電化學(xué)氣體傳感器是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，其歷史可以追溯到 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)的第一個(gè)應(yīng)用是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖中氧氣的消耗。在接下來的幾十年中，該技術(shù)取得了進(jìn)步，使傳感器能夠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出現(xiàn)，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)用的要求都比過去更具挑戰(zhàn)性。換言之，未來的氣體傳感系統(tǒng)必須準(zhǔn)確測量低得多的濃度，對目標(biāo)氣體更具選擇性，通過電池供電運(yùn)行更長時(shí)間，并在更長時(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、低功率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，由于電化學(xué)傳感器的諸多優(yōu)勢，率先使用電化學(xué)傳感器。這些傳感器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行支持部署區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)，確保采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥行業(yè)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)氣體傳感早期以來一直沒有改變。通常，電化學(xué)傳感器的保質(zhì)期有限，通常為六個(gè)月至一年。傳感器的老化對其長期性能也有重大影響。傳感器制造商通常指定傳感器靈敏度每年可漂移高達(dá) 20%。此外，即使目標(biāo)氣體的選擇性已顯著提高，傳感器仍會(huì)受到對其他氣體的交叉敏感性的影響，從而增加了干擾測量和錯(cuò)誤讀數(shù)的機(jī)會(huì)。它們也與溫度有關(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)的不同生命階段。

首先，存在傳感器制造挑戰(zhàn)，例如制造可重復(fù)性、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，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)貫穿于系統(tǒng)的整個(gè)生命周期。其中包括系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化；例如，信號(hào)鏈設(shè)計(jì)或功耗考慮。主要在工業(yè)應(yīng)用中，對電磁兼容性 （EMC） 和功能安全合規(guī)性的高度重視會(huì)對設(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，并為保持所需的性能和使用壽命帶來挑戰(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會(huì)老化和漂移，從而導(dǎo)致頻繁的校準(zhǔn)或傳感器更換。如本文后面所述，如果在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，這種性能變化會(huì)進(jìn)一步加速。

第三，即使在采用技術(shù)延長其工作時(shí)間后，所有電化學(xué)傳感器最終都到了使用壽命的盡頭，性能不再滿足要求，需要更換傳感器。有效檢測報(bào)廢狀況是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，如果克服這一挑戰(zhàn)，可以通過減少不必要的傳感器更換來顯著降低成本。通過更進(jìn)一步，預(yù)測傳感器何時(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)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)，從而導(dǎo)致總擁有成本增加。因此，采用具有診斷功能的專用模擬前端來減少技術(shù)缺點(diǎn)的影響，主要是有限的傳感器壽命，以確保氣體傳感系統(tǒng)的長期可持續(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)人員在電源效率、測量精度或信號(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運(yùn)行。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。對于設(shè)計(jì)人員而言，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，該測量通道能夠與不同的傳感器接口，而無需更改 BOM 或原理圖。圖 1 顯示了單個(gè)測量通道的簡化框圖。

就像在任何其他電子系統(tǒng)中一樣，集成是進(jìn)化中的一個(gè)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。集成的單芯片氣體傳感信號(hào)鏈通過例如集成 TIA（跨阻放大器）增益電阻器或采用數(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(hào)鏈集成，測量通道可以通過軟件完全配置，以與許多不同的電化學(xué)傳感器類型連接，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，這種集成信號(hào)鏈的功率要求也顯著降低，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，

回顧一下多氣體儀器的示例，由于信號(hào)鏈集成，可以：

啟用完全可配置的測量通道，同時(shí)降低信號(hào)鏈復(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)鏈占用的 PCB 面積

降低功耗

提高測量精度

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)——在其生命周期內(nèi)性能下降——以及 EMC 系統(tǒng)級(jí)問題。

審核編輯：郭婷