電化學氣體傳感器是一種經過驗證的技術，可追溯到20世紀50年代，當時它們被開發用于氧氣監測。該技術的首批應用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖中氧氣的消耗。在接下來的幾十年中，該技術取得了進步，使傳感器能夠小型化并檢測各種目標氣體。

隨著無處不在的傳感世界的出現，許多行業出現了無數新的氣體傳感應用，例如汽車空氣質量監測或電子鼻。不斷發展的法規和安全標準導致新應用和現有應用的要求比過去更具挑戰性。換句話說，未來的氣體傳感系統必須精確測量低得多的濃度，對目標氣體更具選擇性，使用電池供電運行更長時間，并在更長的時間內提供一致的性能，同時始終保持安全可靠的運行。

電化學氣體傳感器的優缺點

電化學氣體傳感器的普及可歸因于其輸出的線性度、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦校準到目標氣體的已知濃度，測量的可重復性和準確性也非常出色。由于幾十年來技術的發展，這些傳感器可以為特定的氣體類型提供非常好的選擇性。

工業應用，例如，用于工人安全的有毒氣體檢測，由于其眾多優點，首先使用電化學傳感器。這些傳感器的經濟運行使區域有毒氣體監測系統的部署成為可能，確保了采礦、化學工業、沼氣廠、食品生產、制藥工業等行業員工的安全環境條件。

雖然傳感技術本身在不斷進步，但其基本工作原理以及隨之而來的缺點自電化學氣體傳感的早期以來就沒有改變。通常，電化學傳感器的保質期有限，通常為六個月至一年。傳感器的老化也對其長期性能產生重大影響。傳感器制造商通常規定傳感器靈敏度每年可漂移高達20%。此外，即使目標氣體選擇性已顯著提高，傳感器仍然對其他氣體具有交叉敏感性，從而導致測量干擾和錯誤讀數的機會增加。它們還具有溫度相關特性，必須進行內部溫度補償。

技術挑戰

在設計先進的氣體傳感系統時需要克服的技術挑戰可以分為三組，對應于系統的不同生命階段。

首先，存在傳感器制造挑戰，例如制造可重復性以及傳感器表征和校準。制造過程本身雖然高度自動化，但不可避免地會給每個傳感器帶來可變性。由于這些差異，傳感器必須在生產中進行表征和校準。

其次，技術挑戰存在于系統的整個生命周期中。這些包括系統架構優化;例如，考慮信號鏈設計或功耗。主要在工業應用中，對電磁兼容性（EMC）和功能安全合規性的高度重視會對設計成本和上市時間產生負面影響。操作條件也起著重要作用，并給保持所需的性能和使用壽命帶來了挑戰。這種技術的本質是電化學傳感器在其使用壽命期間老化和漂移，從而導致頻繁的校準或傳感器更換。如果在惡劣環境中運行，則性能的這種變化會進一步加速，如本文后面所述。延長傳感器的使用壽命同時保持其性能是許多應用的關鍵要求之一，特別是在系統擁有成本至關重要的情況下。

第三，即使采用延長其操作的技術，當性能不再滿足要求并且需要更換傳感器時，所有電化學傳感器最終都會達到其使用壽命。有效檢測報廢狀況是一項挑戰，如果克服這一挑戰，可以通過減少不必要的傳感器更換來大幅降低成本。通過更進一步，預測傳感器何時會發生故障，可以進一步降低氣體傳感系統的運營成本。

在所有氣體傳感應用中，電化學氣體傳感器的利用率都在增加，這給這些系統的物流、調試和維護帶來了挑戰，從而導致總擁有成本增加。因此，采用具有診斷功能的特定應用模擬前端來減少技術缺點的影響，主要是傳感器壽命有限，以確保氣體傳感系統的長期可持續性和可靠性。

信號鏈集成降低了設計復雜性

傳統信號鏈的復雜性（在大多數情況下是使用獨立的模數轉換器、放大器和其他構建模塊設計的）迫使設計人員在功率效率、測量精度或信號鏈消耗的PCB面積上做出妥協。

這種設計挑戰的一個例子是具有多氣體配置的儀器，它可以測量幾種目標氣體。每個傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常工作。此外，每個傳感器的靈敏度可能不同，因此必須調整放大器的增益以最大限度地提高信號鏈性能。對于設計人員來說，僅這兩個因素就增加了可配置測量通道的設計復雜性，該通道無需更改BOM或原理圖即可與不同的傳感器接口。單個測量通道的簡化框圖如圖1所示。

就像在任何其他電子系統中一樣，集成是進化中的合乎邏輯的步驟，可以設計出更高效、更強大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測信號鏈簡化了系統設計，例如，集成了TIA（跨阻放大器）增益電阻，或采用數模轉換器作為傳感器偏置電壓源（如圖2所示）。由于信號鏈集成，測量通道可以通過軟件完全配置，以與許多不同的電化學傳感器類型接口，同時降低設計的復雜性。此外，這種集成信號鏈的功率要求也明顯較低，這對于電池壽命是關鍵考慮因素的應用至關重要。最后，由于降低了信號鏈的噪聲水平，并且可能利用具有更好性能的信號處理元件（例如TIA或ADC），測量精度得到了提高。

回顧一下多氣體儀器的例子，由于信號鏈集成，可以：

實現 完全 可 配置 的 測量 通道， 同時 降低 信號 鏈 的 復雜 性， 從而 輕松 重 用 單 個 信號 鏈 設計

減少信號鏈消耗的 PCB 面積

降低功耗

提高測量精度

在本系列的第二部分中，我們將解決電化學氣體傳感器的基本缺點（在其使用壽命期間性能下降）以及EMC系統級問題。

審核編輯：郭婷