，內(nèi)含數(shù)字的圓為真空兩通電磁閥，P和H分別代表氣壓和濕度傳感器，所有測試腔體均為真空標(biāo)準(zhǔn)件. 在典型測試過程中，目標(biāo)氣體和載流氣體經(jīng)質(zhì)量流量計(MFC)和閥門后到達(dá)氣體混合腔，被配制成特定體積分?jǐn)?shù)的樣氣后進(jìn)入測試腔體，樣品的電學(xué)和光學(xué)響應(yīng)被同步測量并記錄. LabVIEW程序通過溫度、濕度、氣壓傳感器實時監(jiān)控各腔體狀態(tài)，并且控制MFC、閥門及加熱器以實現(xiàn)自動化測試. 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計且主要軟/硬件均符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)，可以依據(jù)測試需求靈活改動.

圖1　氣體傳感器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2系統(tǒng)硬件

對于空氣、氬氣等載流氣體以及氫氣、二氧化氮等常規(guī)目標(biāo)氣體，系統(tǒng)采用瓶裝氣源. 對于甲醛、甲苯等揮發(fā)性有機(jī)氣體(VOCs)，以有機(jī)氣體發(fā)生器為氣源(Owlstone，V-OVG). 氣體發(fā)生器通過加熱裝載有固態(tài)或液態(tài)有機(jī)原料(如多聚甲醛或苯)的密閉滲透管產(chǎn)生VOCs氣體，通過控制加熱溫度和載流氣體流量實現(xiàn)對VOCs氣體體積分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié). 采用有機(jī)氣體發(fā)生器提高了系統(tǒng)的VOCs氣體配制精度和自動化程度. 載流氣路和目標(biāo)氣路各配置了2個不同量程的MFC(Bronkhorst，F(xiàn)-201CB)，載流氣路為2 000 cm3/min和200 cm3/min，目標(biāo)氣路為200 cm3/min和20 cm3/min. 這一組合在保障配氣精度的前提下擴(kuò)大了體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍.

氣體混合腔體是內(nèi)徑200 mm、高100 mm的圓柱形不銹鋼腔體，兩端配有ISO200真空法蘭. 為保障氣壓測試精度，系統(tǒng)配置了2種不同量程的絕對壓力傳感器. P1為電容型(Setra，730G-010T，量程0～1 333 Pa)，P2～P5為MEMS型(Setra，5350-S，量程0～1.6×105Pa). 采用絕對壓力傳感器可保證氣壓測量不受氣體種類影響. H1～H4是相對濕度傳感器(Honeywell，HIH-4000)，用于監(jiān)控各腔體內(nèi)的相對濕度.

(a)KF40不銹鋼六通靜態(tài)測試腔

(b)樣品架

(c)不銹鋼批量測試腔

(d)KF40不銹鋼三通動態(tài)測試腔圖2　測試腔體組件的三維結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)配置了3個測試腔體以滿足不同測試需求. 靜態(tài)測試腔[圖2(a)]是KF40不銹鋼六通，主要用于靜態(tài)測量模式. 其頂部為樣品架安裝位置，底部和左部為進(jìn)/出氣口. 右側(cè)為真空電極法蘭，內(nèi)接氣壓和溫/濕度傳感器以監(jiān)控腔內(nèi)環(huán)境變化. 前后均裝配熔融石英法蘭，可測量樣品透過率. 圖2(b)是樣品架的三維示意圖，其頂部為改裝的KF40盲板法蘭，配有橡膠圈密封的BNC接頭及真空電極. 樣品架為不銹鋼材質(zhì)，耐高溫，耐腐蝕. 樣品臺內(nèi)嵌2個子彈型加熱器(Omega，CSH-102150)，最高加熱溫度為500 ℃. 樣品旁配有溫差電偶，用于實時監(jiān)控樣品溫度. 測試探針通過BNC接頭連接至Keithley 6517B高阻表以測量樣品電學(xué)參量.

批量測試腔[圖2(c)]是內(nèi)徑為250 mm、高為150 mm的不銹鋼腔體，兩端為ISO250真空法蘭，側(cè)壁焊接8個KF40真空電極法蘭，用于測量信號輸出. 進(jìn)氣口內(nèi)側(cè)配有風(fēng)扇，以提高腔內(nèi)氣氛均勻度. 待測傳感器安裝在中心的PCB測試板上，右側(cè)配有溫度、濕度和氣壓傳感器. 動態(tài)測試腔[圖2(d)]為KF40不銹鋼三通，頂部為熔融石英法蘭，用于觀察樣品并提供光輻照. 左右兩側(cè)法蘭分別為進(jìn)出氣口，右側(cè)法蘭還配有真空電極以輸出樣品及環(huán)境傳感器的電學(xué)信號. 受腔體內(nèi)部空間限制，其內(nèi)配置直徑25 mm的薄片型陶瓷加熱器.

1.3自動化控制

系統(tǒng)所有測試操作均由LabVIEW軟件控制完成. 在軟件中輸入目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值后，系統(tǒng)自動將其轉(zhuǎn)換成MFC的設(shè)定值(動態(tài)測量模式)或氣體混合腔內(nèi)氣壓設(shè)定值(靜態(tài)測量模式). 各腔體內(nèi)的氣壓、溫度、濕度傳感器的探測信號經(jīng)模擬/數(shù)字信號(A/D)轉(zhuǎn)換模塊(NI，USB 6343)輸入電腦. LabVIEW軟件實時對比氣壓傳感器的實際值與設(shè)定值，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊控制MFC及閥門以完成測試操作. MFC由A/D模塊的模擬輸出信號控制，而閥門則通過數(shù)字輸出功能控制場效應(yīng)管作為開關(guān)來控制. NI USB 6343 A/D轉(zhuǎn)換模塊具有32路模擬輸入、4路模擬輸出及48路數(shù)字輸入/出，可以監(jiān)控16個傳感器，控制4個MFC及48個閥門. 樣品的電學(xué)和光學(xué)參量分別由Keithley 6517B高阻表和光電二極管及配套鎖相放大器或光譜儀實時測量并被LabVIEW程序記錄.

2高精度靜態(tài)測量模式

系統(tǒng)具有動態(tài)與靜態(tài)2種測量模式. 在動態(tài)測量模式下，目標(biāo)氣體和載流氣體經(jīng)MFC和閥門后直接到達(dá)動態(tài)測試腔. 目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)由載流和目標(biāo)氣路的流量比決定. 該模式操作簡單，流速可調(diào)且與靜態(tài)模式相比更接近實際使用環(huán)境，是普遍采用的測量模式. 但是，該模式的目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍有限，不利于痕量氣體的配制，且測試腔內(nèi)氣氛更替耗時較長，降低了響應(yīng)和恢復(fù)時間的精確測量. 為解決上述問題，利用該系統(tǒng)與真空兼容的優(yōu)點發(fā)展了獨特的靜態(tài)測量模式，其基本操作步驟如下:

1)開啟閥門17，真空泵對氣體混合腔抽氣，當(dāng)腔體氣壓小于10 Pa時關(guān)閉閥門17.

2)開啟目標(biāo)氣路MFC、閥門5或7及閥門12向氣體混合腔內(nèi)充入目標(biāo)氣體. 絕對壓力傳感器P1和P2實時監(jiān)測腔內(nèi)氣壓，當(dāng)目標(biāo)氣體分壓達(dá)到設(shè)定值時，關(guān)閉MFC及所有閥門.

3)開啟載流氣路MFC、閥門1或3及閥門8和12向氣體混合腔內(nèi)充入載流氣體. 混合氣體的相對濕度由H1監(jiān)測并由閥門8～10的相對開啟時間及含水腔體的加熱溫度控制. 當(dāng)載流氣體分壓達(dá)到設(shè)定值時，關(guān)閉MFC及所有閥門，樣氣配制完畢.

4)開啟閥門18，真空泵對靜態(tài)測試腔抽氣，當(dāng)腔體氣壓小于10 Pa時關(guān)閉閥門.

5)閥門13和14同時開啟，樣氣以自由膨脹的形式由混合腔向靜態(tài)測試腔擴(kuò)散，當(dāng)氣壓達(dá)到平衡時關(guān)閉閥門.

6)樣品與氣體反應(yīng)，其電學(xué)或光學(xué)參量被實時測量并記錄. 與此同時，重復(fù)1)～3)步，開始下一周期的樣氣配制.

與動態(tài)模式相比，靜態(tài)模式在以下3方面具有更高精度：

1)樣氣配制. 在動態(tài)模式下，當(dāng)載流氣路MFC為最大流量2 000 cm3/min，目標(biāo)氣路MFC為最小流量20×2%=0.4 cm3/min時，可將目標(biāo)氣體稀釋2 000/0.4=5 000倍. 而在靜態(tài)模式下，系統(tǒng)先將少量目標(biāo)氣體以最小流速0.4 cm3/min通入混合腔. 若可穩(wěn)定重復(fù)的最短閥門開啟時間為10 s，則最小目標(biāo)氣體通量為0.067 cm3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)). 而氣體混合腔和靜態(tài)測試腔的總?cè)莘e為3 400 cm3，當(dāng)通入載流氣體且混合腔和靜態(tài)測試腔壓強(qiáng)均為105Pa時，目標(biāo)氣體可被稀釋3 400/0.067=51 000倍. 因此，靜態(tài)測量模式的目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)控制精度提高了10倍以上.

2) 響應(yīng)與恢復(fù)時間測量. 當(dāng)測試腔內(nèi)氣氛置換時間短于傳感器和氣體的反應(yīng)時間時方能準(zhǔn)確測定響應(yīng)和恢復(fù)時間. 圖3對比了動態(tài)和靜態(tài)測量模式下，超聲膨脹納米團(tuán)簇束流沉積技術(shù)(SCBD)制備的WO3薄膜在Pd催化下(Pd/WO3)對氫氣體積分?jǐn)?shù)為2%的氫氣/空氣混合氣體的電阻響應(yīng)曲線. 動態(tài)模式下測試腔內(nèi)氣氛更替依賴緩慢的氣體置換. 因此薄膜電阻響應(yīng)達(dá)到飽和所需時間較長，不利于響應(yīng)和恢復(fù)時間的準(zhǔn)確測量. 而在靜態(tài)模式下，測試腔更換氣氛時總是先被抽成真空，隨后氣體由混合腔以自由膨脹的形式向測試腔內(nèi)擴(kuò)散并迅速達(dá)到平衡. 因此薄膜電阻響應(yīng)在該模式下達(dá)到飽和所需時間更短，響應(yīng)與恢復(fù)時間測量結(jié)果更準(zhǔn)確.

圖3　Pd/WO3薄膜在動態(tài)與靜態(tài)測量模式下氫氣體積分?jǐn)?shù)為2%的氫氣/空氣混合氣體的電阻響應(yīng)曲線

3) 測試氣壓控制. 在動態(tài)模式下，測試腔體與外界連通，即使在腔體末端加配氣壓控制閥門也難以精確調(diào)控腔內(nèi)氣壓. 而靜態(tài)模式下測試腔體與外部隔絕，在傳感器反饋控制下測試腔內(nèi)氣壓可在10～1.2×105Pa的范圍內(nèi)精確控制，能模擬不同海拔或反應(yīng)器等特種環(huán)境. 但是，密閉的測試腔體也給靜態(tài)模式帶來弊端，如二氧化碳、氯氣等高密度氣體傾向于沉降在測試腔體底部，進(jìn)而影響測量精度. 研究結(jié)果表明：對于高密度氣體，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)低于0.01%且測量時間小于1 h時可使用靜態(tài)模式. 這一測試條件可以滿足二氧化氮、二氧化硫、砷烷等劇毒高密度氣體的常規(guī)測試要求. 高于此體積分?jǐn)?shù)則建議使用動態(tài)測量模式.

3測試結(jié)果與討論

3.1氣敏材料的光-電敏感性能同步測試

得益于獨特的靜態(tài)測試腔設(shè)計，系統(tǒng)可同步測量氣敏材料的光學(xué)和電學(xué)響應(yīng)，有助于研究特定材料的氣敏機(jī)理及開發(fā)新型氣體傳感器. 例如，現(xiàn)有文獻(xiàn)對WO3氫敏機(jī)理是表面吸附反應(yīng)[7]還是體反應(yīng)[8]存在分歧. 本文同時測量了磁控濺射Pd/WO3薄膜對氫氣體積分?jǐn)?shù)為4%的氫氣/氬氣混合氣體的電阻和透過率響應(yīng). 如圖4所示，通入氫氣1 s內(nèi)Pd/WO3薄膜的電阻從～1011Ω降低到～108Ω，隨后電阻變化趨緩，60 s后電阻再次發(fā)生突降. 與此同時，薄膜透過率在最初的60 s內(nèi)由88%緩慢降低至86%，隨后與電阻同步發(fā)生突降. 上述結(jié)果表明：Pd/WO3薄膜與氫氣的反應(yīng)至少存在2個過程. 我們認(rèn)為這分別對應(yīng)于表面吸附反應(yīng)和體反應(yīng)[9]，具體反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究. 此外，靈敏度測試結(jié)果表明Pd/WO3薄膜的電阻響應(yīng)信號在氫體積分?jǐn)?shù)為0.15%時就趨于飽和，但響應(yīng)時間較短(<1 s)，而其透過率響應(yīng)對體積分?jǐn)?shù)高達(dá)4%的氫氣都不會飽和，但響應(yīng)速率較慢. 基于電學(xué)和光學(xué)響應(yīng)的互補(bǔ)特性可研發(fā)新型光電耦合傳感器，以獲得更好的氫氣檢測效果.

圖4　Pd/WO3薄膜的電阻和透過率(λ=633 nm)對氫氣體積分?jǐn)?shù)為4%的氫氣/氬氣混合氣體的響應(yīng)曲線

3.2測試系統(tǒng)的環(huán)境控制能力

除溫度、濕度等常規(guī)環(huán)境參量外，測試系統(tǒng)還能精確控制環(huán)境氣壓. 這一優(yōu)勢可用于模擬不同海拔高度或反應(yīng)器等特殊應(yīng)用環(huán)境，有重要實際意義. 圖5是SCBD方法制備的Pd/WO3薄膜對壓強(qiáng)為30～101 kPa 氫氣體積分?jǐn)?shù)為2%的氫氣/空氣混合氣體的電阻響應(yīng)曲線，圖中括號內(nèi)數(shù)值為相應(yīng)海拔高度(km). 如圖5所示，該薄膜對環(huán)境氣壓不敏感，可在30～101 kPa的氣壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作.

測試腔體還配置了熔融石英法蘭以引入不同光源用于光輔助氣敏響應(yīng)研究[10]. 圖6是SCBD方法制備的ZnO薄膜在365 nm紫外光輻照下對甲醛的電流響應(yīng)曲線. 沒有紫外光輻照時，該薄膜對甲醛幾乎沒有響應(yīng)(結(jié)果未顯示). 在紫外光輻照下，該薄膜對甲醛體積分?jǐn)?shù)為0.004%和0.008%的甲醛/空氣混合氣體的響應(yīng)電流分別增大了9.25倍和13.6倍，表現(xiàn)出了較好的甲醛探測能力.

圖5　Pd/WO3薄膜對壓強(qiáng)30～101 kPa 氫氣體積分?jǐn)?shù)為2%的氫氣/空氣混合氣體的電阻響應(yīng)曲線

圖6　Pd/ZnO薄膜在365 nm紫外光輻照下甲醛體積分?jǐn)?shù)為0.004%和0.008%的甲醛/空氣混合氣體的電流響應(yīng)曲線

3.3傳感器穩(wěn)定性測試

金屬氧化物氣體傳感器的穩(wěn)定性問題是科研成果轉(zhuǎn)化必須攻克的難題. 但是由于穩(wěn)定性研究費時費力，現(xiàn)有研究較少涉及[10]. 文獻(xiàn)報道的穩(wěn)定性研究通常將傳感器置于工作狀態(tài)并且以一定的時間間隔對其進(jìn)行測試. 本系統(tǒng)的批量測試腔體就是為了開展此類測試而設(shè)計的. 此外，課題組還 開展了Pd/WO3薄膜的加速穩(wěn)定性測試，所用氣體為氫氣/空氣混合氣體. 在圖7(a)的測試中氫體積分?jǐn)?shù)固定在2%，以觀察樣品在高頻響應(yīng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性. 在圖7(b)的測試中，氫氣體積分?jǐn)?shù)在0.02%，0.2%和2%之間循環(huán)，以表征傳感器對不同體積分?jǐn)?shù)氫氣的響應(yīng)重復(fù)性.

(a)氫氣體積分?jǐn)?shù)固定在2%

(b)　氫氣體積分?jǐn)?shù)在0.02%，0.2%和2%之間循環(huán)圖7　Pd/WO3薄膜氫敏性能的加速穩(wěn)定性測試

4結(jié)論

基于真空和自動化控制技術(shù)設(shè)計并組建了氣體傳感器測試系統(tǒng)，利用系統(tǒng)與真空兼容的特點發(fā)展了高精度靜態(tài)測量模式. 該模式的樣氣配制精度比動態(tài)測量模式提高了10倍，且響應(yīng)與恢復(fù)時間測量及環(huán)境氣壓控制都更精確. 獨特的測試腔體設(shè)計使得系統(tǒng)可同步測量氣敏材料的光電響應(yīng)隨氣體體積分?jǐn)?shù)、工作溫度、環(huán)境濕度、壓力、光照等參量的變化. 自動化的測試過程也有利于開展氣體傳感器的長期穩(wěn)定性測試. 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計且由標(biāo)準(zhǔn)真空部件搭建而成，可以滿足多樣化的測試需求，為發(fā)展通用的測試系統(tǒng)提供了參考.

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[責(zé)任編輯：任德香]

High precision gas sensor testing system based on vacuum technology

SHEN Weia, GAO Keb, SUN Yu-yaoa, WANG Juna, ZHAO Menga

(a. School of Mathematics and Physics; b. Tianping College, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China)

Abstract:A gas sensor testing system was established based on vacuum and automation technologies. The static test mode of this system had higher accuracy in composition and pressure control of the sampling gas and in determination of response and recovery times than the widely adopted dynamic test mode. This versatile system was capable of measuring the optical and electrical responses of a gas sensing material concomitantly as functions of target gas concentration, operation temperature, relative humidity, environmental pressure, and photon irradiation, etc. Furthermore, long-term stability test of batch samples was also available due to the automatic design of this system.

Key words:gas sensor; vacuum technology; static test mode

中圖分類號：TP212.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)05-0007-06

作者簡介：沈偉(1996-)，男，安徽馬鞍山人，蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院2013級本科生.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No.51502186)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(No.2015059);蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院教育教學(xué)改革研究重點項目(No.2015TJGA-04)

收稿日期：2016-01-28；修改日期：2016-03-04

指導(dǎo)教師：趙蒙(1983-)，男，山東濟(jì)寧人，蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院講師，博士，主要研究方向為氣體傳感器.