[发明专利]高精度薄膜电阻氢气传感器标校装置及标校方法

说明书

本发明公开了一种高精度薄膜电阻氢气传感器标校装置，包括相互通气连接的气体流量控制器和恒温气氛测试腔以及用于为恒温气氛测试腔控制温度的温度控制器和用于测试输出电阻的电阻仪。本发明公开了一种高精度薄膜电阻氢气传感器标校装置采用的标校方法，包括获取温度特性曲线和获取氢气响应特性曲线。通过本发明可任意调节标准气体浓度值和流量，浓度调节范围宽精度高，标定氢气浓度标校曲线时可以极大降低外界温度干扰以及气体流动对标校的影响，从而确保准确获取传感单元输出电阻和氢气浓度标准值对应关系，便于准确分析薄膜电阻氢气传感器的各项静态指标；通过本发明还可以获取薄膜电阻氢气传感器的温度标校曲线。

技术领域

本发明涉及一种氢气传感器标校装置及标校方法，尤其涉及一种为准确获取薄膜电阻型氢气传感器氢气感应电阻变化值与标准氢气浓度值对应关系而设计的高精度薄膜电阻氢气传感器标校装置及标校方法。

背景技术

氢气传感器种类繁多，不同种类传感器特性各异，因此各有优缺点。其中伴随半导体制备工艺成熟和后处理工艺不断完善，迅速发展起来一种薄膜电阻氢气传感器。

薄膜电阻氢气传感器的主要工作原理是当传感器暴露在氢气中，氢气吸附、渗透会使传感器中氢敏材料敏感层电阻变大，当传感器从氢气中移开，氢气会脱离氢敏材料，使氢敏电阻降低并恢复到零点电阻。由于其具有微型体积、量程大、重复性好、后端测试设备和测试技术成熟等优点具有很好的工程应用前景，但同时它具有强的非线性、温度敏感性等特性，这些特性使得国家标准中的气氛传感器标校方法不适用，因此薄膜电阻氢气传感器的标校一直是个难题。因为传感器标校方法直接关系到传感器的测量精度和标校准确性，为此针对其主要特性设计了专用标校装置，并研究了标校方法极大地提高了标校精度。

传感器的标定，就是通过实验建立起传感器输入量和输出量之间的关系，同时也可以确定出不同使用条件下的误差关系获得其静态特性。传感器的静态特性，具体讲主要指通过一系列实验数据描绘出传感器输入量和输出量之间的标定曲线，从中可以分析出重要静态特性指标，如线性度、迟滞误差、重复性误差和精度、灵敏度等。

从计量学的角度看，测量误差具有相当严格的定义，它表征了测量值与实际值之间的差异，一般无法直接获得实际测量值，但可以通过采用适当的标准值并利用统计学加以估算。通常方法是采用精度比设计指标高的装置作为标准值输出装置，比如计量部门一般先选定传感器工作范围内3～5个值，然后根据它们选用已配置好浓度的高纯气瓶在室温下给被测传感器提供标准氢气浓度值，依据传感器输出值来对传感器进行标定。这种传统方法仅适用于线性度高、响应速度快、温度不敏感的传感器，对薄膜电阻氢气传感器来说，主要存在3方面严重缺陷：1)统计样本数量远远不够，传感器较大的非线性性会引起极大的标校误差，采用此方法获取的标校曲线的标校精度低，因此也会给传感器测试带来极大的测量误差；2)室温下进行标定实验环境温度波动较大，针对薄膜电阻氢气传感器这类温度敏感性高的传感器，环境温度波动引起的测量误差甚至远远超过氢气响应本底值；3)此外，除静态指标外，传感器的响应时间、响应速度、气体选择性、温度特性等其他特性也无法通过标校实验装置来获取，还需要其他装置和实验来完成。基于以上原因，针对薄膜电阻氢气传感器设计的专用高精度标校装置和标校方法，对其各项性能和校准曲线的准确获取具有重要意义。

综上所述，由于薄膜电阻氢气传感器的传感芯片一般选用钯基合金做氢敏材料，具有良好的可逆性和气体选择性，但氢敏电阻值与外界氢气浓度值具有强的非线性关系，并且氢敏电阻值不但随氢气浓度变化还随外界温度值发生变化，温度灵敏度甚至高于氢气灵敏度，因此标校时必须降低温度和氢气浓度的耦合关系来提高标校精度，分别标定出氢气浓度和温度对传感器的响应曲线后，再采用温度补偿的方法便可极大提高氢气传感器标校及测量精度；但传统标校装置及标校方法方法均无法实现此目的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高精度薄膜电阻氢气传感器标校装置及标校方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：