ADI：解決電化學(xué)氣體檢測的技術(shù)挑戰(zhàn)

作者：Michal Raninec，ADI 系統(tǒng)應(yīng)用工程師

電化學(xué)氣體傳感器是一種久經(jīng)驗證的技術(shù)，其歷史可以追溯到1950年代，當(dāng)時開發(fā)了用于氧氣監(jiān)測的電化學(xué)傳感器。這種技術(shù)的首批應(yīng)用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖的缺氧情況。在接下來的幾十年中，該技術(shù)得到了發(fā)展，傳感器變得小型化并能檢測多種目標(biāo)氣體。

隨著傳感技術(shù)無處不在的時代的到來，許多行業(yè)出現(xiàn)了無數(shù)新的氣體檢測應(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)對新應(yīng)用和現(xiàn)有應(yīng)用提出了比過去更具挑戰(zhàn)性的要求。換句話說，未來的氣體檢測系統(tǒng)必須能精確測量低得多的濃度，對目標(biāo)氣體更具選擇性，依靠電池電源工作更長的時間，并在更長的時間內(nèi)提供穩(wěn)定一致的性能，同時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以歸因于其線性輸出、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦根據(jù)目標(biāo)氣體的已知濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，其測量的重復(fù)性和精度也非常好。數(shù)十年來技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對特定氣體類型提供非常好的選擇性。

由于其優(yōu)點(diǎn)眾多，工業(yè)應(yīng)用（例如用于保護(hù)工人安全的有毒氣體檢測）率先采用了電化學(xué)傳感器。這些傳感器的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性促進(jìn)了區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)的部署，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

盡管檢測技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但自電化學(xué)氣體檢測出現(xiàn)以來，其基本工作原理以及與生俱來的缺點(diǎn)并未改變。通常，電化學(xué)傳感器的保質(zhì)期有限，一般為六個月至一年。傳感器的老化也會對其長期性能產(chǎn)生重大影響。傳感器制造商通常會指定傳感器靈敏度每年最多可漂移20%。此外，雖然目標(biāo)氣體選擇性已有顯著改善，但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問題，導(dǎo)致測量受到干擾和讀數(shù)出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關(guān)，必須在內(nèi)部進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

技術(shù)挑戰(zhàn)

設(shè)計先進(jìn)氣體檢測系統(tǒng)需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)可以分為三類，分別對應(yīng)于系統(tǒng)生命周期的不同階段。

首先是傳感器制造挑戰(zhàn)，例如制造可重復(fù)性以及傳感器的表征和校準(zhǔn)。制造過程本身雖然已高度自動化，但不可避免地會給每個傳感器帶來差異。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)過程進(jìn)行表征和校準(zhǔn)。

其次，在系統(tǒng)的整個生命周期中都存在技術(shù)挑戰(zhàn)。這包括系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化，例如信號鏈設(shè)計或功耗考慮。另外，工業(yè)應(yīng)用中特別注重電磁兼容性（EMC）和功能安全合規(guī)性，這會對設(shè)計成本和上市時間產(chǎn)生負(fù)面影響。工作條件也起著重要作用，并對保持所需性能和使用壽命提出了挑戰(zhàn)。電化學(xué)傳感器在其使用壽命期間會老化和漂移（這是這種技術(shù)的本性），導(dǎo)致需要頻繁校準(zhǔn)或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，性能的變化會進(jìn)一步加速，如本文后面所述。在延長傳感器使用壽命的同時保持其性能，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，即使采用了延長使用壽命的技術(shù)，所有電化學(xué)傳感器最終都會達(dá)到其生命終點(diǎn)，此時性能不再滿足要求，需要更換傳感器。有效檢測壽命結(jié)束條件是一個挑戰(zhàn)，若能解決這個挑戰(zhàn)，便可減少不必要的傳感器更換，從而大幅降低成本。更進(jìn)一步，若能準(zhǔn)確預(yù)測傳感器何時將失效，氣體檢測系統(tǒng)的運(yùn)行成本將會降低更多。

在全部氣體檢測應(yīng)用中，電化學(xué)氣體傳感器的利用率都在增加，這給此類系統(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，人們采用具有診斷功能的專用模擬前端來減少技術(shù)缺點(diǎn)（主要是傳感器壽命有限）帶來的影響，確保氣體檢測系統(tǒng)長期可持續(xù)且可靠。

信號鏈集成降低設(shè)計復(fù)雜性

傳統(tǒng)信號鏈大多采用獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器和其他構(gòu)建模塊設(shè)計，相當(dāng)復(fù)雜，迫使設(shè)計人員在功效比、測量精度或信號鏈占用的PCB面積上做出折衷。

這種設(shè)計挑戰(zhàn)的一個例子是具有多氣體配置、可測量多種目標(biāo)氣體的儀器。每個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)整放大器的增益以使信號鏈性能最大化。對設(shè)計人員而言，僅這兩個因素就增加了可配置測量通道（其應(yīng)能與不同傳感器接口而無需更改 BOM 或原理圖）的設(shè)計復(fù)雜度。單個測量通道的簡化框圖如圖1所示。

就像任何其他電子系統(tǒng)一樣，集成是演進(jìn)中的一個邏輯步驟，通過集成可設(shè)計出更高效、更強(qiáng)大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測信號鏈通過集成TIA（互阻放大器）增益電阻或?qū)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器用作傳感器偏置電壓源等措施來簡化系統(tǒng)設(shè)計（如圖2所示）。由于信號鏈集成，測量通道可以通過軟件來全面配置，以與眾多不同類型的電化學(xué)傳感器接口，同時降低設(shè)計的復(fù)雜性。此外，這種集成信號鏈的功率要求也明顯降低，這對于以電池壽命為關(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，并且有可能利用性能更好的信號處理器件（如TIA或ADC），因此測量精度得以提高。

回顧多氣體儀器的例子，信號鏈集成使其能夠：

• 實現(xiàn)完全可配置的測量通道，同時降低信號鏈的復(fù)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
• 傳感器劣化與診斷

盡管信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并未解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)，即其性能會隨著使用時間推移而下降。不難理解，這是傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。工作條件也會致使性能下降并加速傳感器老化。傳感器精度會降低，直到變得不可靠，不再適合完成其任務(wù)。在這種情況下，通常的做法是讓儀器下線并手動檢查傳感器，這既耗時又昂貴。然后，根據(jù)其狀況，可以重新校準(zhǔn)傳感器并再次使用，或者可能需要予以更換。這會招致相當(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補(bǔ)償性能變化。

圖1.典型電化學(xué)氣體傳感器信號鏈（簡圖）

圖2.雙通道集成氣體檢測信號鏈（簡圖）

圖3.在低相對濕度下的加速壽命測試中，傳感器靈敏度（左圖）和阻抗（右圖）之間的相關(guān)性

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。短時間暴露于較高溫度（50°C以上）一般是可以接受的。但是，讓傳感器反復(fù)經(jīng)受高溫會導(dǎo)致電解質(zhì)蒸發(fā)，并對傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，例如引起基線讀數(shù)偏移或響應(yīng)時間變慢。另一方面，超低溫度（–30°C以下）會大大降低傳感器的靈敏度和響應(yīng)能力。

濕度是對傳感器壽命影響最大的因素。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%會導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的電解質(zhì)變干，從而影響響應(yīng)時間。另一方面，濕度高于60%會導(dǎo)致空氣中的水被傳感器吸收，從而稀釋電解質(zhì)并影響傳感器的特性。吸收水分還會導(dǎo)致傳感器泄漏，可能致使引腳腐蝕。

上述劣化機(jī)制的幅度即使不是非常大，也會影響傳感器。換句話說，電解質(zhì)耗盡之類的事情是自然發(fā)生的，會導(dǎo)致傳感器老化。無論工作條件如何，老化過程都會限制傳感器的壽命，不過某些EC Sense氣體傳感器的工作時間可超過10年。

可以使用電化學(xué)阻抗譜（EIS）或計時安培分析法（在觀測傳感器輸出的同時施加偏置電壓脈沖）等技術(shù)來分析傳感器。

EIS是利用正弦信號（通常為電壓）激勵電化學(xué)系統(tǒng)而進(jìn)行的頻域分析測量。在每個頻率下，流過電化學(xué)電池的電流都會被記錄下來，用于計算電池的阻抗。然后，數(shù)據(jù)通常以奈奎斯特圖和波特圖形式顯示。奈奎斯特圖顯示復(fù)阻抗數(shù)據(jù)，每個頻率點(diǎn)均由x軸上的實數(shù)部分和y軸上的虛數(shù)部分來繪制。這種數(shù)據(jù)表示的主要缺點(diǎn)是會丟失頻率信息。波特圖顯示阻抗幅度和相位角與頻率的關(guān)系。

實驗測量結(jié)果表明，傳感器靈敏度的下降與EIS測試結(jié)果的變化之間具有很強(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)氣體傳感器被置于低濕度（10%RH）和較高溫度（40°C）的環(huán)境中。在整個實驗過程中，定時將傳感器從環(huán)境室中取出并放置一個小時，然后進(jìn)行已知目標(biāo)氣體濃度下的基線靈敏度測試和EIS測試。測試結(jié)果清楚表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)是頗費(fèi)時間，因為在很低的亞赫茲頻率下獲得測量結(jié)果非常耗時。

計時安培法（脈沖測試）是另一種有助于分析傳感器健康狀況的技術(shù)。測量方法如下：在傳感器偏置電壓上疊加一個電壓脈沖，同時觀測流經(jīng)電化學(xué)電池的電流。脈沖幅度一般非常低（例如1 mV）且很短（例如200 ms），因此不會干擾傳感器本身。這樣便能相當(dāng)頻繁地執(zhí)行測試，同時氣體檢測儀器保持正常運(yùn)行。在執(zhí)行更耗時的EIS測量之前，可以使用計時安培法來檢查傳感器是否已物理插入設(shè)備中，還能指示傳感器性能的變化。傳感器對電壓脈沖響應(yīng)的示例如圖4所示。

圖4.計時安培分析法測試的示例結(jié)果

先前的傳感器探查技術(shù)已在電化學(xué)領(lǐng)域使用了數(shù)十年。然而，這些測量所需的設(shè)備通常很昂貴且笨重。從實踐和資金兩方面看，使用這種設(shè)備根本無法測試現(xiàn)場部署的大量氣體傳感器。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程內(nèi)置傳感器健康狀況分析，必須將診斷特性直接集成為信號鏈的一部分。

借助集成的診斷功能，可以在無需人工干預(yù)的情況下自動測試氣體傳感器。如果在生產(chǎn)中對氣體傳感器進(jìn)行了表征，則從傳感器獲得的數(shù)據(jù)可以與這些特征數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，從而深入了解傳感器的當(dāng)前狀況，然后使用智能算法來補(bǔ)償傳感器靈敏度的損失。此外，傳感器的歷史記錄可以支持預(yù)測其壽命何時結(jié)束，并在需要更換傳感器時提醒用戶。內(nèi)置診斷功能最終會減少氣體檢測系統(tǒng)的維護(hù)需求，延長傳感器的使用壽命。

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

安全性和可靠性至關(guān)重要，特別是在工業(yè)環(huán)境中。在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境（例如化工廠）中運(yùn)行時，有嚴(yán)格的規(guī)章來確保氣體檢測系統(tǒng)滿足這些要求并保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性（EMC）是指不同電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行而互不干擾的能力。EMC涉及的測試有電磁輻射發(fā)射或輻射抗擾度等。輻射發(fā)射測試研究系統(tǒng)的有害輻射以幫助減少輻射，而輻射抗擾度測試會檢查系統(tǒng)在受到其他系統(tǒng)干擾的情況下保持其功能的能力。

EC氣體傳感器本身的結(jié)構(gòu)對EMC性能有負(fù)面影響。傳感器電極起到天線一樣的作用，可以拾取附近電子系統(tǒng)的干擾。對于無線連接的氣體檢測設(shè)備（例如便攜式工人安全儀器），這種影響更為明顯。

EMC測試通常是一個非常耗時的過程，在最終滿足要求之前可能需要多次迭代系統(tǒng)設(shè)計。此測試對投入產(chǎn)品開發(fā)的成本和時間有很大影響。使用經(jīng)過預(yù)先測試的滿足EMC要求的集成信號鏈解決方案，可以減少時間和成本支出。

功能安全是另一個要認(rèn)真考慮的方面，同時也是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)定義，功能安全是指檢測到潛在的危險狀況時，會激活保護(hù)或糾正機(jī)制以防止任何危險事件發(fā)生。這種安全功能提供的風(fēng)險降低的相對程度被定義為安全完整性等級（SIL）。功能安全要求當(dāng)然已包含在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

在工業(yè)氣體檢測應(yīng)用中，功能安全的重要性主要涉及安全操作環(huán)境，因為環(huán)境中可能存在爆炸性或易燃性氣體?；S或采礦設(shè)施就是此類應(yīng)用的很好例子。為了符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)必須通過功能安全認(rèn)證，達(dá)到滿意的安全完整性等級。

ADI公司的單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)

為解決上述挑戰(zhàn)，并讓客戶設(shè)計出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統(tǒng)，ADI公司推出了ADuCM355——一種針對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集成了兩個電化學(xué)測量通道，一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個用于運(yùn)行用戶應(yīng)用程序和傳感器診斷補(bǔ)償算法的超低功耗混合信號ARM? Cortex?-M3微控制器。圖5顯示了ADuCM355的簡化功能框圖。

圖5.ADuCM355的簡化功能框圖

對市場趨勢和客戶需求的了解，幫助ADI公司設(shè)計出高度集成的片內(nèi)測量系統(tǒng)，其中包括：

• 一個16位400 kSPS ADC
• 兩個雙輸出DAC，用于產(chǎn)生電化學(xué)電池的偏置電壓
• 兩個帶TIA放大器的超低功耗、低噪聲恒電位儀
• 一個具有高速TIA的高速12位DAC
• 支持診斷測量的模擬硬件加速器（波形發(fā)生器、數(shù)字傅立葉變換模塊和數(shù)字濾波器）
• 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)的手段。兩個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。第四個電極既可用于診斷目的，也可以在雙重氣體傳感器中用作第二目標(biāo)氣體的工作電極。任一恒電位儀也可以配置為休眠模式以降低功耗，同時保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運(yùn)行之前可能需要的穩(wěn)定時間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，例如電化學(xué)阻抗譜和計時安培分析法。集成的微控制器可用于運(yùn)行補(bǔ)償算法、存儲校準(zhǔn)參數(shù)以及運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。ADuCM355在設(shè)計時還考慮了EMC要求，并經(jīng)過預(yù)先測試，符合EN 50270標(biāo)準(zhǔn)。

如果應(yīng)用不需要集成微控制器，可以使用僅有前端的版本——AD5940。

結(jié)論

得益于技術(shù)創(chuàng)新，我們現(xiàn)在擁有所有必要的知識和工具，可以有效應(yīng)對電化學(xué)氣體傳感器的技術(shù)挑戰(zhàn)，掃清我們進(jìn)入普遍檢測時代的障礙。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)置診斷特性將使這些傳感器得到廣泛使用，同時減少維護(hù)需求，提高精度，延長傳感器壽命，并降低成本。

作者簡介

Michal Raninec是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部工業(yè)系統(tǒng)部門的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。其專業(yè)領(lǐng)域包括電化學(xué)氣體檢測和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Michal畢業(yè)于捷克布爾諾科技大學(xué)，獲得電子工程碩士學(xué)位。