气体监测中的电化学传感应用

电子发烧友网报道（文/李宁远）目前应用的传感器里以半导体技术、电化学技术和光学技术为主。电化学技术是利用待测物的电化学性质并将待测物化学量转变成电学量进行传感检测。电化学传感器里根据所检测物质的不同分为不同类型，最为大家熟知的就是电化学气体传感器，在很多气体传感监测里都有使用。电化学生物传感器和离子传感器在水质检测、大气监测中也有不少的应用。

气体监测中的电化学传感应用

气体传感，作为一个大门类的传感系列，有很多不同的技术应用方向。除了我们今天关注的电化学技术路线，半导体技术路线、催化燃烧技术路线、红外线技术路线等等都有各自的优势和劣势。电化学传感器在实际应用中展现出的良好的敏感性与选择性，在多气体监测中起到了至关重要的作用。电化学气体传感器通过催化被测气体，在电极表面发生氧化还原反应进而产生电流。这意味着传感器本身是不耗电的，整个模组的功耗来自其他元件。因此相对来说电化学气体传感器的功耗不高。这里产生的电流大小和电极处的化学反应相关，被测气体会受到传感器的扩散控制，产生和气体浓度成正比的线性输出（不论是电压源还是电流源）。相比于其他技术在输出前要进行线性化处理，这也是一个优势点。这一优势对传感器完成低浓度监测以及后续的校正都提供了便利，能够很好地实现定量检测。这里以检测甲醛这一有害气体为例，下图中炜盛科技的甲醛电化学传感器，甲醛和氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与甲醛的浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测试电流的大小即可判定甲醛浓度的高低。该器件通过减小进气孔在损失一定的灵敏度和分辨率下扩大了测量范围，量程覆盖0-5ppm。灵敏度为0.25-0.60μA/ppm，分辨率≤0.02ppm，可以看到为了实现这种量程范围分辨率其实并没有损失太多。

更小的量程如下图Sensirion的SFA30，用了最小的量程范围1000ppb来检测甲醛这类有害气体。采用安培电化学测量原理，亮点在于对其他VOC的灵敏度非常低（小于0.5%），利用甲醛特定化学特性可以进行强针对性检测。根据官网资料，传感器里还配置了带抗干扰的电化学单元，增强了可靠性还延长了使用寿命。

电化学传感AFE IC——传感元件背后的助力

在整个传感器系统设计里，电化学气体传感器本身结构就会影响EMC性能，传感器的电极会收集附近电路里的干扰，对整个系统产生负面影响。因此除了传感器件本身需要性能优异外，其系统电路设计也非常重要。降低功耗是任何电路都在追求的，即便电化学传感元件本身不耗电，整个系统设计也会尽可能追求低功耗。这类主打降低功耗的电化学传感AFE比较有代表性的是TI的LMP91000，特点是微功耗、可编程。LMP91000总流耗低于10μA，能够支持0.5nA/ppm至9500nA/ppm范围内的气体灵敏度。通过关闭TIA放大器并使用一个内部开关，将参比电极与工作电极短接整个系统能够进一步降低功耗。高精度是另一助力，AFE通过高精度激励环路，为传感元件提供高精度测量支持。如ADI的AD594X系列，有两个高精度激励环路，一个低带宽一个高带宽。低带宽环路可生成200Hz信号，高带宽环路克生成200kHz激励信号。通过优化集成后的信号链，整个系统的噪声水平降低，加之利用性能更好的信号处理器件（如TIA或ADC），测量精度得以进一步提高。

小结

就电化学气体传感器本身来说，其一直被人诟病的使用寿命以及对其他气体的交叉敏感问题随着传感元件技术的不断发展已经得到了不错的解决。对目标气体进行针对性检测，电化学气体传感非常好的选择。注重EMC性能的集成信号链更是给予了传感系统更低的功耗和更高的功耗。随着传感元件和电路集成化更高，以及新传感材料的进一步扩充，电化学气体传感器能功能趋于多样化，在消费电子、工业安全、医疗分析等各种需要气体检测的场景里可以开拓出更多的应用。　　

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