世界銀行的一份研究報告顯示，空氣污染已經(jīng)成為繼吸煙，飲食和肥胖癥之后全球第4大導(dǎo)致過早死亡的風(fēng)險因素。空氣污染猛如虎，CO、CO2、NOx、甲醛等有害氣體的監(jiān)測非常必要，肩負(fù)監(jiān)測使命的氣體傳感器開始被越來越多的大眾熟知。

淺析氣體檢測技術(shù)的多種實(shí)現(xiàn)形式

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。按傳感器檢測原理來分，氣體傳感器通?？梢苑譃闊釋W(xué)式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器、磁學(xué)式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、半導(dǎo)體式氣體傳感器、氣紅外傳感器等。

氣體檢測技術(shù)大致分類

熱學(xué)式氣體傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱化學(xué)式兩大類。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測量一種或幾種氣體組分濃度的；紅外式傳感器利用各種元素對某個特定波長的吸收原理，具有反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，且對大多數(shù)碳?xì)浠衔锒加蟹磻?yīng)。美中不足的是，紅外式傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

電化學(xué)式氣體傳感器則是利用被測氣體的電化學(xué)活性，將其電化學(xué)氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。目前可以檢測許多有毒氣體和氧氣，還能檢測血液中的氧濃度。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(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）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。

電化學(xué)氣體傳感器基本信號鏈

不過，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(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。

靶向創(chuàng)新，電化學(xué)氣體傳感器設(shè)計的三大挑戰(zhàn)

因此，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(diǎn)，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。此外，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的強(qiáng)大支持、更長的電池壽命、實(shí)施和維護(hù)是終端用戶在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展階段所要求的關(guān)鍵服務(wù)。

降低設(shè)計復(fù)雜性，可編程氣體分析平臺設(shè)計參考

為解決上述挑戰(zhàn)，并讓客戶設(shè)計出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統(tǒng)，ADI公司推出的ADuCM355是一種針對氣體檢測應(yīng)用的單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)。ADuCM355集成了兩個電化學(xué)測量通道，一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個用于運(yùn)行用戶應(yīng)用程序和傳感器診斷補(bǔ)償算法的超低功耗混合信號ARM Cortex-M3微控制器。下圖顯示了ADuCM355的簡化功能框圖。

ADuCM355的簡化功能框圖

基于ADuCM355進(jìn)行AFE和信號處理的智能電化學(xué)氣體檢測平臺可實(shí)現(xiàn)集成式低功耗數(shù)字氣體傳感器，ADuCM355也提供了克服電化學(xué)氣體檢測技術(shù)挑戰(zhàn)的手段。兩個測量通道不僅支持最常見的3電極氣體傳感器，還支持4電極傳感器配置。第四個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)定時間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，例如電化學(xué)阻抗譜和計時安培分析法。集成的微控制器可用于運(yùn)行補(bǔ)償算法、存儲校準(zhǔn)參數(shù)以及運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。ADuCM355在設(shè)計時還考慮了EMC要求，并經(jīng)過預(yù)先測試，符合EN 50270標(biāo)準(zhǔn)。

智能電化學(xué)氣體檢測參考平臺

總結(jié)

IDTechEx預(yù)計到2030年，整個環(huán)境氣體傳感器市場規(guī)模將超過38億美元。其中，智能設(shè)備依然占據(jù)較大市場份額，依賴物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的氣體傳感器增長空間巨大。因此，氣體傳感器的應(yīng)用即將隨處可見且非常分散。本文以ADI ADuCM355為例，展示了信號鏈集成和內(nèi)置診斷特性如何使電化學(xué)式氣體傳感器減少維護(hù)需求，提高精度，延長傳感器壽命，并降低成本，在未來的萬物互聯(lián)場景中具有非常大的市場機(jī)會。

責(zé)任編輯:psy

原文標(biāo)題：基于單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)解決電化學(xué)氣體傳感器設(shè)計的三大挑戰(zhàn)

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