電化學(xué)氣體傳感器是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，可以追溯到 1950 年代，當(dāng)時(shí)它們是為氧氣監(jiān)測而開發(fā)的。該技術(shù)的首批應(yīng)用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖中氧氣的消耗。在接下來的幾十年里，該技術(shù)不斷進(jìn)步，使傳感器小型化并檢測各種目標(biāo)氣體。

隨著無處不在的傳感世界的到來，許多行業(yè)出現(xiàn)了無數(shù)新的氣體傳感應(yīng)用，例如汽車空氣質(zhì)量監(jiān)測或電子鼻。不斷發(fā)展的法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致對新應(yīng)用和現(xiàn)有應(yīng)用的要求比過去更具挑戰(zhàn)性。換句話說，未來的氣體傳感系統(tǒng)必須精確測量低得多的濃度，對目標(biāo)氣體更具選擇性，使用電池供電運(yùn)行更長時(shí)間，并在更長的時(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)到已知濃度的目標(biāo)氣體，測量的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性也非常出色。由于幾十年來技術(shù)的發(fā)展，這些傳感器可以為特定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）因其眾多優(yōu)點(diǎn)而率先使用電化學(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)測系統(tǒng)的部署成為可能，確保采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥等行業(yè)的員工的安全環(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的缺點(diǎn)自電化學(xué)氣體傳感的早期以來就沒有改變。通常，電化學(xué)傳感器的保質(zhì)期有限，通常為六個(gè)月到一年。傳感器的老化也會(huì)對其長期性能產(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多達(dá) 20%。此外，即使目標(biāo)氣體選擇性顯著提高，傳感器仍然受到其他氣體的交叉敏感性的影響，導(dǎo)致測量干擾和錯(cuò)誤讀數(shù)的可能性增加。它們還與溫度相關(guān)，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，對應(yīng)于系統(tǒng)的不同生命周期階段。

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)傳感器帶來可變性。由于這些差異，必須在生產(chǎn)中對傳感器進(jìn)行表征和校準(zhǔn)。

其次，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中都存在技術(shù)挑戰(zhàn)。其中包括系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化;例如，信號鏈設(shè)計(jì)或功耗考慮。主要在工業(yè)應(yīng)用中，高度重視電磁兼容性（EMC）和功能安全合規(guī)性會(huì)對設(shè)計(jì)成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。工作條件也起著重要作用，并對保持所需的性能和使用壽命提出了挑戰(zhàn)。該技術(shù)的本質(zhì)是電化學(xué)傳感器在其使用壽命期間會(huì)老化和漂移，從而導(dǎo)致頻繁校準(zhǔn)或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，則性能變化會(huì)進(jìn)一步加速，如本文后面所述。延長傳感器的使用壽命，同時(shí)保持其性能是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求之一，尤其是在系統(tǒng)擁有成本至關(guān)重要的情況下。

第三，即使采用了延長其運(yùn)行的技術(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。有效檢測報(bào)廢狀況是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，如果克服了這一挑戰(zhàn)，可以通過減少不必要的傳感器更換來大幅降低成本。通過更進(jìn)一步，預(yù)測傳感器何時(shí)發(fā)生故障，可以進(jìn)一步降低氣體傳感系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

電化學(xué)氣體傳感器在所有氣體傳感應(yīng)用中的使用率都在增加，這給這些系統(tǒng)的物流、調(diào)試和維護(hù)帶來了挑戰(zhàn)，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)用模擬前端來減少該技術(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)的長期可持續(xù)性和可靠性。

信號鏈集成降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性

傳統(tǒng)信號鏈在大多數(shù)情況下采用獨(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)，其復(fù)雜性迫使設(shè)計(jì)人員在信號鏈消耗的電源效率、測量精度或PCB面積方面做出妥協(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，該儀器可測量多種目標(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鏈性能。對于設(shè)計(jì)人員來說，僅這兩個(gè)因素就增加了可配置測量通道的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，該通道能夠與不同的傳感器接口，而無需更改BOM或原理圖。單個(gè)測量通道的簡化框圖如圖1所示。

圖1.典型的電化學(xué)氣體傳感器信號鏈（簡化）。

就像在任何其他電子系統(tǒng)中一樣，集成是進(jìn)化過程中的合乎邏輯的步驟，能夠設(shè)計(jì)更高效、更強(qiáng)大的解決方案。集成式單芯片氣體檢測信號鏈通過集成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）來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于信號鏈集成，測量通道可以通過軟件完全配置，以連接許多不同的電化學(xué)傳感器類型，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，這種集成信號鏈的功率要求也明顯較低，這對于電池壽命是關(guān)鍵考慮因素的應(yīng)用至關(guān)重要。最后，由于降低了信號鏈的噪聲水平，并可能利用性能更好的信號處理組件（如TIA或ADC），因此測量精度得到了提高。

圖2.雙通道集成氣體傳感信號鏈（簡化）。

回顧多氣體儀器的示例，由于信號鏈集成，可以：

實(shí)現(xiàn)完全可配置的測量通道，同時(shí)降低信號鏈的復(fù)雜性，從而輕松重用單個(gè)信號鏈設(shè)計(jì)

減少信號鏈消耗的PCB面積

降低功耗

提高測量精度

傳感器劣化和診斷

雖然信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并不能解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)——在其使用壽命內(nèi)性能下降。可以理解的是，這是傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)的結(jié)果。工作條件也會(huì)導(dǎo)致性能損失并加速傳感器老化。傳感器精度會(huì)降低，直到它變得不可靠并且不再適合完成其任務(wù)。在這種情況下，通常的做法是使儀器脫機(jī)并手動(dòng)檢查傳感器，這既耗時(shí)又昂貴。根據(jù)其狀況，傳感器可以重新校準(zhǔn)并再次使用，或者可能需要更換。這會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的維護(hù)成本。通過利用電化學(xué)診斷技術(shù)，可以分析傳感器的健康狀況并有效地補(bǔ)償性能變化。

導(dǎo)致性能下降的常見因素包括溫度、濕度和氣體濃度過高或電極中毒。短時(shí)間暴露在升高的溫度（超過 50°C）下通常是可以接受的。但是，在高溫下反復(fù)對傳感器施加壓力會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)蒸發(fā)并對傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，例如導(dǎo)致基線讀數(shù)偏移或響應(yīng)時(shí)間變慢。另一方面，極低的溫度（低于–30°C）會(huì)顯著降低傳感器的靈敏度和響應(yīng)能力。

到目前為止，濕度對傳感器壽命的影響最大。電化學(xué)氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60%相對濕度。環(huán)境濕度低于60%會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的電解液變干，從而影響響應(yīng)時(shí)間。另一方面，濕度高于60%會(huì)導(dǎo)致空氣中的水被吸收到傳感器中，稀釋電解液并影響傳感器的特性。此外，吸水會(huì)導(dǎo)致傳感器泄漏，可能導(dǎo)致引腳腐蝕。

上述劣化機(jī)制會(huì)影響傳感器，即使它們的大小不是極端的。換句話說，例如，電解質(zhì)耗盡是自然發(fā)生的，并導(dǎo)致傳感器老化。無論工作條件如何，老化過程都會(huì)限制傳感器的使用壽命，盡管某些 EC Sense 氣體傳感器的使用壽命可能超過 10 年。

可以使用電化學(xué)阻抗譜（EIS）或計(jì)時(shí)安培法（在觀察傳感器輸出的同時(shí)脈沖偏置電壓）等技術(shù)分析傳感器。

EIS是一種頻域分析測量，通過用正弦信號（通常是電壓）激勵(lì)電化學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行。在每個(gè)頻率下，記錄流過電化學(xué)電池的電流并用于計(jì)算電池的阻抗。然后，數(shù)據(jù)通常以奈奎斯特圖和波特圖的形式呈現(xiàn)。奈奎斯特圖顯示了復(fù)阻抗數(shù)據(jù)，其中每個(gè)頻率點(diǎn)由 x 軸上的實(shí)部和 y 軸上的虛部繪制。這種數(shù)據(jù)表示的主要缺點(diǎn)是丟失頻率信息。波特圖顯示了阻抗幅度和相位角與頻率的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)測量表明，傳感器靈敏度下降與EIS測試結(jié)果的變化之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結(jié)果，其中電化學(xué)氣體傳感器在低濕度（10% RH）和升高的溫度（40°C）下承受應(yīng)力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器定期從環(huán)境室中取出并靜置一小時(shí)。然后使用已知目標(biāo)氣體濃度進(jìn)行基線靈敏度測試和EIS測試。測試結(jié)果清楚地證明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關(guān)性。這種測量的缺點(diǎn)可能是它的長度，因?yàn)樵诘汀⒌陀贖z的頻率下獲得測量非常耗時(shí)。

圖3.在低相對濕度下加速壽命測試期間傳感器靈敏度（左圖）和阻抗（右圖）之間的相關(guān)性。

計(jì)時(shí)電流法（脈沖測試）是另一種有助于傳感器健康分析的技術(shù)。測量是通過施加疊加在傳感器偏置電壓上的電壓脈沖來完成的，同時(shí)觀察通過電化學(xué)電池的電流。脈沖幅度通常非常低（例如，1 mV）和短（例如，200 ms），因此傳感器本身不會(huì)受到干擾。這使得測試可以非常頻繁地進(jìn)行，同時(shí)保持氣體傳感儀器的正常運(yùn)行。在執(zhí)行更耗時(shí)的EIS測量之前，計(jì)時(shí)安培法可用于檢查傳感器是否物理插入設(shè)備，也可以作為傳感器性能變化的指示。傳感器對電壓脈沖的響應(yīng)示例如圖4所示。

圖4.計(jì)時(shí)安培測試的示例結(jié)果。

以前的傳感器詢問技術(shù)已經(jīng)在電化學(xué)中使用了幾十年。然而，這些測量所需的設(shè)備通常既昂貴又笨重。從實(shí)際和財(cái)務(wù)角度來看，使用這種設(shè)備根本不可能測試現(xiàn)場部署的大量氣體傳感器。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程內(nèi)置傳感器健康分析，診斷功能必須直接集成為信號鏈的一部分。

通過集成診斷，可以自主測試氣體傳感器，而無需人工交互。如果氣體傳感器在生產(chǎn)中進(jìn)行了表征，則可以將從傳感器獲得的數(shù)據(jù)與這些表征數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，并深入了解傳感器的當(dāng)前狀況。然后，將使用智能算法來補(bǔ)償傳感器靈敏度的損失。此外，記錄傳感器的歷史記錄可能會(huì)使壽命終止預(yù)后成為可能，在傳感器需要更換時(shí)提醒用戶。內(nèi)置診斷功能最終將減少氣體傳感系統(tǒng)的維護(hù)需求，并延長傳感器的使用壽命。

工業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

特別是在工業(yè)環(huán)境中，安全性和可靠性至關(guān)重要。嚴(yán)格的法規(guī)已到位，以確保氣體傳感系統(tǒng)滿足這些要求，并在化工廠等惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行時(shí)保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性（EMC）是不同電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行的能力，沒有相互干擾。例如，EMC中涉及的測試是輻射發(fā)射或輻射抗擾度。雖然輻射測試研究系統(tǒng)的不需要的排放以幫助減少它們，但輻射抗擾度測試檢查系統(tǒng)在存在其他系統(tǒng)干擾的情況下保持其功能的能力。

EC氣體傳感器的結(jié)構(gòu)本身會(huì)對EMC性能產(chǎn)生負(fù)面影響。傳感器電極的作用類似于天線，可以接收來自附近電子系統(tǒng)的干擾。這種影響在無線連接的氣體傳感設(shè)備（如便攜式工人安全儀器）中更為明顯。

EMC測試通常是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，最終可能需要在最終滿足要求之前迭代系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種測試大大增加了產(chǎn)品開發(fā)的成本和時(shí)間。通過使用經(jīng)過預(yù)先測試以滿足EMC要求的集成信號鏈解決方案，可以減少時(shí)間和成本支出。

另一個(gè)嚴(yán)肅的考慮因素，也是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，是功能安全。根據(jù)定義，功能安全是檢測潛在危險(xiǎn)情況，從而激活保護(hù)或糾正機(jī)制以防止任何危險(xiǎn)事件。然后，此安全功能提供的風(fēng)險(xiǎn)降低的相對水平定義為安全完整性等級（SIL）。功能安全要求自然包含在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

功能安全在工業(yè)氣體傳感應(yīng)用中的重要性通常與可能存在爆炸性或易燃?xì)怏w的環(huán)境中的安全操作有關(guān)。化工廠或采礦設(shè)施是此類應(yīng)用的一個(gè)很好的例子。為了符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)必須符合功能安全，并達(dá)到令人滿意的安全完整性水平。

ADI公司的單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，使客戶能夠設(shè)計(jì)出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統(tǒng)，ADI公司推出了ADuCM355，這是一款面向氣體檢測和水分析應(yīng)用的單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)。

ADuCM355集成了兩個(gè)電化學(xué)測量通道、一個(gè)用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個(gè)超低功耗、混合信號ARM Cortex-M3微控制器，用于運(yùn)行用戶應(yīng)用以及傳感器診斷和補(bǔ)償算法。ADuCM355的簡化功能框圖如圖5所示。??

圖5.ADuCM355的簡化功能框圖

了解市場趨勢和客戶需求有助于ADI公司設(shè)計(jì)出高度集成的片上測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

16位、400 kSPS ADC

兩個(gè)雙輸出DAC產(chǎn)生電化學(xué)電池的偏置電壓

兩個(gè)超低功耗、低噪聲恒電位儀，帶 TIA 放大器

具有高速TIA的高速12位DAC

模擬硬件加速器（波形發(fā)生器、數(shù)字傅里葉變換模塊和數(shù)字濾波器），可實(shí)現(xiàn)診斷測量

內(nèi)部溫度傳感器

26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

ADuCM355提供了克服電化學(xué)氣體檢測技術(shù)挑戰(zhàn)的方法。兩個(gè)測量通道不僅支持最常見的 3 電極氣體傳感器，還支持 4 電極傳感器配置。第四個(gè)電極用于診斷目的，或者在雙氣體傳感器的情況下，用作第二個(gè)目標(biāo)氣體的工作電極。任何恒電位儀也可以配置為休眠以降低功耗，同時(shí)保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運(yùn)行之前可能需要建立的時(shí)間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，如電化學(xué)阻抗譜和計(jì)時(shí)安培法。然后，集成微控制器可用于運(yùn)行補(bǔ)償算法、存儲校準(zhǔn)參數(shù)和運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。ADuCM355在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了EMC要求，并經(jīng)過預(yù)測試，符合EN 50270標(biāo)準(zhǔn)。

對于不需要集成微控制器的應(yīng)用，還提供僅前端版本AD5940。

結(jié)論

由于技術(shù)創(chuàng)新，我們現(xiàn)在擁有所有必要的知識和工具來有效應(yīng)對直到最近還阻止電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)入無處不在傳感時(shí)代的技術(shù)挑戰(zhàn)。從低成本的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測器到過程控制和工人安全應(yīng)用，信號鏈集成和內(nèi)置診斷功能將使這些傳感器得到廣泛使用，同時(shí)減少維護(hù)需求，提高精度，延長傳感器壽命并降低成本。

審核編輯：郭婷