克服電化學(xué)氣體傳感的技術(shù)挑戰(zhàn)

電化學(xué)氣體傳感器是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，可追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)它們被開(kāi)發(fā)用于氧氣監(jiān)測(cè)。該技術(shù)的首批應(yīng)用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測(cè)量葡萄糖中氧氣的消耗。在接下來(lái)的幾十年中，該技術(shù)取得了進(jìn)步，使傳感器能夠小型化并檢測(cè)各種目標(biāo)氣體。

隨著無(wú)處不在的傳感世界的出現(xiàn)，許多行業(yè)出現(xiàn)了無(wú)數(shù)新的氣體傳感應(yīng)用，例如汽車空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)或電子鼻。不斷發(fā)展的法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致新應(yīng)用和現(xiàn)有應(yīng)用的要求比過(guò)去更具挑戰(zhàn)性。換句話說(shuō)，未來(lái)的氣體傳感系統(tǒng)必須精確測(cè)量低得多的濃度，對(duì)目標(biāo)氣體更具選擇性，使用電池供電運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，并在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供一致的性能，同時(shí)始終保持安全可靠的運(yùn)行。

電化學(xué)氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

電化學(xué)氣體傳感器的普及可歸因于其輸出的線性度、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦校準(zhǔn)到目標(biāo)氣體的已知濃度，測(cè)量的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性也非常出色。由于幾十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，這些傳感器可以為特定的氣體類型提供非常好的選擇性。

工業(yè)應(yīng)用，例如，用于工人安全的有毒氣體檢測(cè)，由于其眾多優(yōu)點(diǎn)，首先使用電化學(xué)傳感器。這些傳感器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行使區(qū)域有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署成為可能，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

雖然傳感技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但其基本工作原理以及隨之而來(lái)的缺點(diǎn)自電化學(xué)氣體傳感的早期以來(lái)就沒(méi)有改變。通常，電化學(xué)傳感器的保質(zhì)期有限，通常為六個(gè)月至一年。傳感器的老化也對(duì)其長(zhǎng)期性能產(chǎn)生重大影響。傳感器制造商通常規(guī)定傳感器靈敏度每年可漂移高達(dá)20%。此外，即使目標(biāo)氣體選擇性已顯著提高，傳感器仍然對(duì)其他氣體具有交叉敏感性，從而導(dǎo)致測(cè)量干擾和錯(cuò)誤讀數(shù)的機(jī)會(huì)增加。它們還具有溫度相關(guān)特性，必須進(jìn)行內(nèi)部溫度補(bǔ)償。

技術(shù)挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)先進(jìn)的氣體傳感系統(tǒng)時(shí)需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)可以分為三組，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的不同生命階段。

首先，存在傳感器制造挑戰(zhàn)，例如制造可重復(fù)性以及傳感器表征和校準(zhǔn)。制造過(guò)程本身雖然高度自動(dòng)化，但不可避免地會(huì)給每個(gè)傳感器帶來(lái)可變性。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)中進(jìn)行表征和校準(zhǔn)。

其次，技術(shù)挑戰(zhàn)存在于系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中。這些包括系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化;例如，考慮信號(hào)鏈設(shè)計(jì)或功耗。主要在工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)電磁兼容性（EMC）和功能安全合規(guī)性的高度重視會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。操作條件也起著重要作用，并給保持所需的性能和使用壽命帶來(lái)了挑戰(zhàn)。這種技術(shù)的本質(zhì)是電化學(xué)傳感器在其使用壽命期間老化和漂移，從而導(dǎo)致頻繁的校準(zhǔn)或傳感器更換。如果在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，則性能的這種變化會(huì)進(jìn)一步加速，如本文后面所述。延長(zhǎng)傳感器的使用壽命同時(shí)保持其性能是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求之一，特別是在系統(tǒng)擁有成本至關(guān)重要的情況下。

第三，即使采用延長(zhǎng)其操作的技術(shù)，當(dāng)性能不再滿足要求并且需要更換傳感器時(shí)，所有電化學(xué)傳感器最終都會(huì)達(dá)到其使用壽命。有效檢測(cè)報(bào)廢狀況是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，如果克服這一挑戰(zhàn)，可以通過(guò)減少不必要的傳感器更換來(lái)大幅降低成本。通過(guò)更進(jìn)一步，預(yù)測(cè)傳感器何時(shí)會(huì)發(fā)生故障，可以進(jìn)一步降低氣體傳感系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。

在所有氣體傳感應(yīng)用中，電化學(xué)氣體傳感器的利用率都在增加，這給這些系統(tǒng)的物流、調(diào)試和維護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致總擁有成本增加。因此，采用具有診斷功能的特定應(yīng)用模擬前端來(lái)減少技術(shù)缺點(diǎn)的影響，主要是傳感器壽命有限，以確保氣體傳感系統(tǒng)的長(zhǎng)期可持續(xù)性和可靠性。

信號(hào)鏈集成降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性

傳統(tǒng)信號(hào)鏈的復(fù)雜性（在大多數(shù)情況下是使用獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器和其他構(gòu)建模塊設(shè)計(jì)的）迫使設(shè)計(jì)人員在功率效率、測(cè)量精度或信號(hào)鏈消耗的PCB面積上做出妥協(xié)。

這種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的一個(gè)例子是具有多氣體配置的儀器，它可以測(cè)量幾種目標(biāo)氣體。每個(gè)傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常工作。此外，每個(gè)傳感器的靈敏度可能不同，因此必須調(diào)整放大器的增益以最大限度地提高信號(hào)鏈性能。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，僅這兩個(gè)因素就增加了可配置測(cè)量通道的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，該通道無(wú)需更改BOM或原理圖即可與不同的傳感器接口。單個(gè)測(cè)量通道的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

就像在任何其他電子系統(tǒng)中一樣，集成是進(jìn)化中的合乎邏輯的步驟，可以設(shè)計(jì)出更高效、更強(qiáng)大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測(cè)信號(hào)鏈簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如，集成了TIA（跨阻放大器）增益電阻，或采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為傳感器偏置電壓源（如圖2所示）。由于信號(hào)鏈集成，測(cè)量通道可以通過(guò)軟件完全配置，以與許多不同的電化學(xué)傳感器類型接口，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，這種集成信號(hào)鏈的功率要求也明顯較低，這對(duì)于電池壽命是關(guān)鍵考慮因素的應(yīng)用至關(guān)重要。最后，由于降低了信號(hào)鏈的噪聲水平，并且可能利用具有更好性能的信號(hào)處理元件（例如TIA或ADC），測(cè)量精度得到了提高。

回顧一下多氣體儀器的例子，由于信號(hào)鏈集成，可以：

實(shí)現(xiàn) 完全 可 配置 的 測(cè)量 通道， 同時(shí) 降低 信號(hào) 鏈 的 復(fù)雜 性， 從而 輕松 重 用 單 個(gè) 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì)

減少信號(hào)鏈消耗的 PCB 面積

降低功耗

提高測(cè)量精度

在本系列的第二部分中，我們將解決電化學(xué)氣體傳感器的基本缺點(diǎn)（在其使用壽命期間性能下降）以及EMC系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。

審核編輯：郭婷