電化學氣體傳感器是一項經(jīng)過驗證的技術(shù)，其歷史可以追溯到 1950 年代，當時它們是為氧氣監(jiān)測而開發(fā)的。

電化學氣體傳感器是一項經(jīng)過驗證的技術(shù)，其歷史可以追溯到 1950 年代，當時它們是為氧氣監(jiān)測而開發(fā)的。該技術(shù)的第一個應(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)取得了進步，使傳感器能夠小型化并檢測各種目標氣體。

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)和安全標準導致對新應(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)必須準確測量低得多的濃度，對目標氣體更具選擇性，通過電池供電運行更長時間，并在更長時間內(nèi)提供一致的性能，同時始終保持安全可靠的運行。

電化學氣體傳感器的優(yōu)缺點

電化學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，一旦校準到目標氣體的已知濃度，測量的可重復性和準確性也非常出色。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，由于電化學傳感器的諸多優(yōu)勢，率先使用電化學傳感器。這些傳感器的經(jīng)濟運行支持部署區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)，確保采礦、化學工業(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)本身在不斷進步，但其基本工作原理以及隨之而來的缺點自電化學氣體傳感早期以來一直沒有改變。通常，電化學傳感器的保質(zhì)期有限，通常為六個月至一年。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 20%。此外，即使目標氣體的選擇性已顯著提高，傳感器仍然會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誤讀數(shù)的機會。它們也與溫度有關(guān)，必須進行內(nèi)部溫度補償。

技術(shù)挑戰(zhàn)

在設(shè)計先進的氣體傳感系統(tǒng)時需要克服的技術(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)，例如制造可重復性、傳感器表征和校準。制造過程本身雖然高度自動化，但不可避免地會給每個傳感器帶來可變性。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)中進行表征和校準。

其次，技術(shù)挑戰(zhàn)貫穿于系統(tǒng)的整個生命周期。其中包括系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化；例如，信號鏈設(shè)計或功耗考慮。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)性的高度重視會對設(shè)計成本和上市時間產(chǎn)生負面影響。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)是電化學傳感器在其使用壽命期間會老化和漂移，從而導致頻繁的校準或傳感器更換。如本文后面所述，如果在惡劣環(huán)境中運行，這種性能變化會進一步加速。

第三，即使在采用技術(shù)延長其工作時間后，所有電化學傳感器最終都到了使用壽命的盡頭，性能不再符合要求，需要更換傳感器。有效檢測報廢狀況是一項挑戰(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。通過更進一步，預測傳感器何時會發(fā)生故障，可以進一步降低氣體傳感系統(tǒng)的運行成本。

電化學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)試和維護帶來了挑戰(zhàn)，從而導致總擁有成本增加。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。

信號鏈集成降低了設(shè)計復雜性

傳統(tǒng)信號鏈的復雜性（在大多數(shù)情況下是用獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器和其他構(gòu)建模塊設(shè)計的）迫使設(shè)計人員在功率效率、測量精度或信號鏈消耗的 PCB 面積上做出妥協(xié)。

這種設(shè)計挑戰(zhàn)的一個例子是具有多氣體配置的儀器，它可以測量多種目標氣體。每個傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運行。此外，每個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)計人員而言，僅這兩個因素就增加了可配置測量通道的設(shè)計復雜性，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。

就像在任何其他電子系統(tǒng)中一樣，集成是進化中的一個合乎邏輯的步驟，可以設(shè)計出更高效、更強大的解決方案。集成的單芯片氣體傳感信號鏈通過例如集成 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來簡化系統(tǒng)設(shè)計。由于信號鏈集成，測量通道可以通過軟件完全配置，以與許多不同的電化學傳感器類型連接，同時降低設(shè)計的復雜性。此外，這種集成信號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，

回顧多氣體儀器的示例，由于信號鏈集成，可以：

啟用完全可配置的測量通道，同時降低信號鏈復雜性，從而輕松重用單個信號鏈設(shè)計

減少信號鏈占用的 PCB 面積

降低功耗

提高測量精度

審核編輯：郭婷