解決電化學(xué)氣體檢測(cè)的技術(shù)挑戰(zhàn)

電化學(xué)氣體傳感器是一種久經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，其歷史可以追溯到1950年代，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)了用于氧氣監(jiān)測(cè)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(cè)量葡萄糖的缺氧情況。在接下來(lái)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(cè)多種目標(biāo)氣體。

隨著傳感技術(shù)無(wú)處不在的時(shí)代的到來(lái)，許多行業(yè)出現(xiàn)了無(wú)數(shù)新的氣體檢測(cè)應(yīng)用，例如汽車(chē)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)或電子鼻。不斷發(fā)展的法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新應(yīng)用和現(xiàn)有應(yīng)用提出了比過(guò)去更具挑戰(zhàn)性的要求。換句話(huà)說(shuō)，未來(lái)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)必須能精確測(cè)量低得多的濃度，對(duì)目標(biāo)氣體更具選擇性，依靠電池電源工作更長(zhǎng)的時(shí)間，并在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定一致的性能，同時(shí)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(cè)量的重復(fù)性和精度也非常好。數(shù)十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對(duì)特定氣體類(lèi)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(cè))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(cè)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(cè)技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但自電化學(xué)氣體檢測(cè)出現(xiàn)以來(lái)，其基本工作原理以及與生俱來(lái)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(gè)月至一年。傳感器的老化也會(huì)對(duì)其長(zhǎng)期性能產(chǎn)生重大影響。傳感器制造商通常會(huì)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(duì)其他氣體的交叉敏感性問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量受到干擾和讀數(shù)出錯(cuò)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(jì)先進(jìn)氣體檢測(cè)系統(tǒng)需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)可以分為三類(lèi)，分別對(duì)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(guò)程本身雖然已高度自動(dòng)化，但不可避免地會(huì)給每個(gè)傳感器帶來(lái)差異。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行表征和校準(zhǔn)。

其次，在系統(tǒng)的整個(gè)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(hào)鏈設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)設(shè)計(jì)成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。工作條件也起著重要作用，并對(duì)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(huì)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(huì)進(jìn)一步加速，如本文后面所述。在延長(zhǎng)傳感器使用壽命的同時(shí)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(zhǎng)使用壽命的技術(shù)，所有電化學(xué)傳感器最終都會(huì)達(dá)到其生命終點(diǎn)，此時(shí)性能不再滿(mǎn)足要求，需要更換傳感器。有效檢測(cè)壽命結(jié)束條件是一個(gè)挑戰(zhàn)，若能解決這個(gè)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(cè)傳感器何時(shí)將失效，氣體檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本將會(huì)降低更多。

在全部氣體檢測(cè)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(lèi)系統(tǒng)的物流、調(diào)試和維護(hù)帶來(lái)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(zhuān)用模擬前端來(lái)減少技術(shù)缺點(diǎn)(主要是傳感器壽命有限)帶來(lái)的影響，確保氣體檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期可持續(xù)且可靠。

信號(hào)鏈集成降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性

傳統(tǒng)信號(hào)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(jì)，相當(dāng)復(fù)雜，迫使設(shè)計(jì)人員在功效比、測(cè)量精度或信號(hào)鏈占用的PCB面積上做出折衷。

這種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的一個(gè)例子是具有多氣體配置、可測(cè)量多種目標(biāo)氣體的儀器。每個(gè)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(gè)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(hào)鏈性能最大化。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，僅這兩個(gè)因素就增加了可配置測(cè)量通道(其應(yīng)能與不同傳感器接口而無(wú)需更改 BOM 或原理圖)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。單個(gè)測(cè)量通道的簡(jiǎn)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(gè)邏輯步驟，通過(guò)集成可設(shè)計(jì)出更高效、更強(qiáng)大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測(cè)信號(hào)鏈通過(guò)集成TIA(互阻放大器)增益電阻或?qū)?shù)模轉(zhuǎn)換器用作傳感器偏置電壓源等措施來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(如圖2所示)。由于信號(hào)鏈集成，測(cè)量通道可以通過(guò)軟件來(lái)全面配置，以與眾多不同類(lèi)型的電化學(xué)傳感器接口，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，這種集成信號(hào)鏈的功率要求也明顯降低，這對(duì)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(hào)鏈的噪聲水平，并且有可能利用性能更好的信號(hào)處理器件(如TIA或ADC)，因此測(cè)量精度得以提高。

回顧多氣體儀器的例子，信號(hào)鏈集成使其能夠：

· 實(shí)現(xiàn)完全可配置的測(cè)量通道，同時(shí)降低信號(hào)鏈的復(fù)雜性，從而輕松重用單個(gè)信號(hào)鏈設(shè)計(jì)

· 減少信號(hào)鏈占用的PCB面積

· 降低功耗

· 提高測(cè)量精度

傳感器劣化與診斷

盡管信號(hào)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(huì)隨著使用時(shí)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(huì)致使性能下降并加速傳感器老化。傳感器精度會(huì)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(dòng)檢查傳感器，這既耗時(shí)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(huì)招致相當(dāng)大的維護(hù)成本。通過(guò)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(hào)鏈(簡(jiǎn)圖)

圖2.雙通道集成氣體檢測(cè)信號(hào)鏈(簡(jiǎn)圖)

圖3.在低相對(duì)濕度下的加速壽命測(cè)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(jiàn)因素包括溫度、濕度和氣體濃度過(guò)高或電極中毒。短時(shí)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(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)蒸發(fā)，并對(duì)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(shí)間變慢。另一方面，超低溫度(–30°C以下)會(huì)大大降低傳感器的靈敏度和響應(yīng)能力。

濕度是對(duì)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(duì)濕度。環(huán)境濕度低于60%會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的電解質(zhì)變干，從而影響響應(yīng)時(shí)間。另一方面，濕度高于60%會(huì)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(huì)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(huì)影響傳感器。換句話(huà)說(shuō)，電解質(zhì)耗盡之類(lèi)的事情是自然發(fā)生的，會(huì)導(dǎo)致傳感器老化。無(wú)論工作條件如何，老化過(guò)程都會(huì)限制傳感器的壽命，不過(guò)某些EC Sense氣體傳感器的工作時(shí)間可超過(guò)10年。

可以使用電化學(xué)阻抗譜(EIS)或計(jì)時(shí)安培分析法(在觀測(cè)傳感器輸出的同時(shí)施加偏置電壓脈沖)等技術(shù)來(lái)分析傳感器。

EIS是利用正弦信號(hào)(通常為電壓)激勵(lì)電化學(xué)系統(tǒng)而進(jìn)行的頻域分析測(cè)量。在每個(gè)頻率下，流過(guò)電化學(xué)電池的電流都會(huì)被記錄下來(lái)，用于計(jì)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(gè)頻率點(diǎn)均由x軸上的實(shí)數(shù)部分和y軸上的虛數(shù)部分來(lái)繪制。這種數(shù)據(jù)表示的主要缺點(diǎn)是會(huì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，傳感器靈敏度的下降與EIS測(cè)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(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，定時(shí)將傳感器從環(huán)境室中取出并放置一個(gè)小時(shí)，然后進(jìn)行已知目標(biāo)氣體濃度下的基線靈敏度測(cè)試和EIS測(cè)試。測(cè)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(cè)量的缺點(diǎn)是頗費(fèi)時(shí)間，因?yàn)樵诤艿偷膩喓掌濐l率下獲得測(cè)量結(jié)果非常耗時(shí)。

計(jì)時(shí)安培法(脈沖測(cè)試)是另一種有助于分析傳感器健康狀況的技術(shù)。測(cè)量方法如下：在傳感器偏置電壓上疊加一個(gè)電壓脈沖，同時(shí)觀測(cè)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(huì)干擾傳感器本身。這樣便能相當(dāng)頻繁地執(zhí)行測(cè)試，同時(shí)氣體檢測(cè)儀器保持正常運(yùn)行。在執(zhí)行更耗時(shí)的EIS測(cè)量之前，可以使用計(jì)時(shí)安培法來(lái)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(duì)電壓脈沖響應(yīng)的示例如圖4所示。

圖4.計(jì)時(shí)安培分析法測(cè)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(cè)量所需的設(shè)備通常很昂貴且笨重。從實(shí)踐和資金兩方面看，使用這種設(shè)備根本無(wú)法測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)部署的大量氣體傳感器。為了實(shí)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(hào)鏈的一部分。

借助集成的診斷功能，可以在無(wú)需人工干預(yù)的情況下自動(dòng)測(cè)試氣體傳感器。如果在生產(chǎn)中對(duì)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(lái)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(cè)其壽命何時(shí)結(jié)束，并在需要更換傳感器時(shí)提醒用戶(hù)。內(nèi)置診斷功能最終會(huì)減少氣體檢測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)需求，延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。

工業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，有嚴(yán)格的規(guī)章來(lái)確保氣體檢測(cè)系統(tǒng)滿(mǎn)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(cè)試有電磁輻射發(fā)射或輻射抗擾度等。輻射發(fā)射測(cè)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(cè)試會(huì)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(duì)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(duì)于無(wú)線連接的氣體檢測(cè)設(shè)備(例如便攜式工人安全儀器)，這種影響更為明顯。

EMC測(cè)試通常是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，在最終滿(mǎn)足要求之前可能需要多次迭代系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此測(cè)試對(duì)投入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間有很大影響。使用經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試的滿(mǎn)足EMC要求的集成信號(hào)鏈解決方案，可以減少時(shí)間和成本支出。

功能安全是另一個(gè)要認(rèn)真考慮的方面，同時(shí)也是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)定義，功能安全是指檢測(cè)到潛在的危險(xiǎn)狀況時(shí)，會(huì)激活保護(hù)或糾正機(jī)制以防止任何危險(xiǎn)事件發(fā)生。這種安全功能提供的風(fēng)險(xiǎn)降低的相對(duì)程度被定義為安全完整性等級(jí)(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(cè)應(yīng)用中，功能安全的重要性主要涉及安全操作環(huán)境，因?yàn)榄h(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(lèi)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(guò)功能安全認(rèn)證，達(dá)到滿(mǎn)意的安全完整性等級(jí)。

ADI公司的單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

為解決上述挑戰(zhàn)，并讓客戶(hù)設(shè)計(jì)出更智能、更精確、更具競(jìng)爭(zhēng)力的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，ADI公司推出了ADuCM355——一種針對(duì)氣體檢測(cè)和水分析應(yīng)用的單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

ADuCM355集成了兩個(gè)電化學(xué)測(cè)量通道，一個(gè)用于傳感器診斷的阻抗測(cè)量引擎，以及一個(gè)用于運(yùn)行用戶(hù)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(hào)ARM® Cortex®-M3微控制器。圖5顯示了ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖。

圖5.ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖

對(duì)市場(chǎng)趨勢(shì)和客戶(hù)需求的了解，幫助ADI公司設(shè)計(jì)出高度集成的片內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)，其中包括：

· 一個(gè)16位400 kSPS ADC

· 兩個(gè)雙輸出DAC，用于產(chǎn)生電化學(xué)電池的偏置電壓

· 兩個(gè)帶TIA放大器的超低功耗、低噪聲恒電位儀

· 一個(gè)具有高速TIA的高速12位DAC

· 支持診斷測(cè)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(cè)技術(shù)挑戰(zhàn)的手段。兩個(gè)測(cè)量通道不僅支持最常見(jiàn)的3電極氣體傳感器，還支持4電極傳感器配置。第四個(gè)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(shí)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(shí)間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測(cè)量，例如電化學(xué)阻抗譜和計(jì)時(shí)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(chǔ)校準(zhǔn)參數(shù)以及運(yùn)行用戶(hù)應(yīng)用程序。ADuCM355在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了EMC要求，并經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)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(shí)和工具，可以有效應(yīng)對(duì)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(cè)時(shí)代的障礙。從低成本的無(wú)線空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器到過(guò)程控制和工人安全應(yīng)用，信號(hào)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(shí)減少維護(hù)需求，提高精度，延長(zhǎng)傳感器壽命，并降低成本。