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
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(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,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(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(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。
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