毕业论文-气体传感器测试系统气路研究.doc

摘 要传感技术、计算机技术和通信技术被称为信息技术的三大支柱。世界上大约有40个国家在进行传感器的研究、生产和应用开发，其中用来测量气体的类别、浓度、成分等信息的传感器称为气体传感器。测试是开发中不可缺少的一环，测试技术直接影响着产品开发。伴随着气体传感器不断地开发，众多研究人员也开发了各式各样的气体传感器测试系统，但很少有专门进行测试系统气路的研究。本论文根据实际的需要，设计了一个半导体气体传感器测试系统完整的气路系统。本气路系统包括四个部分：第一部分是配气系统，第二部分为测试腔系统，第三部分为抽真空系统，第四部分为尾气处理系统。其中配气系统采用二级式配气法设计，既可以实现静态配气，又可以实现动态配气，特别是能实现低浓度标准气配置。测试腔系统使用天喻CAD画图软件进行设计，具有了体积小，能同时两组测试，良好的气密性等特点。抽真空系统采用了真空泵抽真空的方法排出测试环境中其他气体和杂质对气体传感器测试的影响。尾气处理系统实现了对硫化氢等有毒气体进行了尾气处理的设计，降低了测试人员在进行测试实验时受到被测气体伤害的几率。本气路系统的设计，为气体传感器测试系统的开发提供了硬件平台，其他设计者在进行系统开发时可以在本气路系统的基础上适当修改，加上各自测试电路完成整个测试系统的开发，降低了系统开发的难度。关键词：气体传感器 测试系统 动态配气 真空泵 质量流量控制器 Abstract Sensing technology, computer technology and communication technology is known as the three pillars of information technology. There are about 40 countries are conducting research, production and application development of sensors. The sensor which is used to measure the gas information, such as category, concentration, composition and so on, called a gas sensor. Testing is an indispensable part in the development and testing technology directly affects the product development. With the continuous development of gas sensors, many researchers have developed a variety of gas sensor testing system, but few have devoted to gas way of the testing system. According to the actual need, this paper designed a complete gas way system of a semiconductor gas sensor testing system. This gas way system consists of four parts, the first part is a distribution system. The second part is a testing chamber system. The third part is a vacuum system. The fourth part is a gas treatment system. The design of gas distribution system uses two stage gas distribution method, realize the static distribution, which both can achieve the static gas distribution and the dynamic gas distribution, especially to achieve the gas configuration of low concentration standard. Tianyu CAD drawing software is used to the testing chamber design, which the characteristics such as small volume, test two groups at the same time, good air tightness and so on. The vacuum system discharges the effect of the impurities and other gases in the test through uses a vacuum pump. The design of the exhaust gas treatment system realizes the toxic gases treatment such as hydrogen sulfide gas, reducing the tester the risk of damage during the test. the design of gas way system provides a hardware platform for the gas sensor testing system development. When other people develop the system, they can design the system based on it, along with their test circuit to complete the entire testing system development, so can reduce its difficulty.Key Words：gas sensor the testing system dynamic gas distribution vacuum pump MFCI目 录摘 要IAbstractII1引言11.1传感技术11.1气体传感器概述11.3气体传感器测试技术研究现状21.4本文研究的目的和意义31.5本文主要研究内容32系统框架与画图软件52.1测试系统气路框架52.2画图软件简介63配气系统83.1静态配气法与动态配气法概述83.2气体混合腔设计93.3 质量流量控制器选用103.4 配气系统工作原理144测试腔164.1测试腔构成164.2 测试腔设计164.3 测试台设计204.4 加热及温度控制设计225抽真空及尾气处理245.1真空泵选择245.2 尾气处理装置设计256气路系统运行分析267总结28致 谢29参 考 文 献301引言1.1传感技术传感技术、计算机技术和通信技术被称为信息技术的三大支柱1。传感技术是现代科技的前沿技术，许多国家都将其列为现代关键技术之一，被广泛应用于军事、航空、航天、气象、交通、医疗、安保等领域2。从仿生学角度，计算机可以看成处理信息的大脑，通信系统可以看成传递信息的神经系统，传感器则可以看成感觉器官。传感器的定义：传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置, 是实现传感功能的基本部件, 而传感器技术的共性, 就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性, 将非电量(如位移、速度、加速度、力等)转换成电量(电压、电流、电容、电阻等)3。简单来说传感器的原理是将非电量转换为电量，作为一种检测装置，它能代替人去感受被测量的信息，并按一定的规律转变为相应的电信号，是实现自动检测和控制的首要环节4。目前，世界上大约有40个国家在进行传感器的研究、生产和应用开发，研发机构多达6000余家。其中，美、日、俄等国实力最强，研发生产单位多达4000余家，产品多达20000多种。他们建立了涵盖物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业。对其中一些应用范围广的产品，已经实现规模化生产，其中大企业一年能生产几千万支到几亿支5。生产传感器比较著名的厂商有美国福克斯波罗(Foxboro)公司、霍尼韦尔(Honeywel1)公司、ENDEVCO公司，荷兰飞利浦，英国Bell Howell公司、Solartron公司，俄罗斯热工仪表所等6。 我国传感技术发展相对较晚，与发达国家有一定的差距。但从上世纪80年代以来，传感技术已列入国家高新技术发展的重点。目前国内有2000多家单位从事传感器的研发、生产和应用，预计年产总量达20亿只7。1.1气体传感器概述在众多传感器中，用来测量气体的类别、浓度、成分等信息的传感器称为气体传感器。按传感器所用气敏材料，可将其分为半导体式、固体电解质式、高分子式和接触燃烧式等。目前使用较多的是半导体气体传感器8，具有灵敏度高、响应快等特点。半导体气体传感器中，广泛使用的是电阻型半导体气体传感器。电阻型半导体气体传感器的工作原理是，加热传感器到所需要的高温，当传感器接触到可燃性气体时，其电阻值就会发生变化9。因为半导体气体传感器与气体分子接受电子能力不同，当传感器吸附气体分子时，产生了正离子或负离子吸附，引起半导体表面能带弯曲，阻值变化10。在环境监测、食品工业、化学工业等领域，气体检测有着重要的意义11,12，如煤矿的瓦斯监测，大气有毒气体监测，化工厂有害气体监测等。气体传感器在作为一种安全有效的监测手段，被越来越多地广泛使用，从而也带动了气体传感技术的不断发展。1.3气体传感器测试技术研究现状电阻型半导体气体传感器的主要参数有：器件固有电阻和工作电阻、灵敏度、响应时间、恢复时间、加热电阻和加热功率、洁净空气中电压、标定气体中电压、电压比、回路电压等13。气体传感器的测试原理如图1-1所示。RH是一块半导体加热片，其作用控制气体传感器的工作环境温度，给其提供电压 VH，通过改变VH的大小及通电的时间，从而可以达到想要的温度。气体传感器 RS和固定采样电阻 R1进行串联，给它们提供总的回路电压 Ui，通过采集 R1两端的电压 Uo，并通过公式 RS=（Ui/Uo-1）*R1就可以计算出气体传感器的电阻值14。当向气体传感器通入不同浓度的待测气体时，其电阻值会发生一定的变化，通过动态检测这一变化，就可以获得响应时间、恢复时间、注气前后的电阻值、灵敏度等参数。图1-1气体传感器测试原理鉴于气体传感器的重要性，随着气体传感器技术的快速发展，气体传感器测试技术也跟着不断发展。国内外的学者对气体传感器测试系统进行了大量研究，采用不同的方法组建了各种样式的半导体气体传感器的测试系统。国外的L.Harvey，G.S.V Coles 和 J.Watson等学者先后研究设计出一套自动测试系统15,16,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,同时也考虑到了环境温度、湿度对其性能参数的影响,但很多操作还需手工进行,还需进一步提高系统自动化程度。日本费加罗公司针对气体传感器采用单片机进行自动巡回监测系统17。国内各个科研小组也纷纷研究了各种测试系统，管玉国18、彭忠明19介绍了一种能测试气敏元件性能的装置，该装置集试验箱体、检测系统为一体，为新产品开发提供了可靠的数据。曹刚20、张鑫21等通过利用LabVIEW虚拟仪器来实现对气体传感器的测试。还有一些关于嵌入式或各种接口来实现的测试系统，表明了随着测试技术的不断发展，测试系统也越来越多样化。1.4本文研究的目的和意义本论文研究的目的是设计一个半导体气体传感器测试系统完整的气路系统。在众多的气体传感器测试系统研究中，大部分科研工作者都是着重于研究实现动态配气和软件的开发，很少有关于整个气路详细设计文章。而气路设计是整个测试系统的关键，这是因为气体传感器的研究和开发离不开测试系统，而测试的内容是气体传感器与被测气体反应时气体传感器的参数，故为气体传感器提供一个理想的测试环境，才能获得准确的测试结果。通过几十年的发展，目前已经有许多开发出来的测试系统，在这些测试系统中，大部分采用动态配气的方法，但在气体传感器对微量气体进行检测时，这些动态配气系统的精度和均匀度都无法得到保障。对于测试腔的设计，很少有文章详细的阐述设计的思路，如何设计，如何实现等问题。故针对目前气体半导体气体传感器测试系统设计的现状，有必要研究一整套气体传感器测试系统气路系统，既独立于测试系统的设计，又为测试系统的一部分，为完成整个测试系统的设计搭建一个硬件平台，方便不同的测试系统的搭建。只需在本气路系统的基础上，稍加修改，再根据各自的测试需求，将本系统预留的接口与测试电路接口连接，即可开发出需要的气体传感器测试系统。1.5本文主要研究内容 本文主要研究如何设计一个完整的半导体气体传感器测试系统的气路系统，本系统为测试电路留下控制接口，这里的气路指测试气体从流入到流出所经历的所有路径，是除了测试电路的其他硬件部分，一个好的气路系统是测试系统可靠运行的保障。本文的主要研究内容如下：1、本文将传感器测试系统分为气路系统与测试电路系统两部分，相互独立又可相互连接，缺一不可，本文将要研究的为气路系统。首先把气路系统按功能分为四个部分，分别为配气系统、测试腔系统、抽真空系统和尾气处理系统，然后分别针对不同部分进行研究。2、在参考其他研究成果的基础上，针对本课题的实际情况，设计了一个能对微量气体进行精确配置和均匀混合的配气系统，既可以实现动态配气，又可以实现静态配气。如需要进行超低浓度的流动气体测量时则静态配气动态输气的方法，既能达到精确配气的要求，又能实现对流动气体的测量。3、对于测试腔系统，采用天喻CAD软件进行图形设计，选用合适的材料委托加工，实现小体积，多组测试，气体密封等要求。其中包括对腔体的设计，对测试平台的设计，对密封的设计，对加热的设计等。4、了解了真空泵选择的一些原则，通过分析比较，本次设计中的真空泵的选择综合考虑了使用环境，抽气类型，真空度要求等多方面因素，通过对资料的查阅了解，对不同真空泵的比较，最终选定了本系统所需要的类型。5、由于实验室对气体传感器进行测试时使用较多的是二氧化氮和硫化氢，其中二氧化氮对身体有一定的影响，而硫化氢这是神经毒素，故在测试实验时，使用动态陪气时会排出有毒有害气体，虽然很微量，但在狭小的实验室内，很可能会对实验人员造成一定的伤害，故设计了一个简易的尾气处理装置，实现硫化氢的全部吸收，二氧化氮的部分吸收，既减少了空气的污染，同时避免事故的发生。2系统框架与画图软件2.1测试系统气路框架 气体传感器测试系统气路框架如图2-1虚线框所示，根据气体传感器的测试要求，设计了图中虚线框内所示的半导体气体传感器的气路，涵盖了气体从气罐进入系统到最终排出系统所经过的所有路径。此方案为气体传感器搭建了一个完整的基础测试平台，作为气体传感器测试系统的一部分，为测试电路的设计奠定了硬件基础，测试电路的设计者可以在这个气路设计的基础上，通过留下的电路接口，再更具测试系统实际需求，加上不同的测试电路，就能最终完成整个测试系统的搭建。 图 2-1 测试系统气路框架图 如图2-1虚线框内所示，气体传感器测试系统气路可以分为四个部分。第一部分是配气系统。由三个质量流量控制器，一个气体混合腔，载气氮气罐，被测气硫化氢气罐、二氧化氮气罐，四个两通电池阀，一个三通电池阀，三个减压阀和一个气体混合腔组成，其中三通电磁阀可以选择一种被测气。配气系统采用二级式配气法，气体混合腔与质量流量控制器1和质量流量控制器2组成第一级，气体混合腔与质量流量控制器3组成第二级，可以实现动态配气也可实现静态配气，低浓度混合腔配置时能达到较好的精度。第二部分为测试腔系统。测试腔是气体传感器的测试平台，是整个气体传感器测试系统的主体部分，具有核心作用，其他部分都是围绕测试腔设计，已满足测试腔测试的条件，测试腔里包含测试腔体，测试台，夹具，加热及温度检测等部分，本测试腔实现体积小，气密性好，能同时实现两组气体传感器测试等特点。第三部分为抽真空系统。抽真空系统只有一个真空泵，本气路系统使用的是北仪优成公司生产的TRP系列直联高速旋片式真空泵，此系列真空泵由泵支座、油箱、电机支座、底板和泵芯组成，配置止逆阀和气镇阀保护真空泵和真空系统，具有效率高、噪音低、易操作及维护方便等特点。根据需要选用的是TRP-12型号的真空泵，能达到的理论真空度为几帕，低于实际需要的真空度。第四部分为尾气处理系统。由于被测气体具有毒性，虽然使用浓度非常低，但难免对测试人员会造成一定的伤害，故采用化学法经行尾气处理，包含两个烧杯，氢氧化钠溶液和一些玻璃管。这四部分组成了一个完整的气体传感器测试系统的气路系统，配气部分的作用是精确配置待测气体，输入测试腔；测试腔部分是测试平台，里面放置气体传感器，并通过测试电路进行测试；测试过程中产生的尾气通过尾气处理装置处理后排出；真空泵是在测试开始前进行抽真空和测试完成后对气体混合腔进行清洁，排出残留气体。2.2画图软件简介系统的的设计中，为了对气体混合腔、气体测试腔进行设计，使用了天喻CAD画图软件来帮助完成此设计。 天喻CAD是由武汉天喻信息产业股份有限公司开发，具有完全独立自主版权的较新一代CAD系统，采用的是Windows界面风格，最大的特点是易学、易用。这款软件创造性地引进了三维特征的概念，根据草图特征，自动产生投影图。实现多比例绘图功能，从而可以在一张图中绘制多个不同比例的图形。这款软件面向对象的设计思想使画图和改图都比较快捷。可以自动生成基于图档管理的非图形信息，与PDM系统无缝集成。基于上述的特点，在同类软件中具有领先水平22，这也就是选择的原因。使用该软件的原因还有友好的中文图形界面、轻松的设计环境Windows风格的图形用户界面，智能启发式菜单，全中文的提示信息，方便的在线帮助，使天喻CAD成为三天就可学会的“傻瓜”式CAD软件。优秀的动态导航及多视图对应、独特的数字提示功能、强大的绘图功能、强大的图形编辑功能、强大的信息查询和在线帮助功能、自由定义面向管理的非图形属性、灵活方便、符合国家标准的标注功能、弹簧设计、键槽绘制、强大的文字表格处理功能、符合国标的数据库和图形库、独特的尺寸驱动可方便地对图形进行参数化处理、先进的剖面线算法、完善齐全的装配消隐方式、提供审图圈阅功能、方便实用的水利制图工具23。在气体混合腔和测试腔的设计中，图纸的设计和修改都借助于天喻CAD画图软件，此款软件使用中方便易操作，这是选择这款软件作为画图软的主要原因，在本节后面列出的气体混合腔、测试腔、测试台、开关、合页和探针的设计图都是出自此款软件。3配气系统3.1静态配气法与动态配气法概述根据测试的需要，我们通常需要配置一定浓度的待测气体，气体的配置方法有两种，分为静态和动态。静态配气法是把一定量的气态或蒸气态的原料气加入已知容积的容器中，再充入稀释气，混匀制得。标准气的浓度根据加入原料气的稀释气的量及容器容积计算得知。所用原料气可以是纯气，也可以是已知浓度的混合气，其纯度需用适宜的分析方法测定。静态配气法的优点24是所用设备简单、操作容易，但因有些气体化学性质较活泼，长时间与容器壁接触可能发生化学反应，同时，容器壁也有吸附作用，故会造成配制气体浓度不准确或其浓度随放置时间而变化，特别是配制低浓度标准气，常引起较大的误差。对化学性质不活泼且用量不大的标准气，用该方法配制较简便。静态配气法主要有: 称量法、分压法、静态容量法等。动态配气法是使已知浓度的原料气与稀释气按恒定比例连续不断地进入混合器混合，从而可以连续不断地配制并供给一定浓度的标准气，根据两股气流的流量比可计算出稀释倍数，根据稀释倍数计算出标准气的浓度。动态配气法25不但能提供大量的标准气，而且可通过调节原料气和稀释气的流量比获得所需浓度的标准气，这种方法尤其适用于配制低浓度的标准气。但是，这种方法所用仪器设备较静态配气法复杂，不适合配制高浓度的标准气。动态配气法主要有: 流量比混合法、渗透法、扩散法、定体积泵法、光化学反应法、电解法和蒸汽压法等。静态配气法较为简单而且可靠性相对较高，但是不能进行连续配气，每次测试时配置好气体后体积就再不变化，但随着测试的进行，被测气体不断的被吸附，造成了被测气体浓度的降低，影响测试结果26。动态配气法可以不间断地配制并输送给测试腔，其原料气与稀释气的流量比即为稀释倍数，根据稀释倍数就可以计算出标准气的浓度。在一般的研究中，很多都采用动态配气这一方便的方式，也有不少关于实现动态配气方法的研究。一般都是采用质量流量控制器，加上控制电路，根据需要的标准气浓度，按摩尔比换算成体积比，再化为流量比，以此实现动态配气。本系统的设计背景下，根据设计要求，要使待测气体达到ppm级，待测气和载气在质量数相差不大的情况下，如待测气硫化氢为34、氮气为28时，质量比可近似看成体积比。如要测试气体传感器在微量硫化氢气体下的反应参数，那么硫化氢与氮气的流量比的相差4至6个数量级。这样标准气浓度十分微小，直接使用动态配气法精度很难保证，配气过程中，会产生待测气气流过小而使精度降低，两种气体混合不均匀等问题。如果使用静态配气法，则由于测试腔体较小，待测气体浓度过低，随着时间的延长，待测气被测试腔等吸附，从而产生较大的误差。故根据本课题中配气的需要，设计了动静结合的二级式配气法。在微小浓度的待测气测试时，先使用静态配气进行精确配气，再用动态配气进行输送配好的标准气。此设计中加入了气体混合腔，在此过程中，气体混合腔具有配气罐以及输气罐的两种身份。作为配气罐，气体混合腔接收来自质量流量控制器1和2中的气体，配成标准气并存储；作为输气罐，通过质量流量控制器3对测试腔进行输气，以达到流动气体测量的要求。3.2气体混合腔设计作为气罐与测试腔的中间级，气体混合腔是配气系统的关键。在许多研究人员的设计中，都用到了混气罐。一般设计中的混气罐的作用是让通过动态配气的被测气体和载气更加均匀混合。当然，也有少数把混气罐用于静态配气，张毅等27在设计的标定配气系统中用使用气体混合罐做为静态配气的配气罐，配好标准气后，将混气罐与测试腔导通，实现配气，用于静态测量。与其他设计中混气罐的功能不同，本配气系统中的气体混合腔，设计的理念是在一般的动态配气中可以为气体混合提供缓冲，在静态配气中可以作为配气罐，在需要超低浓度被测气进行流动气体测试时，既能作为混气罐使气体混合均匀，也能作为配气罐达到流动气体测试的需要。在测量微量气体的气体传感器测试系统中，为了达到精度与流动的兼顾，其设计与一般的混气罐不同。在其他的动态配气系统设计中，气体混合罐体积一般都比较小，因为目的不是储气，只作为一个缓冲的气罐，达到气体均匀混合的要求，而本气体混合罐的体积大约是测试腔的两倍，以满足使配置的标准气的量足够使用。如图3-1所示，气体混合腔材质采用304不锈钢，304不锈钢28是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强。耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650。304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对氧化性酸，在实验中得出：浓度65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。由于测试过程中，会用到硫化氢和二氧化硫等有一定腐蚀作用的气体，故选用304不锈钢作为混合腔的材料，另外304不锈钢具有很好的机械强度，在配气时会产生比较大的压强，使用304不锈钢可以安全地承受这种压力。气体混合腔外形为一圆柱体。腔体由一个圆柱形不锈钢管和两个圆形不锈钢板组成。钢管外径为159毫米，壁厚8毫米，高为200毫米。两不锈钢板直径为123毫米，厚度为8毫米。腔体上共有4个气孔，如图3-2所示的配气系统，气体混合腔左边两孔分别连接着质量流量控制器1（MFC 1）和质量流量控制器2（MFC 2），右边小孔连着质量流量控制器3（MFC 3），圆柱体底部的大孔连着真空泵。连接质量流量控制器的3个小圆孔大小为直径6毫米，用于焊接外径为6毫米的316L的不锈钢气路管。连接真空泵的为孔径为25毫米的圆，用于焊接25KF的法兰接口。整个气体混合腔的体积约为2.2升。图的右下角为给气体混合腔加四只支撑脚，使气体管道在100毫米高的位置。图 3-1 气体混合腔设计图3.3 质量流量控制器选用在标准气配气中，特别是动态配气中，最常用的就是质量流量控制器，因为质量流量控制器能帮助我们简便智能地对气体流量和体积的控制。本次设计的配气系统要求有，需要满足具有一定的防腐性，配气精度达到ppm级，也就是百万分之一，能连续为测试腔供气等，故需要对控制流量的方式进行选择。选择测试流量的方式，通常流量测量有体积与质量计量两种方式。体积流量计量如容积式、速度式流量计,其往往受到温度、压力等工况变化的影响,进而影响计量的精度。因此，要求精确计量的场合必须采用质量流量计。质量(而非体积)是非常重要的一个参考量,它是质量流量测量中的基本单位,质量流量不受勃度、密度、电导率、压力和温度的影响,是关于被测物质的更精确、更有用的一个物理量29。通过测量质量对流量进行测试的和控制的机械-质量流量控制器(MFC)。气体质量流量计与普通的体积流量计之间的主要区别30，在于气体的体积流量在温度、气压改变时，在相同体积流量指示下，其实际气体的克分子流量将发生较大变化，而质量流量几乎不受温度、气压的影响。这是因为流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量流过气体的质量流量，具有温度、压力自动补偿特性31。质量流量控制器使用范围非常广，可以用于对各种气体的质量流量进行精密测量和控制，广泛应用于电子工艺设备(如扩散、氧化、外延、CVD、等离子刻蚀、溅射等)和镀膜设备、光导纤维制造中；并且，在石油化工、冶金、制药等行业也有广泛应用。质量流量控制器由几部分组成：流量调节阀、流量传感器、放大控制器还有分流器通道等。质量流量控制器的工作电源、当前流量显示和流量大小的设定等操作，可以分开由电源和计算机控制，也可由与其配套的流量显示电源盒提供。对体积流量计，气压相对标准压强增加0.1MPa，实际克分子流量要变化一倍；而质量流量计，气压变化0.1MPa，实际克分子流量仅误差士0.14%FS。质量流量控制器不仅能测量气体的质量流量，更重要的是它能控制流量。其中克分子的定义是：g（相对分子质量），这群物质的绝对质量就叫1克分子，这正是现在通用的mol概念，1mol任何物质的绝对质量在数值上等于其相对分子量。 质量流量控制器是一个闭环控制单元。用户只需要改变设定的电压，控制器的流量就会自动跟踪设定值而改变，并稳定至设定值。这也为多种流量的管路系统实现计算机自动控制提供了方便。质量流量控制器的工作环境温度要求，一般为5-45,工作气压范围(气压降)一般为0.05-0.3MPa左右，升压通常是1-10MPa。如果需要在高压下工作，应注意选择能耐高压的MFC产品，并应注意工作气压降一般也不得超过额定位。质量流量控制器气流通道的材料大多为：316L不锈钢、聚四氛乙烯、氟橡胶等，可以用于控制一般的腐蚀性气体。如果使用某些特殊腐蚀性气体，如氟气、三氟化硼、三溴化硼等，须选用某些特殊的密封衬性材料32。图 3-2 配气系统表格 1 七星华创质量流量控制器D07-7BM技术参数 本表格为七星华创产品说明书上的技术参数表格参数项参数满量程流量范围（N2）5SCCM10SLM控制范围2100F.S.准确度1.5F.S.线性（0.51.5）F.S.重复精度0.2F.S.响应时间7sec工作温度范围545工作压差0.01MPa耐压3MPa漏气率110-8SCCSHe密封材料氟橡胶（或氯丁橡胶）电插头形式DB15 pin(Female)接头选择VCR1/4”或4hose、6hoseSwagelok1/4”或3、6mm重量0.92Kg根据本次设计的需要，我们的常用被测气体为硫化氢和二氧化氮，具有一定的腐蚀性，但用量很少，故需要选择一定耐腐蚀性的质量流量控制器。另外考虑到配置微量超低浓度标准气的需要，控制被测气体流量和总量的质量流量控制器选择流速5毫升每分钟的七星华创的D07-7BM，也就是图3-2中的质量流量控制器2（MFC 2），如表格1所示，为七星华创公司所产的质量流量控制器D07-7BM的技术参数，该型号的质量流量控制器具有较好的线性度与准确度，这在小流量的质量流量控制器的选择中是非常重要的。表格 2 七星华创质量流量控制器D07-7B 本表格为七星华创产品说明书上的技术参数表格参数项参数满量程流量范围（N2）5SCCM10SLM控制范围2100F.S.阀类型（及阀初始状态）电磁调节阀（常闭）准确度1.5F.S.线性0.51.5F.S.重复精度0.2F.S.响应时间7sec工作温度范围545工作压差0.10.5MPa耐压3MPa漏气率110-8atm.cc/sec He密封材料氟橡胶（或氯丁橡胶）电插头形式DB15 pin(Female)接头选择VCR 1/4”或4hose、6hose双卡套 1/4”或6、3重量1.1Kg 而控制载气氮气的质量流量控制器选择七星华创的流速为1升每分钟的D07-7B，即为图3-2中的质量流量控制器1（MFC 1），如表格2所示，质量流量控制器1与质量流量控制器2相比，质量流量控制器1所控制的是载气氮气，氮气的流量远远大于被测气体的流量，故使用中会在满量程附近使用，其要求稍微低一些，从设计要求与性价比方面考虑，故选择精度稍低的D07-7B型号。而图3-2中的质量流量控制器3（MFC 3）则选择七星华创的流速为500毫升每分钟的D07-7BM，因为其工作压差很小，这样就能使气体混合腔中的气体尽量充分地被利用。质量流量控制器的控制和流量显示器件选用七星华创的D08-8C流量积算仪。流量积算仪为质量流量控制器（MFC）或质量流量计（MFM）提供工作电源、流量积算、瞬时流量和累积流量的数字显示，D08-8C/ZM型产品还向质量流量控制器提供流量设定、操作控制等功能。 特点是微电脑控制，串行通讯，数字模拟兼容，累计流量6为数显示，可变更显示量程和单位 。其技术参数如表格3所示表格 3流量积算仪技术参数 本表格为七星华创产品说明书上的表格参数项参数输出电源+15V 200mA,-15V 400mA最大累计流量999999（标准升或立方米）流量累计误差0.3输入输出信号0+5V， RE232/RS485供电电源85V265VDC,60/50HZ,12W重量0.5Kg控制通道数和显示特点1路MFM两个显示器3.4 配气系统工作原理如图3-2所示，配气系统主要由气源、电磁阀、质量流量控制器、气体混合腔组成。其中气源包括储气罐和减压阀两部分。储气罐中的气体压强可达2MPa的高压，故需要通过减压阀减压后输送进质量流量控制器。减压阀是一种通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门。从流体力学的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在一定的误差范围内保持恒定。本配气系统中的操作，由于常用的被测气体为硫化氢和二氧化氮，每次测试一种气体，所以被测气体出减压阀后需要通过一个三通电磁阀，选择其中一种作为被测气。通过流量积算仪设定好所需的气体流量大小后，调好减压阀，打开储气罐，再打开电磁阀，以设定的速度通入所需的气体，再根据所要的量，设定电磁阀的关断时间，以实现精确的定量配置气。配气过程中先通入被测气体，因为被测气体的量很少，先通入被测气体有利于被测气体的均匀扩散，再通入载气，进一步使被测气体均匀分散于气体混合腔。当第一批量的标准气配置好后，先关闭气源处的电磁阀，停止配气。调好质量流量控制器3，打开电磁阀，向测试腔供气，供气一段时间后，如果测试未完成，气体混合腔的气体量不足，那么再以一定的流量比进行动态配气，由于有第一次配气的基础，能给再次配气提供足够的时间使气体混合均匀，如此反复，直到所有的测试结束。如果一次要测试几种不同浓度下气体传感器的性能参数，则可以用真空泵抽出气体，重复上述过程，即可以测试另一组数据。本配气系统的优点在于不但可以实现动态配气和静态配气，并且可以用于较精确的超低浓度标准气的配置，因为气体的配置和气体的输送可以以不同的流量进行，既保证了配气的精确度，又保证了测试标准气的稳定供应。4测试腔4.1测试腔构成 测试腔是对气体传感器进行测试的地方，也是整个系统的核心，其他部分都可以看做为测试腔服务的外围部分。测试腔上有许多接口，分别为进气接口，出气接口，测试电路接口，加热及温控接口，另外里面还包含一个测试平台。4.2 测试腔设计测试腔也可看做一个圆柱体，腔体上因为密封需要有一个密封门，门比腔体稍大。因为测试腔稍微比较复杂，故将其拆解设计和介绍。这样既方便图纸的绘制，也方便加工时图纸的识别。4.2.1腔体设计图 4-1 除测试腔门外的测试腔体设计图设计图如图4-1所示，腔体全部采用304不锈钢，由一个不锈钢管和一个不锈钢板焊接而成，不锈钢管外径为114毫米，厚度为8毫米，长为140毫米。不锈钢板为直径为114毫米的圆，厚度为8毫米。不锈钢管上只有两个孔，左边作为进气口，右边作为出气口，孔径大小都为6毫米，用于焊接外径为6毫米的不锈钢气路管。测试腔底部共有11个孔，其中4个直径为4毫米，深也为4毫米的孔为安装测试台的安装孔，此孔用于焊接M4不锈钢螺丝，用于固定测试台。另外上方和左右共有六个引线孔，上方两个用于接加热引线，用于与半导体加热片连接，左右两组分别接两组测试引线，用于接测试探针。最下面的那个孔用于温度传感器测试线。这七个孔皆为穿孔，底部下面的4毫米深的孔为直径2毫米或3毫米的各种引线孔，另外深4毫米的孔皆为直径6毫米，此孔的设计是基于气密性考虑，用于安放密封圈，如图4-2所示。图4-2 小型氟胶O型圈较粗的孔内会加一个小型的氟胶O型密封圈。这些小的密封圈为外径6毫米，内径为2毫米，如图4-2所示。除了使用机械压力达到密封外，还会使用密封胶增加密封性。密封胶一种引随密封面形状而变形，不易流淌，有一定粘结性的密封材料。是用来填充构形间隙、以起到密封作用的胶粘剂。 具有防泄漏、防水、防振动及隔音、隔热等作用。使用密封胶后，同时用强力胶水将O型圈与孔粘合，加强气密性与稳定性。 O型密封圈33是一种截面为圆形的橡胶圈，因其截面为O型，故称其为O型密封圈，是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种。O型密封圈是具有圆形截面的环行橡胶密封圈。主要用于机械部件在静态条件下防止液体和气体介质的泄露。在某些情况下。O型密封圈还能用做轴向往复运动和低速旋转运动的动态密封元件。根据不同的条件，可分别选择不同的材料与之相适应。O型密封圈通常选用时要尽量选用大截面的O圈，在相同间隙的情况下，O型密封圈被挤入间隙的体积应当小于其被挤入的最大允许值。对不同种类固定密封或动密封应用场合，O型密封圈为设计者提供了一种既有效又经济的密封元件。O型圈是一种双向作用密封元件。安装时径向或轴向方面的初始压缩，赋予O型圈自身的初始密封能力。由系统压力而产生的密封力与初始密封力合成总的密封力，它随系统压力的提高而提高。O型圈在静密封场合，显示了突出的作用34。然而，在动态的适当场合中，O型圈也常被应用，但它受到密封处的速度和压力的限制。图中所示的O型圈为外径120毫米，径粗5.7毫米的氟胶O型圈，如图4-2(b)所示。氟橡胶的特性为阻燃性、极低的透气性，耐风化性和耐老性以及极佳的耐臭氧性。工作温度40300。4.2.2 测试腔门设计测试腔门的设计可以分为门框、门和合页开关。 (a)测试腔门框与密封设计 门框为一个厚度为10毫米的304不锈钢板制作的外径134毫米，内径98毫米的圆环，如图4-3所示。环内嵌套着一个耐高温耐腐蚀的氟胶O型圈，用于测试腔的气体密封，O型圈如题4-4所示。图4-3 测试腔门框设计图 图4-4 氟胶O型密封圈 (b)测试腔门设计如图4-5，腔门板的设计相对简单，为一个直径为134毫米，厚度为10毫米的304不锈钢板。图4-5 测试腔门板设计图 （c）开关合页设计 图4-6为测试腔门与腔体上的开关，图左边的部分焊接在腔体上，图右边的部分焊接在腔门上。除了这两部分外，再加上长30毫米，直径为8毫米的不锈钢棒，与一M8的不锈钢螺丝和一M8的蝶形螺母，一起组成了测试腔的开关。 图4-6 测试腔开关设计图图4-7 测试腔合页设计图 图4-7为测试腔门与腔体间的合页设计图。图左边部分焊接在测试腔腔体上，右边部分焊接在腔门上。开关与合页等全部使用304不锈钢，相同材质才能焊接牢固。4.3 测试台设计测试台相当于医生的手术台，在气体传感器测试时，用于放置被测半导体气体传感器。测试台里面嵌入了加热片，用于加热气体传感器，使传感器达到所需的测试温度。测试台上安装了夹具，用于固定被测气体传感器，以及在气体传感器两端加上测试电压。4.3.1测试台设计图4-8 测试台聚四氟乙烯板设计图 测试台如图4-8所示，选择的材料为厚11毫米的聚四氟乙烯板。聚四氟乙烯35有很好的特性，耐高温，使用工作温度达250；耐低温，具有良好的机械韧性，即使温度下降到-196，也可保持5%的伸长率；耐腐蚀，对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂；耐气候，有塑料中最佳的老化寿命；高润滑，是固体材料中摩擦系数最低者；不粘附，是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质；无毒害，具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应。聚四氟乙烯在原子能、国防、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、金属表面处理、制药、医疗、纺织、食品、冶金冶炼等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料，绝缘材料，防粘涂层等，使之成为不可取代的产品36。 如图4-5所示为第一层聚四氟乙烯板的设计图,为一个直径为80毫米，厚11毫米的圆形板。图中公有16个孔，其中中间直径40毫米，深4毫米的孔用于安放半导体加热片；四角4个直径4毫米的孔为测试台固定孔，固定到测试腔底；上左右6个直径2毫米的孔为引线孔，上边两个用于接半导体加热片，左右四个接测试引线；下面中间直径3毫米的孔用于温度检测导线；靠近中间大圆孔的四个小圆孔用于固定探针。4.3.2 探针设计图4-9 探针设计图探针作为测试工具，对电阻型半导体传感器通电，给传感器一定的测试电流，最后通过所测电压电流计算气体传感器的各项参数。用不锈钢薄片做成如图4-9设计图所示的探针，制成上图图所示的形状后从折线出弯折，使其针尖能够接触半导体气体传感器。圆孔用于M3的螺钉进行固定。4.4 加热及温度控制设计图4-10 PTC发热片及其配件加热使用半导体加热片，选用的是PTC发热片。该发热片直径为3.8厘米，中间孔为边长6毫米的正方形，厚度为4毫米，工作电压为3-24V，根据所加的电压不同发热功率不同。其特点有：升温迅速，10秒可以达到100度到230度，30秒可以高500度；发热效率高、节能、无污染；发热均匀，无明火，使用安全；发热体处于局部真空状态，故发热器耐酸碱和有害气体；使用寿命长，功率衰减量小。产品已广泛用于工业产品中，包括电子电器产品，生活用品和医疗保健产品的加热和发热，电压从3V到24V可以任意设置，高绝缘性，操作方便。通过使用温度测试和控制系统，改变电压大小则可以控制周围的环境温度。5抽真空及尾气处理5.1真空泵选择在空气中，含有氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气、稀有气体以及其他气体和杂质，对于半导体气体传感器所测试的气体如硫化氢来说，空气中的氧气会使其氧化，水蒸气会和其相溶变成酸，还有空气中也很可能含有微量二氧化硫气体等都会影响测试结果，故在配气之前，我们需要对测试系统进行抽真空，排出空气中的气体和表格 4北仪优成TRP系列真空泵技术参数 本表格为北仪优成产品资料表格 单位TRP-6TRP-12TRP-24TRP-36TRP-48TRP-60TRP-90抽气速率 (50Hz)L/s1.5369141825极限压力 关气镇分压力Pa410-2全压力410-1气镇分压力1.3全压力4容油量L1.31.11.41.83.85.56.5进气口径DN25KF25KF25KF25/40KF40KF出气口径DN25KF40KF电机功率（三相220V/380V）/（单相220V）kW0.4/0.550.4/0.550.75/0.750.75/-1.5/-2.2/-2.2(3)/-转速 (50Hz)rpm1450噪音 (关气镇)dB50505252565656重量 (三相)kg23253739648388杂质对测试结果的影响。真空泵的选择可以从下面几个方面考虑：真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求；正确地选择真空泵的工作点；真空泵在其工作压强下，应能排走真空