模擬前端設計增強電化學傳感性能

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）目前應用的傳感器里以半導體技術(shù)、電化學技術(shù)和光學技術(shù)為主。電化學技術(shù)是利用待測物的電化學性質(zhì)，將待測物化學量轉(zhuǎn)變成電學量進行傳感檢測的一項技術(shù)。

電化學傳感很早之前就被用來檢測氣體，在環(huán)保檢測應用廣泛。隨著電化學傳感在材料、傳感技術(shù)、硬件設計上的進步，以及物聯(lián)網(wǎng)趨勢席卷各行各業(yè)，其應用場景逐步增多，在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療領域展示出了極高的應用價值。

電化學傳感——氣體、離子和生物傳感

將電化學傳感根據(jù)檢測對象的不同分為氣體傳感器、離子傳感器和生物傳感器。電化學離子傳感器即可以用來測定許多陰、陽離子及有機物，一般是用來檢測各種液體或溶于液體中的污染物離子成分，不過部分電化學離子傳感也能用于檢測氣體污染物。比較典型的應用就是使用電化學離子傳感器測定PH值和氟含量。

電化學氣體傳感，廣泛應用在水質(zhì)檢測、大氣監(jiān)測中的傳感器類型，比半導體技術(shù)路線、催化燃燒技術(shù)路線、紅外線技術(shù)路線在實際應用中展現(xiàn)出了良好的敏感性與選擇性，在多氣體監(jiān)測中起到了至關(guān)重要的作用。電化學氣體傳感器通過催化被測氣體，在電極表面發(fā)生氧化還原反應進而產(chǎn)生電流，通過測試電流的大小即可判定被測氣體濃度的高低。

電化學氣體傳感在靈敏度、響應恢復、重復性上一直都還不錯，成熟度很高，一直被人詬病是其使用壽命和對其他氣體的交叉敏感問題，隨著傳感元件技術(shù)的不斷發(fā)展和催化劑種類、電解液材料的革新已經(jīng)得到了不錯的解決。目前電化學氣體傳感器基本可以用在對所有大氣污染物的檢測上。

普遍來看電化學氣體傳感的功耗都不算高，在電極表面通過化學反應產(chǎn)生的電流足以支持傳感器本身功耗，整個模組更多的功耗來自其他元件，低功耗實現(xiàn)起來比較容易。此外被測氣體會受到傳感器的擴散控制，產(chǎn)生和氣體濃度成正比的線性輸出。因此相比于其他傳感技術(shù)在輸出前要進行線性化處理，這也是電化學氣體傳感的一個優(yōu)勢。這一優(yōu)勢對傳感器完成低濃度監(jiān)測以及后續(xù)的校正都提供了便利，能夠很好地實現(xiàn)定量檢測。

電化學生物傳感器是以生物中的活性單元作為待測物，以電流、電導或電勢變化作為特征檢測信號的傳感器。它同樣利用化學反應原理，把有機物質(zhì)或者無機物質(zhì)所含的濃度、組成成分等，轉(zhuǎn)換為電信號。這一傳感在醫(yī)療領域有著非常重要的作用，生活中常見的血糖測試紙就是電化學生物傳感器。

電化學生物傳感器可以按照生物識別元件進一步劃分，如電化學免疫傳感器、電化學核酸傳感器、電化學酶生物傳感器等。生物識別元件是這類傳感器特異性檢測的關(guān)鍵，生物識別機制涉及專業(yè)的生物、醫(yī)療知識，是未來醫(yī)療領域重點發(fā)展的一類電化學傳感器。

模擬前端與電化學傳感

傳感器的設計向來都是難度較高的，既要保證傳感器信號鏈能夠同時提供精度和靈活性，還要盡可能小型化和低功耗。在污染物檢測和生物檢測中，由于測量誤差導致的漏報或誤報導致的后果還是很嚴重的。

現(xiàn)在的電化學傳感模擬前端基本都是可編程的，保證傳感器信號鏈有足夠的靈活性。在高精度方面，模擬前端可以通過高精度的激勵環(huán)路，為傳感元件提供高精度測量支持。高精度的激勵環(huán)路通過低帶寬或高帶寬的激勵信號，優(yōu)化信號鏈，降低系統(tǒng)整體噪聲水平，配合高性能的TIA或ADC，能將測量精度提高。

小結(jié)

現(xiàn)在越來越多模擬前端會集成恒電位儀、電化學阻抗譜功能和用于先進傳感器診斷的硬件加速器等等，提供給電化學傳感器更快、更精準、更可靠的支持。加之傳感元件材料的進一步擴充，電化學傳感器的功能趨于多樣化，在消費電子、工業(yè)安全、環(huán)境檢測、醫(yī)療分析等各種場景里開拓出更多的應用。