電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）目前應(yīng)用的傳感器里以半導(dǎo)體技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)為主。電化學(xué)技術(shù)是利用待測(cè)物的電化學(xué)性質(zhì)并將待測(cè)物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測(cè)。

電化學(xué)傳感器里根據(jù)所檢測(cè)物質(zhì)的不同分為不同類(lèi)型，最為大家熟知的就是電化學(xué)氣體傳感器，在很多氣體傳感監(jiān)測(cè)里都有使用。電化學(xué)生物傳感器和離子傳感器在水質(zhì)檢測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)中也有不少的應(yīng)用。

氣體監(jiān)測(cè)中的電化學(xué)傳感應(yīng)用

氣體傳感，作為一個(gè)大門(mén)類(lèi)的傳感系列，有很多不同的技術(shù)應(yīng)用方向。除了我們今天關(guān)注的電化學(xué)技術(shù)路線，半導(dǎo)體技術(shù)路線、催化燃燒技術(shù)路線、紅外線技術(shù)路線等等都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。電化學(xué)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出的良好的敏感性與選擇性，在多氣體監(jiān)測(cè)中起到了至關(guān)重要的作用。

電化學(xué)氣體傳感器通過(guò)催化被測(cè)氣體，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生電流。這意味著傳感器本身是不耗電的，整個(gè)模組的功耗來(lái)自其他元件。因此相對(duì)來(lái)說(shuō)電化學(xué)氣體傳感器的功耗不高。

這里產(chǎn)生的電流大小和電極處的化學(xué)反應(yīng)相關(guān)，被測(cè)氣體會(huì)受到傳感器的擴(kuò)散控制，產(chǎn)生和氣體濃度成正比的線性輸出（不論是電壓源還是電流源）。相比于其他技術(shù)在輸出前要進(jìn)行線性化處理，這也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)點(diǎn)。這一優(yōu)勢(shì)對(duì)傳感器完成低濃度監(jiān)測(cè)以及后續(xù)的校正都提供了便利，能夠很好地實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。

這里以檢測(cè)甲醛這一有害氣體為例，下圖中煒盛科技的甲醛電化學(xué)傳感器，甲醛和氧氣在工作電極和對(duì)電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)并釋放電荷形成電流，產(chǎn)生的電流大小與甲醛的濃度成正比并遵循法拉第定律，通過(guò)測(cè)試電流的大小即可判定甲醛濃度的高低。該器件通過(guò)減小進(jìn)氣孔在損失一定的靈敏度和分辨率下擴(kuò)大了測(cè)量范圍，量程覆蓋0-5ppm。靈敏度為0.25-0.60μA/ppm，分辨率≤0.02ppm，可以看到為了實(shí)現(xiàn)這種量程范圍分辨率其實(shí)并沒(méi)有損失太多。

更小的量程如下圖Sensirion的SFA30，用了最小的量程范圍1000ppb來(lái)檢測(cè)甲醛這類(lèi)有害氣體。采用安培電化學(xué)測(cè)量原理，亮點(diǎn)在于對(duì)其他VOC的靈敏度非常低（小于0.5%），利用甲醛特定化學(xué)特性可以進(jìn)行強(qiáng)針對(duì)性檢測(cè)。根據(jù)官網(wǎng)資料，傳感器里還配置了帶抗干擾的電化學(xué)單元，增強(qiáng)了可靠性還延長(zhǎng)了使用壽命。

電化學(xué)傳感AFE IC——傳感元件背后的助力

在整個(gè)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)里，電化學(xué)氣體傳感器本身結(jié)構(gòu)就會(huì)影響EMC性能，傳感器的電極會(huì)收集附近電路里的干擾，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此除了傳感器件本身需要性能優(yōu)異外，其系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)也非常重要。

降低功耗是任何電路都在追求的，即便電化學(xué)傳感元件本身不耗電，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會(huì)盡可能追求低功耗。這類(lèi)主打降低功耗的電化學(xué)傳感AFE比較有代表性的是TI的LMP91000，特點(diǎn)是微功耗、可編程。LMP91000總流耗低于10μA，能夠支持0.5nA/ppm至9500nA/ppm范圍內(nèi)的氣體靈敏度。通過(guò)關(guān)閉TIA放大器并使用一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)，將參比電極與工作電極短接整個(gè)系統(tǒng)能夠進(jìn)一步降低功耗。

高精度是另一助力，AFE通過(guò)高精度激勵(lì)環(huán)路，為傳感元件提供高精度測(cè)量支持。如ADI的AD594X系列，有兩個(gè)高精度激勵(lì)環(huán)路，一個(gè)低帶寬一個(gè)高帶寬。低帶寬環(huán)路可生成200Hz信號(hào)，高帶寬環(huán)路克生成200kHz激勵(lì)信號(hào)。通過(guò)優(yōu)化集成后的信號(hào)鏈，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲水平降低，加之利用性能更好的信號(hào)處理器件（如TIA或ADC），測(cè)量精度得以進(jìn)一步提高。

小結(jié)

就電化學(xué)氣體傳感器本身來(lái)說(shuō)，其一直被人詬病的使用壽命以及對(duì)其他氣體的交叉敏感問(wèn)題隨著傳感元件技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)得到了不錯(cuò)的解決。對(duì)目標(biāo)氣體進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)，電化學(xué)氣體傳感非常好的選擇。注重EMC性能的集成信號(hào)鏈更是給予了傳感系統(tǒng)更低的功耗和更高的功耗。

隨著傳感元件和電路集成化更高，以及新傳感材料的進(jìn)一步擴(kuò)充，電化學(xué)氣體傳感器能功能趨于多樣化，在消費(fèi)電子、工業(yè)安全、醫(yī)療分析等各種需要?dú)怏w檢測(cè)的場(chǎng)景里可以開(kāi)拓出更多的應(yīng)用。