得益于技術創新，我們現在擁有所有必要的知識和工具，可以有效應對電化學氣體傳感器的技術挑戰，掃清我們進入普遍檢測時代的障礙。從低成本的無線空氣質量監測器到過程控制和工人安全應用，信號鏈集成和內置診斷特性將使這些傳感器得到廣泛使用，同時減少維護需求，提高精度，延長傳感器壽命，并降低成本。

電化學氣體傳感器的優缺點

電化學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，一旦根據目標氣體的已知濃度進行校準，其測量的重復性和精度也非常好。數十年來技術的發展，讓這些傳感器可以對特定氣體類型提供非常好的選擇性。

由于其優點眾多，工業應用（例如用于保護工人安全的有毒氣體檢測）采用了電化學傳感器。這些傳感器的運行經濟性促進了區域有毒氣體監測系統的部署，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。

盡管檢測技術本身在不斷進步，但自電化學氣體檢測出現以來，其基本工作原理以及與生俱來的缺點并未改變。通常，電化學傳感器的保質期有限，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，導致測量受到干擾和讀數出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關，必須在內部進行溫度補償。

電化學氣體傳感器的技術挑戰

設計氣體檢測系統需要克服的技術挑戰可以分為三類，分別對應于系統生命周期的不同階段。

首先是傳感器制造挑戰，例如制造可重復性以及傳感器的表征和校準。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，傳感器必須在生產過程進行表征和校準。

其次，在系統的整個生命周期中都存在技術挑戰。這包括系統架構優化，例如信號鏈設計或功耗考慮。另外，工業應用中特別注重電磁兼容性（EMC）和功能安全合規性，這會對設計成本和上市時間產生負面影響。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。電化學傳感器在其使用壽命期間會老化和漂移（這是這種技術的本性），導致需要頻繁校準或更換傳感器。如果在惡劣環境中運行，性能的變化會進一步加速，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，是許多應用的關鍵要求之一，尤其是在系統擁有成本至關重要的情況下。

第三，即使采用了延長使用壽命的技術，所有電化學傳感器最終都會達到其生命終點，此時性能不再滿足要求，需要更換傳感器。有效檢測壽命結束條件是一個挑戰，若能解決這個挑戰，便可減少不必要的傳感器更換，從而大幅降低成本。更進一步，若能準確預測傳感器何時將失效，氣體檢測系統的運行成本將會降低更多。

在全部氣體檢測應用中，電化學氣體傳感器的利用率都在增加，這給此類系統的物流、調試和維護帶來了挑戰，導致總擁有成本增加。因此，人們采用具有診斷功能的專用模擬前端來減少技術缺點（主要是傳感器壽命有限）帶來的影響，確保氣體檢測系統長期可持續且可靠。

信號鏈集成降低設計復雜性

傳統信號鏈大多采用獨立的模數轉換器、放大器和其他構建模塊設計，相當復雜，迫使設計人員在功效比、測量精度或信號鏈占用的PCB面積上做出折衷。

這種設計挑戰的一個例子是具有多氣體配置、可測量多種目標氣體的儀器。每個傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運行。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使信號鏈性能。對設計人員而言，僅這兩個因素就增加了可配置測量通道（其應能與不同傳感器接口而無需更改 BOM 或原理圖）的設計復雜度。單個測量通道的簡化框圖如圖1所示。

就像任何其他電子系統一樣，集成是演進中的一個邏輯步驟，通過集成可設計出更高效、更強大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測信號鏈通過集成TIA（互阻放大器）增益電阻或將數模轉換器用作傳感器偏置電壓源等措施來簡化系統設計（如圖2所示）。由于信號鏈集成，測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傳感器接口，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降低，這對于以電池壽命為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，并且有可能利用性能更好的信號處理器件（如TIA或ADC），因此測量精度得以提高。

回顧多氣體儀器的例子，信號鏈集成使其能夠：

1、實現可配置的測量通道，同時降低信號鏈的復雜性，從而輕松重用單個信號鏈設計；

2、減少信號鏈占用的PCB面積；

3、降低功耗；

4、提高測量精度；

5、傳感器劣化與診斷；

盡管信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并未解決電化學氣體傳感器的根本缺點，即其性能會隨著使用時間推移而下降。不難理解，這是傳感器的工作原理和結構所導致的。工作條件也會致使性能下降并加速傳感器老化。傳感器精度會降低，直到變得不可靠，不再適合完成其任務。在這種情況下，通常的做法是讓儀器下線并手動檢查傳感器，這既耗時又昂貴。然后，根據其狀況，可以重新校準傳感器并再次使用，或者可能需要予以更換。這會招致相當大的維護成本。通過利用電化學診斷技術，可以分析傳感器的健康狀況并有效補償性能變化。

圖1．典型電化學氣體傳感器信號鏈（簡圖）

圖2．雙通道集成氣體檢測信號鏈（簡圖）

圖3．在低相對濕度下的加速壽命測試中，傳感器靈敏度（左圖）和阻抗（右圖）之間的相關性

導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，讓傳感器反復經受高溫會導致電解質蒸發，并對傳感器造成不可逆轉的損壞，例如引起基線讀數偏移或響應時間變慢。另一方面，超低溫度（–30°C以下）會大大降低傳感器的靈敏度和響應能力。

濕度是對傳感器壽命影響的因素。電化學氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60％相對濕度。環境濕度低于60％會導致傳感器內部的電解質變干，從而影響響應時間。另一方面，濕度高于60％會導致空氣中的水被傳感器吸收，從而稀釋電解質并影響傳感器的特性。吸收水分還會導致傳感器泄漏，可能致使引腳腐蝕。

上述劣化機制的幅度即使不是非常大，也會影響傳感器。換句話說，電解質耗盡之類的事情是自然發生的，會導致傳感器老化。無論工作條件如何，老化過程都會限制傳感器的壽命，不過某些EC Sense氣體傳感器的工作時間可超過10年。

工業應用的系統設計挑戰

安全性和可靠性至關重要，特別是在工業環境中。在嚴苛的工業環境（例如化工廠）中運行時，有嚴格的規章來確保氣體檢測系統滿足這些要求并保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性（EMC）是指不同電子設備在共同的電磁環境中正常運行而互不干擾的能力。EMC涉及的測試有電磁輻射發射或輻射抗擾度等。輻射發射測試研究系統的有害輻射以幫助減少輻射，而輻射抗擾度測試會檢查系統在受到其他系統干擾的情況下保持其功能的能力。

EC氣體傳感器本身的結構對EMC性能有負面影響。傳感器電極起到天線一樣的作用，可以拾取附近電子系統的干擾。對于無線連接的氣體檢測設備（例如便攜式工人安全儀器），這種影響更為明顯。

EMC測試通常是一個非常耗時的過程，在最終滿足要求之前可能需要多次迭代系統設計。此測試對投入產品開發的成本和時間有很大影響。使用經過預先測試的滿足EMC要求的集成信號鏈解決方案，可以減少時間和成本支出。

功能安全是另一個要認真考慮的方面，同時也是一項技術挑戰。根據定義，功能安全是指檢測到潛在的危險狀況時，會激活保護或糾正機制以防止任何危險事件發生。這種安全功能提供的風險降低的相對程度被定義為安全完整性等級（SIL）。功能安全要求當然已包含在工業標準中。

在工業氣體檢測應用中，功能安全的重要性主要涉及安全操作環境，因為環境中可能存在爆炸性或易燃性氣體。化工廠或采礦設施就是此類應用的很好例子。為了符合功能安全標準，系統必須通過功能安全認證，達到滿意的安全完整性等級。

結論

電化學氣體傳感器是一種久經驗證的技術，其歷史可以追溯到1950年代，當時開發了用于氧氣監測的電化學傳感器。這種技術的應用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖的缺氧情況。在接下來的幾十年中，該技術得到了發展，傳感器變得小型化并能檢測多種目標氣體。

隨著傳感技術無處不在的時代的到來，許多行業出現了無數新的氣體檢測應用，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對新應用和現有應用提出了比過去更具挑戰性的要求。換句話說，未來的氣體檢測系統必須能精確測量低得多的濃度，對目標氣體更具選擇性，依靠電池電源工作更長的時間，并在更長的時間內提供穩定一致的性能，同時始終保持安全可靠的運行。