浅析电化学气体传感器的优缺点（二）

就像任何其他电子系统一样，集成是演进中的一个逻辑步骤，通过集成可设计出更高效、更强大的解决方案。集成的单芯片气体检测信号链通过集成TIA（互阻放大器）增益电阻或将数模转换器用作传感器偏置电压源等措施来简化系统设计（如图2所示）。由于信号链集成，测量通道可以通过软件来全面配置，以与众多不同类型的电化学传感器接口，同时降低设计的复杂性。此外，这种集成信号链的功率要求也明显降低，这对于以电池寿命为关键考虑因素的应用至关重要。最后，由于降低了信号链的噪声水平，并且有可能利用性能更好的信号处理器件（如TIA或ADC），因此测量精度得以提高。

回顾多气体仪器的例子，信号链集成使其能够：

实现完全可配置的测量通道，同时降低信号链的复杂性，从而轻松重用单个信号链设计

减少信号链占用的PCB面积

降低功耗

提高测量精度

传感器劣化与诊断

尽管信号链集成是向前迈出的重要一步，但它本身并未解决电化学气体传感器的根本缺点，即其性能会随着使用时间推移而下降。不难理解，这是传感器的工作原理和结构所导致的。工作条件也会致使性能下降并加速传感器老化。传感器精度会降低，直到变得不可靠，不再适合完成其任务。在这种情况下，通常的做法是让仪器下线并手动检查传感器，这既耗时又昂贵。然后，根据其状况，可以重新校准传感器并再次使用，或者可能需要予以更换。这会招致相当大的维护成本。通过利用电化学诊断技术，可以分析传感器的健康状况并有效补偿性能变化。

图1．典型电化学气体传感器信号链（简图）

图2．双通道集成气体检测信号链（简图）

图3．在低相对湿度下的加速寿命测试中，传感器灵敏度（左图）和阻抗（右图）之间的相关性

导致性能下降的常见因素包括温度、湿度和气体浓度过高或电极中毒。短时间暴露于较高温度（50°C以上）一般是可以接受的。但是，让传感器反复经受高温会导致电解质蒸发，并对传感器造成不可逆转的损坏，例如引起基线读数偏移或响应时间变慢。另一方面，超低温度（–30°C以下）会大大降低传感器的灵敏度和响应能力。

湿度是对传感器寿命影响最大的因素。电化学气体传感器的理想工作条件是20°C和60％相对湿度。环境湿度低于60％会导致传感器内部的电解质变干，从而影响响应时间。另一方面，湿度高于60％会导致空气中的水被传感器吸收，从而稀释电解质并影响传感器的特性。吸收水分还会导致传感器泄漏，可能致使引脚腐蚀。

上述劣化机制的幅度即使不是非常大，也会影响传感器。换句话说，电解质耗尽之类的事情是自然发生的，会导致传感器老化。无论工作条件如何，老化过程都会限制传感器的寿命，不过某些EC Sense气体传感器的工作时间可超过10年。

可以使用电化学阻抗谱（EIS）或计时安培分析法（在观测传感器输出的同时施加偏置电压脉冲）等技术来分析传感器。

EIS是利用正弦信号（通常为电压）激励电化学系统而进行的频域分析测量。在每个频率下，流过电化学电池的电流都会被记录下来，用于计算电池的阻抗。然后，数据通常以奈奎斯特图和波特图形式显示。奈奎斯特图显示复阻抗数据，每个频率点均由x轴上的实数部分和y轴上的虚数部分来绘制。这种数据表示的主要缺点是会丢失频率信息。波特图显示阻抗幅度和相位角与频率的关系。

实验测量结果表明，传感器灵敏度的下降与EIS测试结果的变化之间具有很强的相关性。图3中的示例显示了加速寿命测试的结果，其中电化学气体传感器被置于低湿度（10％RH）和较高温度（40°C）的环境中。在整个实验过程中，定时将传感器从环境室中取出并放置一个小时，然后进行已知目标气体浓度下的基线灵敏度测试和EIS测试。测试结果清楚表明了传感器灵敏度和阻抗之间的相关性。这种测量的缺点是颇费时间，因为在很低的亚赫兹频率下获得测量结果非常耗时。

计时安培法（脉冲测试）是另一种有助于分析传感器健康状况的技术。测量方法如下：在传感器偏置电压上叠加一个电压脉冲，同时观测流经电化学电池的电流。脉冲幅度一般非常低（例如1 mV）且很短（例如200 ms），因此不会干扰传感器本身。这样便能相当频繁地执行测试，同时气体检测仪器保持正常运行。在执行更耗时的EIS测量之前，可以使用计时安培法来检查传感器是否已物理插入设备中，还能指示传感器性能的变化。传感器对电压脉冲响应的示例如图4所示。

图4．计时安培分析法测试的示例结果

先前的传感器探查技术已在电化学领域使用了数十年。然而，这些测量所需的设备通常很昂贵且笨重。从实践和资金两方面看，使用这种设备根本无法测试现场部署的大量气体传感器。为了实现远程内置传感器健康状况分析，必须将诊断特性直接集成为信号链的一部分。