DB32-T 4894-2024 微機電系統(tǒng)半導體氣體傳感器性能檢測方法

ICS31.080CCSL40江蘇省地方標準DB32/T4894—2024微機電系統(tǒng)半導體氣體傳感器性能檢測方法Testmethodforperformanceofmicro?electromechanicalsystemssemiconductorgassensor2024-11-07發(fā)布2024-12-07實施江蘇省市場監(jiān)督管理局發(fā)發(fā)出布版ⅠDB32/T4894—2024前言 Ⅲ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14試驗條件 15檢測方法 26檢測報告 5附錄A（資料性）測試箱裝置介紹與氣體配制方法 6參考文獻 8ⅢDB32/T4894—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由江蘇省納米技術標準化技術委員會提出、歸口并組織實施。本文件起草單位：蘇州市計量測試院、蘇州慧聞納米科技有限公司。1DB32/T4894—2024微機電系統(tǒng)半導體氣體傳感器性能檢測方法本文件規(guī)定了微機電系統(tǒng)半導體氣體傳感器性能檢測的試驗條件、檢測方法及檢測報告。本文件適用于微機電系統(tǒng)半導體氣體傳感器的性能檢測。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1微機電系統(tǒng)micro?electromechanicalsystems；MEMS基于微納制造技術制備的功能結構、器件構成的系統(tǒng)。[來源：GB/T26111—2023，3.1.1]3.2半導體氣體傳感器semiconductorgastransducer/sensor利用半導體材料的電導率變化，將感受的氣體轉換成可用輸出信號的傳感器。注：包括表面電導式傳感器和體電導式傳感器。[來源：GB/T7665—2005，3.3.1.1，有修改]3.3傳感器檢測裝置sensortestmodule用于將傳感器特性轉換為輸出信號的測試裝置。[來源：GB/T34004—2017，3.5]4試驗條件4.1環(huán)境條件實驗室內環(huán)境條件應符合以下要求：a）環(huán)境溫度：15℃~35℃,試驗過程中溫度波動不應超過±2℃;b）相對濕度：25%~80%，試驗過程中相對濕度波動不應超過±5%；c）大氣壓力：86kPa~116kPa。4.2試驗設備試驗設備應符合以下要求：2DB32/T4894—2024a）秒表：分度值不大于0.1s；b）功率計：功率0W~10W，分辨力0.1mW，最大允許誤差：±10%；c）電壓表：直流電壓0V~50V，準確度級別優(yōu)于1.0級；d）測試箱：測試箱內部結構及氣體配制方法參照附錄A。4.3樣品準備4.3.1試驗前通過目視、拍照等方法檢查傳感器表面，應無腐蝕、起泡現(xiàn)象，無明顯劃傷、裂痕、毛刺等機械損傷。4.3.2試驗前待試驗的樣品應在4.1規(guī)定的環(huán)境條件下通電預熱后方可進行檢測，預熱時間以產品使用說明書為準。4.3.3傳感器送檢時同時提供檢測裝置，在測試傳感器信號輸出時把傳感器安裝在該裝置上進行試驗。4.3.4樣品檢測項目與樣品編號對應表見表1。完成全部檢測項目需要的樣品數(shù)量為8只，試驗前應對樣品予以編號。具體樣品數(shù)量根據檢測項目與客戶協(xié)商確定。表1檢測項目與樣品編號對應表序號章條編號檢測項目傳感器編號123456781功率√√ 2傳感器最低檢測濃度√√√√√√√√3傳感器靈敏度√√√√√√√√4傳感器檢測誤差√√√√√√√√5響應時間與恢復時間√√√√√√√√6漂移√√——————7抗干擾氣體性能——√√————8抗硅中毒性能——√√————9耐高溫性能————√√——105.10耐低溫性能————√√——115.11耐恒定濕熱性能————√√——125.12耐振動性能 √√135.13耐跌落性能——————√√145.14長期穩(wěn)定性√√——————5檢測方法5.1功率在潔凈空氣中，將傳感器從檢測裝置上取下，只將檢測裝置連接到功率計上，給檢測裝置施加傳感器額定工作電壓，待功率計顯示的功率值穩(wěn)定后，讀取檢測裝置的功率值W0。將傳感器安裝在檢測裝置上，再將檢測裝置連接到功率計上，給檢測裝置施加傳感器額定工作電壓，待功率計顯示的功率值穩(wěn)定后，讀取功率值W0C，按式（1）計算傳感器的功率WC。3DB32/T4894—2024WC=W0C-W0…………（1）式中：WC——待測傳感器的功率；W0C——傳感器和檢測裝置的功率；W0——檢測裝置的功率。5.2傳感器最低檢測濃度將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，記錄檢測裝置在潔凈空氣中的輸出信號值V0，注入試驗氣體，使測試箱內的氣體濃度達到傳感器標識檢測下限濃度，并開始計時，保持3min，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值Vs，并每隔5s讀取一次輸出信號值Vsi，共讀取10次，計算標準偏差Vr。逐漸增加測試箱內的氣體濃度，直至︱Vs-V0︱≥3Vr，此時測試箱內的氣體濃度即為傳感器最低檢測濃度。注：試驗氣體需與傳感器檢測氣體一致，氣體種類包括但不限于甲烷、一氧化碳、硫化氫、氮氧化物等無機氣體，以及烴類、醇、醚、酯、酸等揮發(fā)性有機氣體。若為揮發(fā)性有機氣體，可注入對應液體。5.3傳感器靈敏度將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，記錄檢測裝置在潔凈空氣中的零點輸出信號值V0，注入試驗氣體，使測試箱內的氣體濃度達到傳感器標識測量范圍上限值的50%（氣體濃度可根據用戶或制造商要求，選擇傳感器測量范圍內的1個或多個典型濃度并開始計時，保持3min，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值Vs。按公式（2）計算傳感器的靈敏度M。此靈敏度作為后續(xù)試驗的基準（未做特殊說明時，后續(xù)試驗中的靈敏度直接引用本數(shù)據）?！?）式中：M——傳感器靈敏度；Vs——試驗氣體測試時檢測裝置輸出信號值；V0——零點輸出信號值；C——試驗氣體的濃度。5.4傳感器示值誤差將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，記錄檢測裝置在潔凈空氣中的零點輸出信號值V0，注入試驗氣體，使測試箱內的氣體濃度達到規(guī)定濃度并開始計時，保持3min，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值Vs。通過輸出信號值與傳感器響應曲線上的對應值，計算傳感器示值誤差。注：規(guī)定濃度為傳感器響應曲線上均勻分布的兩點及以上，傳感器響應曲線由傳感器制造商提供。5.5響應時間與恢復時間將傳感器及其檢測裝置放置于潔凈空氣中，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值V0，通入傳感器標識測量范圍上限50%的試驗氣體，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值Vs。計算VT90=V0+0.9×（Vs-V0）和VT10=V0+0.1×（Vs-V0）。將傳感器及其檢測裝置放置在潔凈空氣中，待穩(wěn)定后，重新迅速通入上述試驗氣體并開始計時，記錄檢測裝置輸出信號值達到VT90的時間，該時間段為響應時間（T90與響應時間測試方法相同，待傳感器在試驗氣體濃度下達到穩(wěn)定值后，將傳感器及其檢測裝置迅速放置于潔凈空氣中并開始計時，記錄檢測裝置輸出信號值達到VT10的時間，該時間段為恢復時間（T10）。注：對于有曲線輸出的傳感器檢測裝置，也可直接讀取輸出曲線上信號值從開始上升到VT90的時間即為響應時間，從開始下降到VT10的時間即為恢復時間。4DB32/T4894—20245.6漂移將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，記錄零點輸出信號值Z0，向測試箱中注入試驗氣體，使箱內的氣體濃度達到傳感器標識測量范圍上限值的50%，保持3min，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值S0。打開測試箱門，排空箱內氣體。每隔24h重復注樣、記錄Zi和Si、排空步驟，共檢測7d。按式（3）計算零點漂移，取絕對值最大的Δz作為傳感器的零點漂移?！?）按式（4）計算靈敏度漂移，取絕對值最大的Δs作為傳感器的靈敏度漂移。×100%…………（4）式中：Δz——零點漂移；Zi——第i次零點輸出信號值；Z0——初次零點輸出信號值；M——傳感器靈敏度；Δs——靈敏度漂移；i——第i次試驗氣體測試時檢測裝置輸出信號值；S0——初次試驗氣體測試時檢測裝置輸出信號值。5.7抗干擾氣體性能按照5.3方法測試，記錄檢測裝置在潔凈空氣中的輸出信號值V0和試驗氣體中的輸出信號值Vs。將測試箱內試驗氣體排凈，使傳感器在潔凈空氣中穩(wěn)定，然后向測試箱中注入干擾氣體R，待箱內氣體濃度穩(wěn)定時開始計時，保持3min，記錄傳感器檢測裝置輸出信號值VR。按式（5）計算干擾影響因子X。測試完成后在潔凈空氣中恢復1h后再進行下一個干擾氣體測試?！?）式中：X——干擾影響因子；V0——潔凈空氣中檢測裝置輸出信號值；Vs——試驗氣體測試時檢測裝置輸出信號值；VR——干擾氣體測試時檢測裝置輸出信號值；注：干擾氣體的種類及濃度根據用戶要求或雙方協(xié)議制定。5.8抗硅中毒性能將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，向測試箱中注入六甲基二硅醚，使測試箱內濃度達到（10±3）×10-6（體積分數(shù)保持1h，然后將測試箱內氣體排凈，在潔凈空氣之中保持1h后，按5.3進行試驗。5.9耐高溫性能將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，再將測試箱放入環(huán)境試驗箱內，打開測試箱門，按小于1℃/min的升溫速率升溫至規(guī)定溫度，穩(wěn)定2h，關閉測試箱門，按5.3進行試驗。注：規(guī)定溫度指產品使用說明書中傳感器的工作溫度上限，若無要求則工業(yè)品采用55℃±2℃,民用品采用40℃±2℃。5DB32/T4894—20245.10耐低溫性能將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，再將測試箱放入環(huán)境試驗箱內，打開測試箱門，按小于1℃/min的降溫速率降溫至規(guī)定溫度，穩(wěn)定2h，關閉測試箱門，按5.3進行試驗。注：規(guī)定溫度指產品使用說明書中傳感器的工作溫度下限，若無要求則工業(yè)品采用-10℃±2℃,民用品采用0℃±2℃。5.11耐恒定濕熱性能將傳感器及其檢測裝置放置于測試箱中，再將測試箱放入環(huán)境試驗箱內，打開測試箱門，按小于1℃/min的升溫速率升溫至40℃±2℃,再以小于5%/min的速率將環(huán)境試驗箱內的相對濕度增至（93±3）%，穩(wěn)定2h，關閉測試箱門，按5.3進行試驗。5.12耐振動性能將傳感器固定在振動試驗臺上。啟動振動試驗臺，使其在10Hz~150Hz頻率范圍內，以5m/s2加速度，1oct/min的速率，分別在X、Y、Z三個軸線上各掃頻10次。試驗后，檢查傳感器外觀。然后將傳感器安裝在檢測裝置上，按5.3進行試驗。5.13耐跌落性能將非包裝狀態(tài)的傳感器從250mm的高度自由跌落到平滑、堅硬的混凝土地上，反復操作5次。試驗后，將傳感器安裝在檢測裝置上，按5.3進行試驗。5.14長期穩(wěn)定性將傳感器及其檢測裝置在潔凈空氣中連續(xù)通電3個月（測試時間可根據用戶或制造商要求）后，按5.3進行試驗。6檢測報告檢測報告內容應包括但不限于：a）樣品的描述，包括樣品名稱、型號、生產企業(yè)名稱、生產日期等；b）檢測標準；c）檢測機構的名稱、地址和檢測日期；d）檢測地點；e）檢測人員；f）委托方信息；g）所用檢測標準設備的描述，包括設備的序列號、測量范圍、校準信息；h）檢測結果及檢測照片（需要時i）試驗環(huán)境描述，包括實驗室環(huán)境和測試箱環(huán)境（需要時）等。6DB32/T4894—2024（資料性）測試箱裝置介紹與氣體配制方法A.1測試箱裝置測試箱體積應大于被檢樣品體積的3倍，箱體頂部應有氣體進樣口A，用于靜態(tài)配氣高濃度氣體輸入，頂部應有液體進樣口B，用于注樣器注入液態(tài)配氣所需液體，進樣口正下方安置液體汽化加熱片C，注樣前開啟加熱片電源，注樣后3min關閉加熱片電源，加熱片溫度應能使注樣液體汽化。箱體內部應有溫濕度傳感器D和壓力傳感器E，內置風機F可用于箱內氣體混勻。測試箱示意圖見圖A.1。外置氣體分析儀H，可用于實時監(jiān)測箱內氣體濃度。圖A.1測試箱示意圖A.2氣體配制方法靜態(tài)配氣通過向測試箱內注入高濃度標準氣體，并對箱內氣體濃度實時在線分析，實現(xiàn)精準配氣，也可采用液態(tài)揮發(fā)法產生乙醇、乙酸等有機蒸汽。根據氣體物質的量守恒定律，在相同溫濕度、壓力環(huán)境下，按照式（A.1）得到所需高濃度標準氣體體積。用氣體采樣器抽取高濃度標準氣體，注入測試箱內，同時可采用氣體分析儀實時監(jiān)控箱內氣體濃度，通過分析儀對箱內氣體的驗證，提高靜態(tài)配氣的可靠性?！ˋ.1）式中：V1——所需高濃度標準氣體體積，單位為毫升（mLV2——測試箱體積，單位為毫升（mLC2——目標氣體濃度，單位為微摩爾每摩爾(μmol/molC1——高濃度標準氣體