DB32T-微机电系统半导体气体传感器性能检测方法编制说明

PAGE7《微机电系统半导体气体传感器性能检测方法》编制说明一、目的意义随着人们对安全防控、环境监测、健康管理越来越重视，气体传感器已成为生产和生活不可或缺的一部分。半导体式气体传感器是研究最早、应用最广的一种气体传感器。基于微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）工艺的半导体气体传感器技术是目前半导体气体传感器发展的趋势，它不仅继承了传统半导体气体传感器高灵敏度、低成本、敏感材料多样性的优势，还通过MEMS工艺技术大大减小了传感器的体积、功耗，可以更好地适用于小型化和微型化器件的大规模生产，能够有效提升传感器的实用性。而且，借助于MEMS技术可以集成多个不同的传感器组成传感器阵列，结合算法进行拟合分析，可以改善器件整体的选择性，克服了单个半导体传感器选择性差，不能用于混合气体检测的缺点。基于其优点，MEMS半导体气体传感器的应用优势也逐渐显露。目前应用较多的为智能家电，如集成在燃气热水器、空气净化器、空调等家用电器中，用于家居环境中各种气体的监测；还有应用于“电子鼻”中，用于泄漏监测、臭味或异味监测；另外，随着健康管理的观念逐渐深入人心，通过监测人体呼出气体的特定成分来反映或预警人体的健康状态近几年深受研究学者和体外诊断医疗企业的青睐，MEMS半导体气体传感器在这方面的应用潜力巨大。江苏省是全国MEMS智能传感器产业基地之一，聚集了大量MEMS智能传感器研究、生产、应用企业，MEMS半导体气体传感器企业也融入其中。随着产业的发展以及MEMS半导体气体传感器应用的增多，产品的检测需求也随之增多。然而，国内外却没有针对MEMS半导体气体传感器的检测方法，本项目在于研究制定MEMS半导体气体传感器的检测方法，形成统一的、具有普遍适用性的检测标准，促进提升MEMS半导体气体传感器的产品质量，突出产品优势，提高产品市场认可度，促进行业健康快速发展。二、任务来源2022年江苏省市场监管局地方标准制定项目，序号240《微机电系统半导体气体传感器性能检测方法》，推荐单位为江苏省纳米技术标准化技术委员会，承担单位为苏州市计量测试院，参与单位为苏州慧闻纳米科技有限公司。三、编制过程1．成立起草小组（2022年7月）根据“关于2022年度江苏省地方标准立项的公示”，在江苏省市场监督管理局领导下，江苏省纳米技术标准化技术委员会组织协调下，成立了由苏州市计量测试院为牵头单位，苏州慧闻纳米科技有限公司等相关单位为协作单位的标准工作组，负责标准的调研、起草、编制和修改。2．组织调查研究（2022年8月-2022年10月）为了更好的做好地方标准编制工作，让标准能够适合全省范围内使用，标准工作组工作人员对多家传感器企业进行了走访调研，并参考类似和相关的国家标准针对气体传感器的主要技术要求，深入研究、综合分析、试验验证。3．编制标准草案（2022年11月-2023年3月）依据相关法律、法规、政策，收集、整理全省的相关标准、文件和资料，依托江苏省纳米技术标准化技术委员会的技术支撑，由标准工作组工作人员根据前期调研、分析结果，进行标准初期编制，完成相关标准验证实验，编写出“微机电系统半导体气体传感器性能检测方法”地方标准草案。4．标准征求意见（2023年4月-2023年5月）标准草案稿编制完成后，标准工作组在苏州召开了标准稿件的征求意见研讨，会议上收集整理各相关单位提出的意见建议，进行整理和修改了标准草案，此后，发布标准正式征求意见稿，在全省范围内征求各有关方的意见。征求意见函共发送的单位数35个，回函并有建议或意见的单位数17个，回函无建议单位数14个。5．征求意见处理，召开预评审会完成送审稿（2023年5月-2023年6月）标准起草小组汇总征求意见，整理“标准征求意见表”，并召开研讨会讨论征求意见回复及完成草案修改。组织标准预评审会对修改后的草案进行进一步格式检测及内容确认，形成标准送审稿。6．标准审查（2024年8月）2024年8月16日，江苏省市场监督管理局在南京组织召开了《微机电系统半导体气体传感器性能检测方法》地方标准审查会。共有来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、江苏省计量科学研究院、江苏省质量和标准化研究院、东南大学、苏州大学、霍尼韦尔传感控制（中国）有限公司、翼捷安全设备（昆山）有限公司等7位专家参加了审查，专家听取了标准编制单位汇报，经质询与讨论，达成了一致意见。审查专家组对标准整体进行了评价，认为本标准文本撰写清晰、合理，审查通过，建议按照修改意见修改后，进入下一阶段。7.根据专家意见修改完善，完成报批稿（2024年8月）标准起草小组根据标准审查会的专家意见修改完善形成了《微机电系统半导体气体传感器性能检测方法》报批稿。四、主要内容技术指标确定为规范微机电系统半导体气体传感器性能检测方法，提升产品质量，本标准主要包括微机电系统半导体气体传感器性能检测条件和检测方法，标准具体结构框架如下：1．第一章规定了标准的适用范围。本文件规定了微机电系统半导体气体传感器性能检测的试验条件、检测方法和检测报告。本文件适用于微机电系统半导体气体传感器性能检测。2．第二章列出了规范引用文件。主要包括GB/T34004-2017《家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》、GB/T7665-2005《传感器通用术语》、GB/T26111-2023《微机电系统(MEMS)技术术语》等。3．第三章对标准中出现的重要术语给出了定义。其中微机电系统引用自GB/T26111-2023，半导体气体传感器引用自GB/T7665-2005，传感器检测装置引用自GB/T34004-2017。4．第四章提出了微机电系统半导体气体传感器性能检测的试验条件，包括环境条件、试验设备和样品准备。1）环境条件参考了其他传感器标准GB/T34004-2017、JB/T13109-2017、JB/T13999-2020，选取了较为宽泛的环境条件，为保证试验过程中传感器测试的一致性，规定了试验过程中温度波动不应超过±2℃，湿度波动不应超过±5%RH。2）试验设备列入了测试箱，试验时传感器放置在测试箱内，然后测试箱内利用静态配气原理充满试验气体，以检测传感器在试验气体中的信号输出。因静态配气能更好的模拟传感器的实际使用环境，且传感器体积非常小，易受气流冲击影响，利用动态配气原理配制的试验气体气流较大，会影响传感器的对试验气体的响应，因此标准采用静态配气方法进行测试。3）样品准备列出了样品测试前的准备工作，因传感器需要充分预热后才能测试，且不同的传感器预热时间不同，因此明确了待试验的样品应在规定的环境条件下通电预热后方可进行检测，预热时间以产品使用说明书为准；又因传感器需要配套的检测装置才能正常工作以及读取输出信号，因此传感器送检同时提供检测装置，在测试传感器信号输出时把传感器安装在该装置上进行试验。5．第五章详细规定了微机电系统半导体气体传感器的检测参数及检测方法。1）功率、最低检测浓度及灵敏度MEMS半导体气体传感器的优点有功耗低、检出限低、灵敏度高等。针对以上特点，标准中设置了功率、最低检测浓度、灵敏度参数，以体现MEMS半导体气体传感器特有性质及优势。在功率的检测方法中，因传感器体积非常小，不便于接入功率计进行检测，因此试验时将传感器安装在检测装置上，用功率计检测传感器+检测装置的功率，然后再测出检测装置的功率，两者相减即为传感器的功率。传感器最低检测浓度主要针对传感器标识的最低检测浓度进行验证，首先读取传感器在洁净空气中的信号值V0，然后读取传感器在试验气体（浓度为其标识的检测下限浓度）中的输出信号值Vs，并取稳定后的10次信号值Vsi计算标准偏差Vr，若︱Vs-V0︱≥3Vr，则传感器最低检测浓度即为其标识的检测下限浓度，若︱Vs-V0︱＜3Vr，增加试验气体的浓度直至︱Vs-V0︱≥3Vr，此时试验气体的浓度即为传感器最低检测浓度。灵敏度采用了气体传感器灵敏度通用检测方法，主要参照JB/T13109-2017。2）示值误差、响应时间与恢复时间、漂移此3项参数为气体传感器的常规检测参数，反映的是气体传感器的基本性能。因标准中测试时读取的是传感器的原始输出信号值（电压、电阻等），因此示值误差计算时需要借助传感器响应曲线（制造商提供），将输出信号值转化为浓度值，才能计算示值误差。响应时间与恢复时间采用常规计算方法T90及T10，可手动读取，也可从输出信号曲线上读取。漂移的检测方法主要参考JB/T13109-2017和JB/T13999-2020等。3）抗干扰气体性能、抗硅中毒性能MEMS半导体气体传感器的缺点主要有选择性差，易中毒等。标准中通过将传感器暴露在已知或使用方要求的干扰气体中计算干扰影响因子，暴露在毒性气体（六甲基二硅醚）中，测试传感器暴露后的灵敏度变化情况，检验传感器的抗干扰气体性能、抗中毒性能，对制造商在传感器的性能改善方面具有重要的指导意义。检测方法主要参考GB/T34004-2017和GB15322.1-2019等。4）耐温湿度性能、耐振动、跌落性能、长期稳定性除了常规条件下的性能检测，标准还参考了GB/T34004-2017、JB/T13109-2017、JB/T13999-2020、GB12358-2006、GB15322.1-2019等，引入了耐温湿度性能、耐振动、跌落性能、长期稳定性试验等，用以模拟实际使用时MEMS半导体气体传感器需要耐受的各种环境条件，保证传感器在各种条件下性能的正常发挥。6．第六章规定了检测报告的内容。7．附录部分主要给出了测试箱示意图及测试箱内气体浓度的计算方法。五、与相关法律法规和国家标准的关系本标准与现行有关法律法规和强制性标准相协调一致。目前国内外针对微机电系统半导体气体传感器的检测没有相关的标准，文件编制格式严格遵循GB/T1.1—2020的要求，主要参考了GB/T34004-2017《家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》、GB/T7665-2005《传感器通用术语》、GB/T26111-2023《微机电系统(MEMS)技术术语》、JB/T13109-2017《催化燃烧式气体传感器》、JB/T13999-2020《电化学VOCs气体传感器》、GB12358-2006《作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求》、GB15322.1-2019《可燃气体探测器第1部分：工业及商业用途点型可燃气体探测器》等标准，结合本团队试验结果，针对性的编制了微机电系统半导体气体传感器性能检测方法。六、重大分歧意见的处理过程和依据本标准编制过程中无重大分歧意见。标准编制组与行业专家经过多次研讨，积极采纳了所提出的修改建议，最终形成报批稿。七、实施推广建议本标准可普遍应用于MEMS半导体气体传感器的性能检测，包括用于安全防护的各类气体传感器、室内外环境监测用低浓度气体传感器、氢燃料电池汽车用氢气传感器、电子洁净厂房内痕量气体传感器等。前期选择省内MEMS半导体气体传感器生产企业开展标准宣贯工作，帮助其提升产品质量，获取市场竞争优势，逐步覆盖至全国MEMS半导体气体传感器生产企业，以促进产业健康快速发展。八、起草人员信息及分工本标准承担单位为苏州市计量测试院，参与单位为苏州慧闻纳米科技有限公司。起草小组人员和信息如下：姓名工作单位职称/职务分工史苏娟苏州市计量测试院研究员级高级工程师标准起草负责人，组织标准起草工作，总体负责标准审定撰写，组织标准审查、报批等工作方丹苏州市计量测试院高级工程师组织推进标准制定程序和进度，负责协调标准定制过程中所需资源，协助标准审查、报批等工作耿彦红苏州市计量测试院高级工程师组织讨论标准编写思路，确定标准制定框架，开展标准的实验验证王瑞苏州市计量