克服电化学气体传感的技术挑战

电化学气体传感器是一种经过验证的技术，可追溯到20世纪50年代，当时它们被开发用于氧气监测。该技术的首批应用之一是葡萄糖生物传感器，用于测量葡萄糖中氧气的消耗。在接下来的几十年中，该技术取得了进步，使传感器能够小型化并检测各种目标气体。

随着无处不在的传感世界的出现，许多行业出现了无数新的气体传感应用，例如汽车空气质量监测或电子鼻。不断发展的法规和安全标准导致新应用和现有应用的要求比过去更具挑战性。换句话说，未来的气体传感系统必须精确测量低得多的浓度，对目标气体更具选择性，使用电池供电运行更长时间，并在更长的时间内提供一致的性能，同时始终保持安全可靠的运行。

电化学气体传感器的优缺点

电化学气体传感器的普及可归因于其输出的线性度、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦校准到目标气体的已知浓度，测量的可重复性和准确性也非常出色。由于几十年来技术的发展，这些传感器可以为特定的气体类型提供非常好的选择性。

工业应用，例如，用于工人安全的有毒气体检测，由于其众多优点，首先使用电化学传感器。这些传感器的经济运行使区域有毒气体监测系统的部署成为可能，确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

虽然传感技术本身在不断进步，但其基本工作原理以及随之而来的缺点自电化学气体传感的早期以来就没有改变。通常，电化学传感器的保质期有限，通常为六个月至一年。传感器的老化也对其长期性能产生重大影响。传感器制造商通常规定传感器灵敏度每年可漂移高达20%。此外，即使目标气体选择性已显著提高，传感器仍然对其他气体具有交叉敏感性，从而导致测量干扰和错误读数的机会增加。它们还具有温度相关特性，必须进行内部温度补偿。

技术挑战

在设计先进的气体传感系统时需要克服的技术挑战可以分为三组，对应于系统的不同生命阶段。

首先，存在传感器制造挑战，例如制造可重复性以及传感器表征和校准。制造过程本身虽然高度自动化，但不可避免地会给每个传感器带来可变性。由于这些差异，传感器必须在生产中进行表征和校准。

其次，技术挑战存在于系统的整个生命周期中。这些包括系统架构优化;例如，考虑信号链设计或功耗。主要在工业应用中，对电磁兼容性（EMC）和功能安全合规性的高度重视会对设计成本和上市时间产生负面影响。操作条件也起着重要作用，并给保持所需的性能和使用寿命带来了挑战。这种技术的本质是电化学传感器在其使用寿命期间老化和漂移，从而导致频繁的校准或传感器更换。如果在恶劣环境中运行，则性能的这种变化会进一步加速，如本文后面所述。延长传感器的使用寿命同时保持其性能是许多应用的关键要求之一，特别是在系统拥有成本至关重要的情况下。

第三，即使采用延长其操作的技术，当性能不再满足要求并且需要更换传感器时，所有电化学传感器最终都会达到其使用寿命。有效检测报废状况是一项挑战，如果克服这一挑战，可以通过减少不必要的传感器更换来大幅降低成本。通过更进一步，预测传感器何时会发生故障，可以进一步降低气体传感系统的运营成本。

在所有气体传感应用中，电化学气体传感器的利用率都在增加，这给这些系统的物流、调试和维护带来了挑战，从而导致总拥有成本增加。因此，采用具有诊断功能的特定应用模拟前端来减少技术缺点的影响，主要是传感器寿命有限，以确保气体传感系统的长期可持续性和可靠性。

信号链集成降低了设计复杂性

传统信号链的复杂性（在大多数情况下是使用独立的模数转换器、放大器和其他构建模块设计的）迫使设计人员在功率效率、测量精度或信号链消耗的PCB面积上做出妥协。

这种设计挑战的一个例子是具有多气体配置的仪器，它可以测量几种目标气体。每个传感器可能需要不同的偏置电压才能正常工作。此外，每个传感器的灵敏度可能不同，因此必须调整放大器的增益以最大限度地提高信号链性能。对于设计人员来说，仅这两个因素就增加了可配置测量通道的设计复杂性，该通道无需更改BOM或原理图即可与不同的传感器接口。单个测量通道的简化框图如图1所示。

就像在任何其他电子系统中一样，集成是进化中的合乎逻辑的步骤，可以设计出更高效、更强大的解决方案。集成的单芯片气体检测信号链简化了系统设计，例如，集成了TIA（跨阻放大器）增益电阻，或采用数模转换器作为传感器偏置电压源（如图2所示）。由于信号链集成，测量通道可以通过软件完全配置，以与许多不同的电化学传感器类型接口，同时降低设计的复杂性。此外，这种集成信号链的功率要求也明显较低，这对于电池寿命是关键考虑因素的应用至关重要。最后，由于降低了信号链的噪声水平，并且可能利用具有更好性能的信号处理元件（例如TIA或ADC），测量精度得到了提高。

回顾一下多气体仪器的例子，由于信号链集成，可以：

实现 完全 可 配置 的 测量 通道， 同时 降低 信号 链 的 复杂 性， 从而 轻松 重 用 单 个 信号 链 设计

减少信号链消耗的 PCB 面积

降低功耗

提高测量精度

在本系列的第二部分中，我们将解决电化学气体传感器的基本缺点（在其使用寿命期间性能下降）以及EMC系统级问题。

审核编辑：郭婷