克服电化学气体传感的技术挑战

电化学气体传感器是一项经过验证的技术，可以追溯到 1950 年代，当时它们是为氧气监测而开发的。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。在接下来的几十年里，该技术不断进步，使传感器小型化并检测各种目标气体。

随着无处不在的传感世界的到来，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对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，一旦校准到已知浓度的目标气体，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）因其众多优点而率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，确保采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药等行业的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，通常为六个月到一年。传感器的老化也会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多达 20%。此外，即使目标气体选择性显著提高，传感器仍然受到其他气体的交叉敏感性的影响，导致测量干扰和错误读数的可能性增加。它们还与温度相关，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周期阶段。

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，必须在生产中对传感器进行表征和校准。

其次，在系统的整个生命周期中都存在技术挑战。其中包括系统架构优化;例如，信号链设计或功耗考虑。主要在工业应用中，高度重视电磁兼容性（EMC）和功能安全合规性会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用，并对保持所需的性能和使用寿命提出了挑战。该技术的本质是电化学传感器在其使用寿命期间会老化和漂移，从而导致频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行，则性能变化会进一步加速，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，尤其是在系统拥有成本至关重要的情况下。

第三，即使采用了延长其运行的技术，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，如果克服了这一挑战，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，预测传感器何时发生故障，可以进一步降低气体传感系统的运行成本。

电化学气体传感器在所有气体传感应用中的使用率都在增加，这给这些系统的物流、调试和维护带来了挑战，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该技术缺点的影响，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。

信号链集成降低设计复杂性

传统信号链在大多数情况下采用独立的模数转换器、放大器和其他构建模块设计，其复杂性迫使设计人员在信号链消耗的电源效率、测量精度或PCB面积方面做出妥协。

这种设计挑战的一个例子是具有多气体配置的仪器，该仪器可测量多种目标气体。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，该通道能够与不同的传感器接口，而无需更改BOM或原理图。单个测量通道的简化框图如图1所示。

图1.典型的电化学气体传感器信号链（简化）。

就像在任何其他电子系统中一样，集成是进化过程中的合乎逻辑的步骤，能够设计更高效、更强大的解决方案。集成式单芯片气体检测信号链通过集成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）来简化系统设计。由于信号链集成，测量通道可以通过软件完全配置，以连接许多不同的电化学传感器类型，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，并可能利用性能更好的信号处理组件（如TIA或ADC），因此测量精度得到了提高。

图2.双通道集成气体传感信号链（简化）。

回顾多气体仪器的示例，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

传感器劣化和诊断

虽然信号链集成是向前迈出的重要一步，但它本身并不能解决电化学气体传感器的根本缺点——在其使用寿命内性能下降。可以理解的是，这是传感器工作原理和结构的结果。工作条件也会导致性能损失并加速传感器老化。传感器精度会降低，直到它变得不可靠并且不再适合完成其任务。在这种情况下，通常的做法是使仪器脱机并手动检查传感器，这既耗时又昂贵。根据其状况，传感器可以重新校准并再次使用，或者可能需要更换。这会产生相当大的维护成本。通过利用电化学诊断技术，可以分析传感器的健康状况并有效地补偿性能变化。

导致性能下降的常见因素包括温度、湿度和气体浓度过高或电极中毒。短时间暴露在升高的温度（超过 50°C）下通常是可以接受的。但是，在高温下反复对传感器施加压力会导致电解质蒸发并对传感器造成不可逆转的损坏，例如导致基线读数偏移或响应时间变慢。另一方面，极低的温度（低于–30°C）会显著降低传感器的灵敏度和响应能力。

到目前为止，湿度对传感器寿命的影响最大。电化学气体传感器的理想工作条件是20°C和60%相对湿度。环境湿度低于60%会导致传感器内部的电解液变干，从而影响响应时间。另一方面，湿度高于60%会导致空气中的水被吸收到传感器中，稀释电解液并影响传感器的特性。此外，吸水会导致传感器泄漏，可能导致引脚腐蚀。

上述劣化机制会影响传感器，即使它们的大小不是极端的。换句话说，例如，电解质耗尽是自然发生的，并导致传感器老化。无论工作条件如何，老化过程都会限制传感器的使用寿命，尽管某些 EC Sense 气体传感器的使用寿命可能超过 10 年。

可以使用电化学阻抗谱（EIS）或计时安培法（在观察传感器输出的同时脉冲偏置电压）等技术分析传感器。

EIS是一种频域分析测量，通过用正弦信号（通常是电压）激励电化学系统来进行。在每个频率下，记录流过电化学电池的电流并用于计算电池的阻抗。然后，数据通常以奈奎斯特图和波特图的形式呈现。奈奎斯特图显示了复阻抗数据，其中每个频率点由 x 轴上的实部和 y 轴上的虚部绘制。这种数据表示的主要缺点是丢失频率信息。波特图显示了阻抗幅度和相位角与频率的关系。

实验测量表明，传感器灵敏度下降与EIS测试结果的变化之间存在很强的相关性。图3中的示例显示了加速寿命测试的结果，其中电化学气体传感器在低湿度（10% RH）和升高的温度（40°C）下承受应力。在整个实验过程中，传感器定期从环境室中取出并静置一小时。然后使用已知目标气体浓度进行基线灵敏度测试和EIS测试。测试结果清楚地证明了传感器灵敏度和阻抗之间的相关性。这种测量的缺点可能是它的长度，因为在低、低于Hz的频率下获得测量非常耗时。

图3.在低相对湿度下加速寿命测试期间传感器灵敏度（左图）和阻抗（右图）之间的相关性。

计时电流法（脉冲测试）是另一种有助于传感器健康分析的技术。测量是通过施加叠加在传感器偏置电压上的电压脉冲来完成的，同时观察通过电化学电池的电流。脉冲幅度通常非常低（例如，1 mV）和短（例如，200 ms），因此传感器本身不会受到干扰。这使得测试可以非常频繁地进行，同时保持气体传感仪器的正常运行。在执行更耗时的EIS测量之前，计时安培法可用于检查传感器是否物理插入设备，也可以作为传感器性能变化的指示。传感器对电压脉冲的响应示例如图4所示。

图4.计时安培测试的示例结果。

以前的传感器询问技术已经在电化学中使用了几十年。然而，这些测量所需的设备通常既昂贵又笨重。从实际和财务角度来看，使用这种设备根本不可能测试现场部署的大量气体传感器。为了实现远程内置传感器健康分析，诊断功能必须直接集成为信号链的一部分。

通过集成诊断，可以自主测试气体传感器，而无需人工交互。如果气体传感器在生产中进行了表征，则可以将从传感器获得的数据与这些表征数据集进行比较，并深入了解传感器的当前状况。然后，将使用智能算法来补偿传感器灵敏度的损失。此外，记录传感器的历史记录可能会使寿命终止预后成为可能，在传感器需要更换时提醒用户。内置诊断功能最终将减少气体传感系统的维护需求，并延长传感器的使用寿命。

工业应用的系统设计挑战

特别是在工业环境中，安全性和可靠性至关重要。严格的法规已到位，以确保气体传感系统满足这些要求，并在化工厂等恶劣的工业环境中运行时保持可靠、完整的功能。

电磁兼容性（EMC）是不同电子设备在共同的电磁环境中正常运行的能力，没有相互干扰。例如，EMC中涉及的测试是辐射发射或辐射抗扰度。虽然辐射测试研究系统的不需要的排放以帮助减少它们，但辐射抗扰度测试检查系统在存在其他系统干扰的情况下保持其功能的能力。

EC气体传感器的结构本身会对EMC性能产生负面影响。传感器电极的作用类似于天线，可以接收来自附近电子系统的干扰。这种影响在无线连接的气体传感设备（如便携式工人安全仪器）中更为明显。

EMC测试通常是一个非常耗时的过程，最终可能需要在最终满足要求之前迭代系统设计。这种测试大大增加了产品开发的成本和时间。通过使用经过预先测试以满足EMC要求的集成信号链解决方案，可以减少时间和成本支出。

另一个严肃的考虑因素，也是一个技术挑战，是功能安全。根据定义，功能安全是检测潜在危险情况，从而激活保护或纠正机制以防止任何危险事件。然后，此安全功能提供的风险降低的相对水平定义为安全完整性等级（SIL）。功能安全要求自然包含在行业标准中。

功能安全在工业气体传感应用中的重要性通常与可能存在爆炸性或易燃气体的环境中的安全操作有关。化工厂或采矿设施是此类应用的一个很好的例子。为了符合功能安全标准，系统必须符合功能安全，并达到令人满意的安全完整性水平。

ADI公司的单芯片电化学测量系统

为了应对上述挑战，使客户能够设计出更智能、更精确、更具竞争力的气体检测系统，ADI公司推出了ADuCM355，这是一款面向气体检测和水分析应用的单芯片电化学测量系统。

ADuCM355集成了两个电化学测量通道、一个用于传感器诊断的阻抗测量引擎，以及一个超低功耗、混合信号ARM Cortex-M3微控制器，用于运行用户应用以及传感器诊断和补偿算法。ADuCM355的简化功能框图如图5所示。®®

图5.ADuCM355的简化功能框图

了解市场趋势和客户需求有助于ADI公司设计出高度集成的片上测量系统，该系统包括：

16位、400 kSPS ADC

两个双输出DAC产生电化学电池的偏置电压

两个超低功耗、低噪声恒电位仪，带 TIA 放大器

具有高速TIA的高速12位DAC

模拟硬件加速器（波形发生器、数字傅里叶变换模块和数字滤波器），可实现诊断测量

内部温度传感器

26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

ADuCM355提供了克服电化学气体检测技术挑战的方法。两个测量通道不仅支持最常见的 3 电极气体传感器，还支持 4 电极传感器配置。第四个电极用于诊断目的，或者在双气体传感器的情况下，用作第二个目标气体的工作电极。任何恒电位仪也可以配置为休眠以降低功耗，同时保持传感器偏置电压，从而减少传感器在正常运行之前可能需要建立的时间。模拟硬件加速器模块支持传感器诊断测量，如电化学阻抗谱和计时安培法。然后，集成微控制器可用于运行补偿算法、存储校准参数和运行用户应用程序。ADuCM355在设计时还考虑了EMC要求，并经过预测试，符合EN 50270标准。

对于不需要集成微控制器的应用，还提供仅前端版本AD5940。

结论

由于技术创新，我们现在拥有所有必要的知识和工具来有效应对直到最近还阻止电化学气体传感器进入无处不在传感时代的技术挑战。从低成本的无线空气质量监测器到过程控制和工人安全应用，信号链集成和内置诊断功能将使这些传感器得到广泛使用，同时减少维护需求，提高精度，延长传感器寿命并降低成本。

审核编辑：郭婷