淺析電化學氣體傳感器的優缺點（二）

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：

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

減少信號鏈占用的PCB面積

降低功耗

提高測量精度

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最大的因素。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。

可以使用電化學阻抗譜（EIS）或計時安培分析法（在觀測傳感器輸出的同時施加偏置電壓脈沖）等技術來分析傳感器。

EIS是利用正弦信號（通常為電壓）激勵電化學系統而進行的頻域分析測量。在每個頻率下，流過電化學電池的電流都會被記錄下來，用于計算電池的阻抗。然后，數據通常以奈奎斯特圖和波特圖形式顯示。奈奎斯特圖顯示復阻抗數據，每個頻率點均由x軸上的實數部分和y軸上的虛數部分來繪制。這種數據表示的主要缺點是會丟失頻率信息。波特圖顯示阻抗幅度和相位角與頻率的關系。

實驗測量結果表明，傳感器靈敏度的下降與EIS測試結果的變化之間具有很強的相關性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結果，其中電化學氣體傳感器被置于低濕度（10％RH）和較高溫度（40°C）的環境中。在整個實驗過程中，定時將傳感器從環境室中取出并放置一個小時，然后進行已知目標氣體濃度下的基線靈敏度測試和EIS測試。測試結果清楚表明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關性。這種測量的缺點是頗費時間，因為在很低的亞赫茲頻率下獲得測量結果非常耗時。

計時安培法（脈沖測試）是另一種有助于分析傳感器健康狀況的技術。測量方法如下：在傳感器偏置電壓上疊加一個電壓脈沖，同時觀測流經電化學電池的電流。脈沖幅度一般非常低（例如1 mV）且很短（例如200 ms），因此不會干擾傳感器本身。這樣便能相當頻繁地執行測試，同時氣體檢測儀器保持正常運行。在執行更耗時的EIS測量之前，可以使用計時安培法來檢查傳感器是否已物理插入設備中，還能指示傳感器性能的變化。傳感器對電壓脈沖響應的示例如圖4所示。

圖4．計時安培分析法測試的示例結果

先前的傳感器探查技術已在電化學領域使用了數十年。然而，這些測量所需的設備通常很昂貴且笨重。從實踐和資金兩方面看，使用這種設備根本無法測試現場部署的大量氣體傳感器。為了實現遠程內置傳感器健康狀況分析，必須將診斷特性直接集成為信號鏈的一部分。