DB32T-微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法編制說明

PAGE7《微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法》編制說明一、目的意義隨著人們對安全防控、環(huán)境監(jiān)測、健康管理越來越重視，氣體傳感器已成為生產(chǎn)和生活不可或缺的一部分。半導(dǎo)體式氣體傳感器是研究最早、應(yīng)用最廣的一種氣體傳感器?；谖C電系統(tǒng)（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）工藝的半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)是目前半導(dǎo)體氣體傳感器發(fā)展的趨勢，它不僅繼承了傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器高靈敏度、低成本、敏感材料多樣性的優(yōu)勢，還通過MEMS工藝技術(shù)大大減小了傳感器的體積、功耗，可以更好地適用于小型化和微型化器件的大規(guī)模生產(chǎn)，能夠有效提升傳感器的實用性。而且，借助于MEMS技術(shù)可以集成多個不同的傳感器組成傳感器陣列，結(jié)合算法進行擬合分析，可以改善器件整體的選擇性，克服了單個半導(dǎo)體傳感器選擇性差，不能用于混合氣體檢測的缺點?；谄鋬?yōu)點，MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢也逐漸顯露。目前應(yīng)用較多的為智能家電，如集成在燃氣熱水器、空氣凈化器、空調(diào)等家用電器中，用于家居環(huán)境中各種氣體的監(jiān)測；還有應(yīng)用于“電子鼻”中，用于泄漏監(jiān)測、臭味或異味監(jiān)測；另外，隨著健康管理的觀念逐漸深入人心，通過監(jiān)測人體呼出氣體的特定成分來反映或預(yù)警人體的健康狀態(tài)近幾年深受研究學(xué)者和體外診斷醫(yī)療企業(yè)的青睞，MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器在這方面的應(yīng)用潛力巨大。江蘇省是全國MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)基地之一，聚集了大量MEMS智能傳感器研究、生產(chǎn)、應(yīng)用企業(yè)，MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器企業(yè)也融入其中。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器應(yīng)用的增多，產(chǎn)品的檢測需求也隨之增多。然而，國內(nèi)外卻沒有針對MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測方法，本項目在于研究制定MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測方法，形成統(tǒng)一的、具有普遍適用性的檢測標準，促進提升MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量，突出產(chǎn)品優(yōu)勢，提高產(chǎn)品市場認可度，促進行業(yè)健康快速發(fā)展。二、任務(wù)來源2022年江蘇省市場監(jiān)管局地方標準制定項目，序號240《微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法》，推薦單位為江蘇省納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會，承擔(dān)單位為蘇州市計量測試院，參與單位為蘇州慧聞納米科技有限公司。三、編制過程1．成立起草小組（2022年7月）根據(jù)“關(guān)于2022年度江蘇省地方標準立項的公示”，在江蘇省市場監(jiān)督管理局領(lǐng)導(dǎo)下，江蘇省納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會組織協(xié)調(diào)下，成立了由蘇州市計量測試院為牽頭單位，蘇州慧聞納米科技有限公司等相關(guān)單位為協(xié)作單位的標準工作組，負責(zé)標準的調(diào)研、起草、編制和修改。2．組織調(diào)查研究（2022年8月-2022年10月）為了更好的做好地方標準編制工作，讓標準能夠適合全省范圍內(nèi)使用，標準工作組工作人員對多家傳感器企業(yè)進行了走訪調(diào)研，并參考類似和相關(guān)的國家標準針對氣體傳感器的主要技術(shù)要求，深入研究、綜合分析、試驗驗證。3．編制標準草案（2022年11月-2023年3月）依據(jù)相關(guān)法律、法規(guī)、政策，收集、整理全省的相關(guān)標準、文件和資料，依托江蘇省納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會的技術(shù)支撐，由標準工作組工作人員根據(jù)前期調(diào)研、分析結(jié)果，進行標準初期編制，完成相關(guān)標準驗證實驗，編寫出“微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法”地方標準草案。4．標準征求意見（2023年4月-2023年5月）標準草案稿編制完成后，標準工作組在蘇州召開了標準稿件的征求意見研討，會議上收集整理各相關(guān)單位提出的意見建議，進行整理和修改了標準草案，此后，發(fā)布標準正式征求意見稿，在全省范圍內(nèi)征求各有關(guān)方的意見。征求意見函共發(fā)送的單位數(shù)35個，回函并有建議或意見的單位數(shù)17個，回函無建議單位數(shù)14個。5．征求意見處理，召開預(yù)評審會完成送審稿（2023年5月-2023年6月）標準起草小組匯總征求意見，整理“標準征求意見表”，并召開研討會討論征求意見回復(fù)及完成草案修改。組織標準預(yù)評審會對修改后的草案進行進一步格式檢測及內(nèi)容確認，形成標準送審稿。6．標準審查（2024年8月）2024年8月16日，江蘇省市場監(jiān)督管理局在南京組織召開了《微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法》地方標準審查會。共有來自中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、江蘇省計量科學(xué)研究院、江蘇省質(zhì)量和標準化研究院、東南大學(xué)、蘇州大學(xué)、霍尼韋爾傳感控制（中國）有限公司、翼捷安全設(shè)備（昆山）有限公司等7位專家參加了審查，專家聽取了標準編制單位匯報，經(jīng)質(zhì)詢與討論，達成了一致意見。審查專家組對標準整體進行了評價，認為本標準文本撰寫清晰、合理，審查通過，建議按照修改意見修改后，進入下一階段。7.根據(jù)專家意見修改完善，完成報批稿（2024年8月）標準起草小組根據(jù)標準審查會的專家意見修改完善形成了《微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法》報批稿。四、主要內(nèi)容技術(shù)指標確定為規(guī)范微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法，提升產(chǎn)品質(zhì)量，本標準主要包括微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測條件和檢測方法，標準具體結(jié)構(gòu)框架如下：1．第一章規(guī)定了標準的適用范圍。本文件規(guī)定了微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測的試驗條件、檢測方法和檢測報告。本文件適用于微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測。2．第二章列出了規(guī)范引用文件。主要包括GB/T34004-2017《家用和小型餐飲廚房用燃氣報警器及傳感器》、GB/T7665-2005《傳感器通用術(shù)語》、GB/T26111-2023《微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)術(shù)語》等。3．第三章對標準中出現(xiàn)的重要術(shù)語給出了定義。其中微機電系統(tǒng)引用自GB/T26111-2023，半導(dǎo)體氣體傳感器引用自GB/T7665-2005，傳感器檢測裝置引用自GB/T34004-2017。4．第四章提出了微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測的試驗條件，包括環(huán)境條件、試驗設(shè)備和樣品準備。1）環(huán)境條件參考了其他傳感器標準GB/T34004-2017、JB/T13109-2017、JB/T13999-2020，選取了較為寬泛的環(huán)境條件，為保證試驗過程中傳感器測試的一致性，規(guī)定了試驗過程中溫度波動不應(yīng)超過±2℃，濕度波動不應(yīng)超過±5%RH。2）試驗設(shè)備列入了測試箱，試驗時傳感器放置在測試箱內(nèi)，然后測試箱內(nèi)利用靜態(tài)配氣原理充滿試驗氣體，以檢測傳感器在試驗氣體中的信號輸出。因靜態(tài)配氣能更好的模擬傳感器的實際使用環(huán)境，且傳感器體積非常小，易受氣流沖擊影響，利用動態(tài)配氣原理配制的試驗氣體氣流較大，會影響傳感器的對試驗氣體的響應(yīng)，因此標準采用靜態(tài)配氣方法進行測試。3）樣品準備列出了樣品測試前的準備工作，因傳感器需要充分預(yù)熱后才能測試，且不同的傳感器預(yù)熱時間不同，因此明確了待試驗的樣品應(yīng)在規(guī)定的環(huán)境條件下通電預(yù)熱后方可進行檢測，預(yù)熱時間以產(chǎn)品使用說明書為準；又因傳感器需要配套的檢測裝置才能正常工作以及讀取輸出信號，因此傳感器送檢同時提供檢測裝置，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。5．第五章詳細規(guī)定了微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測參數(shù)及檢測方法。1）功率、最低檢測濃度及靈敏度MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的優(yōu)點有功耗低、檢出限低、靈敏度高等。針對以上特點，標準中設(shè)置了功率、最低檢測濃度、靈敏度參數(shù)，以體現(xiàn)MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器特有性質(zhì)及優(yōu)勢。在功率的檢測方法中，因傳感器體積非常小，不便于接入功率計進行檢測，因此試驗時將傳感器安裝在檢測裝置上，用功率計檢測傳感器+檢測裝置的功率，然后再測出檢測裝置的功率，兩者相減即為傳感器的功率。傳感器最低檢測濃度主要針對傳感器標識的最低檢測濃度進行驗證，首先讀取傳感器在潔凈空氣中的信號值V0，然后讀取傳感器在試驗氣體（濃度為其標識的檢測下限濃度）中的輸出信號值Vs，并取穩(wěn)定后的10次信號值Vsi計算標準偏差Vr，若︱Vs-V0︱≥3Vr，則傳感器最低檢測濃度即為其標識的檢測下限濃度，若︱Vs-V0︱＜3Vr，增加試驗氣體的濃度直至︱Vs-V0︱≥3Vr，此時試驗氣體的濃度即為傳感器最低檢測濃度。靈敏度采用了氣體傳感器靈敏度通用檢測方法，主要參照JB/T13109-2017。2）示值誤差、響應(yīng)時間與恢復(fù)時間、漂移此3項參數(shù)為氣體傳感器的常規(guī)檢測參數(shù)，反映的是氣體傳感器的基本性能。因標準中測試時讀取的是傳感器的原始輸出信號值（電壓、電阻等），因此示值誤差計算時需要借助傳感器響應(yīng)曲線（制造商提供），將輸出信號值轉(zhuǎn)化為濃度值，才能計算示值誤差。響應(yīng)時間與恢復(fù)時間采用常規(guī)計算方法T90及T10，可手動讀取，也可從輸出信號曲線上讀取。漂移的檢測方法主要參考JB/T13109-2017和JB/T13999-2020等。3）抗干擾氣體性能、抗硅中毒性能MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的缺點主要有選擇性差，易中毒等。標準中通過將傳感器暴露在已知或使用方要求的干擾氣體中計算干擾影響因子，暴露在毒性氣體（六甲基二硅醚）中，測試傳感器暴露后的靈敏度變化情況，檢驗傳感器的抗干擾氣體性能、抗中毒性能，對制造商在傳感器的性能改善方面具有重要的指導(dǎo)意義。檢測方法主要參考GB/T34004-2017和GB15322.1-2019等。4）耐溫濕度性能、耐振動、跌落性能、長期穩(wěn)定性除了常規(guī)條件下的性能檢測，標準還參考了GB/T34004-2017、JB/T13109-2017、JB/T13999-2020、GB12358-2006、GB15322.1-2019等，引入了耐溫濕度性能、耐振動、跌落性能、長期穩(wěn)定性試驗等，用以模擬實際使用時MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器需要耐受的各種環(huán)境條件，保證傳感器在各種條件下性能的正常發(fā)揮。6．第六章規(guī)定了檢測報告的內(nèi)容。7．附錄部分主要給出了測試箱示意圖及測試箱內(nèi)氣體濃度的計算方法。五、與相關(guān)法律法規(guī)和國家標準的關(guān)系本標準與現(xiàn)行有關(guān)法律法規(guī)和強制性標準相協(xié)調(diào)一致。目前國內(nèi)外針對微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測沒有相關(guān)的標準，文件編制格式嚴格遵循GB/T1.1—2020的要求，主要參考了GB/T34004-2017《家用和小型餐飲廚房用燃氣報警器及傳感器》、GB/T7665-2005《傳感器通用術(shù)語》、GB/T26111-2023《微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)術(shù)語》、JB/T13109-2017《催化燃燒式氣體傳感器》、JB/T13999-2020《電化學(xué)VOCs氣體傳感器》、GB12358-2006《作業(yè)場所環(huán)境氣體檢測報警儀通用技術(shù)要求》、GB15322.1-2019《可燃氣體探測器第1部分：工業(yè)及商業(yè)用途點型可燃氣體探測器》等標準，結(jié)合本團隊試驗結(jié)果，針對性的編制了微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器性能檢測方法。六、重大分歧意見的處理過程和依據(jù)本標準編制過程中無重大分歧意見。標準編制組與行業(yè)專家經(jīng)過多次研討，積極采納了所提出的修改建議，最終形成報批稿。七、實施推廣建議本標準可普遍應(yīng)用于MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器的性能檢測，包括用于安全防護的各類氣體傳感器、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測用低濃度氣體傳感器、氫燃料電池汽車用氫氣傳感器、電子潔凈廠房內(nèi)痕量氣體傳感器等。前期選擇省內(nèi)MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器生產(chǎn)企業(yè)開展標準宣貫工作，幫助其提升產(chǎn)品質(zhì)量，獲取市場競爭優(yōu)勢，逐步覆蓋至全國MEMS半導(dǎo)體氣體傳感器生產(chǎn)企業(yè)，以促進產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。八、起草人員信息及分工本標準承擔(dān)單位為蘇州市計量測試院，參與單位為蘇州慧聞納米科技有限公司。起草小組人員和信息如下：姓名工作單位職稱/職務(wù)分工史蘇娟蘇州市計量測試院研究員級高級工程師標準起草負責(zé)人，組織標準起草工作，總體負責(zé)標準審定撰寫，組織標準審查、報批等工作方丹蘇州市計量測試院高級工程師組織推進標準制定程序和進度，負責(zé)協(xié)調(diào)標準定制過程中所需資源，協(xié)助標準審查、報批等工作耿彥紅蘇州市計量測試院高級工程師組織討論標準編寫思路，確定標準制定框架，開展標準的實驗驗證王瑞蘇州市計量