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。

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)十年來技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對(duì)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(cè)）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，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(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。

電化學(xué)氣體傳感器的技術(shù)挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)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，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(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(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。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(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(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：

1、實(shí)現(xiàn)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)；

2、減少信號(hào)鏈占用的PCB面積；

3、降低功耗；

4、提高測(cè)量精度；

5、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)致性能下降的常見因素包括溫度、濕度和氣體濃度過高或電極中毒。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。換句話說，電解質(zhì)耗盡之類的事情是自然發(fā)生的，會(huì)導(dǎo)致傳感器老化。無(wú)論工作條件如何，老化過程都會(huì)限制傳感器的壽命，不過某些EC Sense氣體傳感器的工作時(shí)間可超過10年。

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)章來確保氣體檢測(cè)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(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)的過程，在最終滿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)品開發(fā)的成本和時(shí)間有很大影響。使用經(jīng)過預(yù)先測(cè)試的滿足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。化工廠或采礦設(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(jí)。

結(jié)論

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，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)用提出了比過去更具挑戰(zhàn)性的要求。換句話說，未來的氣體檢測(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。