電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）目前應(yīng)用的傳感器里以半導(dǎo)體技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)為主。電化學(xué)技術(shù)是利用待測物的電化學(xué)性質(zhì)并將待測物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測。電化學(xué)傳感器里根據(jù)所檢測物質(zhì)的不同分為不同類型，最為大家熟知的就是電化學(xué)氣體傳感器，在很多氣體傳感監(jiān)測里都有使用。電化學(xué)生物傳感器和離子傳感器在水質(zhì)檢測、大氣監(jiān)測中也有不少的應(yīng)用。
氣體監(jiān)測中的電化學(xué)傳感應(yīng)用
氣體傳感，作為一個大門類的傳感系列，有很多不同的技術(shù)應(yīng)用方向。除了我們今天關(guān)注的電化學(xué)技術(shù)路線，半導(dǎo)體技術(shù)路線、催化燃燒技術(shù)路線、紅外線技術(shù)路線等等都有各自的優(yōu)勢和劣勢。電化學(xué)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出的良好的敏感性與選擇性，在多氣體監(jiān)測中起到了至關(guān)重要的作用。電化學(xué)氣體傳感器通過催化被測氣體，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生電流。這意味著傳感器本身是不耗電的，整個模組的功耗來自其他元件。因此相對來說電化學(xué)氣體傳感器的功耗不高。這里產(chǎn)生的電流大小和電極處的化學(xué)反應(yīng)相關(guān)，被測氣體會受到傳感器的擴(kuò)散控制，產(chǎn)生和氣體濃度成正比的線性輸出（不論是電壓源還是電流源）。相比于其他技術(shù)在輸出前要進(jìn)行線性化處理，這也是一個優(yōu)勢點(diǎn)。這一優(yōu)勢對傳感器完成低濃度監(jiān)測以及后續(xù)的校正都提供了便利，能夠很好地實(shí)現(xiàn)定量檢測。這里以檢測甲醛這一有害氣體為例，下圖中煒盛科技的甲醛電化學(xué)傳感器，甲醛和氧氣在工作電極和對電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)并釋放電荷形成電流，產(chǎn)生的電流大小與甲醛的濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測試電流的大小即可判定甲醛濃度的高低。該器件通過減小進(jìn)氣孔在損失一定的靈敏度和分辨率下擴(kuò)大了測量范圍，量程覆蓋0-5ppm。靈敏度為0.25-0.60μA/ppm，分辨率≤0.02ppm，可以看到為了實(shí)現(xiàn)這種量程范圍分辨率其實(shí)并沒有損失太多。
更小的量程如下圖Sensirion的SFA30，用了最小的量程范圍1000ppb來檢測甲醛這類有害氣體。采用安培電化學(xué)測量原理，亮點(diǎn)在于對其他VOC的靈敏度非常低（小于0.5%），利用甲醛特定化學(xué)特性可以進(jìn)行強(qiáng)針對性檢測。根據(jù)官網(wǎng)資料，傳感器里還配置了帶抗干擾的電化學(xué)單元，增強(qiáng)了可靠性還延長了使用壽命。
在整個傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)里，電化學(xué)氣體傳感器本身結(jié)構(gòu)就會影響EMC性能，傳感器的電極會收集附近電路里的干擾，對整個系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此除了傳感器件本身需要性能優(yōu)異外，其系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)也非常重要。降低功耗是任何電路都在追求的，即便電化學(xué)傳感元件本身不耗電，整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會盡可能追求低功耗。這類主打降低功耗的電化學(xué)傳感AFE比較有代表性的是TI的LMP91000，特點(diǎn)是微功耗、可編程。LMP91000總流耗低于10μA，能夠支持0.5nA/ppm至9500nA/ppm范圍內(nèi)的氣體靈敏度。通過關(guān)閉TIA放大器并使用一個內(nèi)部開關(guān)，將參比電極與工作電極短接整個系統(tǒng)能夠進(jìn)一步降低功耗。高精度是另一助力，AFE通過高精度激勵環(huán)路，為傳感元件提供高精度測量支持。如ADI的AD594X系列，有兩個高精度激勵環(huán)路，一個低帶寬一個高帶寬。低帶寬環(huán)路可生成200Hz信號，高帶寬環(huán)路克生成200kHz激勵信號。通過優(yōu)化集成后的信號鏈，整個系統(tǒng)的噪聲水平降低，加之利用性能更好的信號處理器件（如TIA或ADC），測量精度得以進(jìn)一步提高。
小結(jié)
就電化學(xué)氣體傳感器本身來說，其一直被人詬病的使用壽命以及對其他氣體的交叉敏感問題隨著傳感元件技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)得到了不錯的解決。對目標(biāo)氣體進(jìn)行針對性檢測，電化學(xué)氣體傳感非常好的選擇。注重EMC性能的集成信號鏈更是給予了傳感系統(tǒng)更低的功耗和更高的功耗。隨著傳感元件和電路集成化更高，以及新傳感材料的進(jìn)一步擴(kuò)充，電化學(xué)氣體傳感器能功能趨于多樣化，在消費(fèi)電子、工業(yè)安全、醫(yī)療分析等各種需要?dú)怏w檢測的場景里可以開拓出更多的應(yīng)用。
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