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行。

電化學(xué)氣體傳感器的優(yōu)缺點

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，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（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)?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，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。

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