電化學(xué)氣體傳感器設計面臨的三大挑戰

根據一份研究報告顯示，空氣污染已經(jīng)成為繼吸煙，飲食和肥胖癥之后全球第4大導致人過(guò)早死亡的風(fēng)險因素?？諝馕廴镜奈：Ψ浅４?，因此，對CO、CO2、NOx、甲醛等有害氣體的監測非常必要，肩負監測使命的氣體傳感器也開(kāi)始被越來(lái)越多的大眾熟知。

淺析氣體檢測技術(shù)的多種實(shí)現形式

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器，探測頭通過(guò)氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。按傳感器檢測原理來(lái)分，氣體傳感器通?？梢苑譃闊釋W(xué)氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、磁學(xué)氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器、半導體氣體傳感器、紅外氣體傳感器等。

氣體檢測技術(shù)大致分類(lèi)

熱學(xué)氣體傳感器主要有熱導式和熱化學(xué)式兩大類(lèi)。熱導式是利用氣體的熱導率，通過(guò)對其中熱敏元件電阻的變化來(lái)測量一種或幾種氣體組分濃度的；紅外氣體傳感器利用各種元素對某個(gè)特定波長(cháng)的吸收原理，具有反應靈敏的特點(diǎn)，且對大多數碳氫化合物都有反應。美中不足的是，紅外式傳感器結構復雜，成本高。電化學(xué)氣體傳感器則是利用被測氣體的電化學(xué)活性，將其電化學(xué)氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。目前可以檢測許多有毒氣體和氧氣，還能檢測血液中的氧濃度。電化學(xué)氣體傳感器的普及可以歸因于其線(xiàn)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(jìn)行校準，其測量的重復性和精度也非常好。數十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對特定氣體類(lèi)型提供非常好的選擇性。由于其優(yōu)點(diǎn)眾多，工業(yè)應用（例如用于保護工人安全的有毒氣體檢測）率先采用了電化學(xué)傳感器。這些傳感器的運行經(jīng)濟性促進(jìn)了區域有毒氣體監測系統的部署，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠(chǎng)、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

電化學(xué)氣體傳感器基本信號鏈

不過(guò)，盡管檢測技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但自電化學(xué)氣體檢測出現以來(lái)，其基本工作原理以及與生俱來(lái)的缺點(diǎn)并未改變。通常，電化學(xué)氣體傳感器的保質(zhì)期有限，一般為六個(gè)月至一年，傳感器的老化也會(huì )對其長(cháng)期性能產(chǎn)生重大影響，傳感器制造商通常會(huì )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(zhù)改善，但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問(wèn)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(guān)，必須在內部進(jìn)行溫度補償。靶向創(chuàng )新，電化學(xué)氣體傳感器設計的三大挑戰

因此，設計先進(jìn)氣體檢測系統需要克服的技術(shù)挑戰可以分為三類(lèi)，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(guò)程本身雖然已高度自動(dòng)化，但不可避免地會(huì )給每個(gè)傳感器帶來(lái)差異。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行表征和校準。其次，在系統的整個(gè)生命周期中都存在技術(shù)挑戰。這包括系統架構優(yōu)化，例如信號鏈設計或功耗考慮。另外，工業(yè)應用中特別注重電磁兼容性(EMC)和功能安全合規性，這會(huì )對設計成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負面影響。工作條件也起著(zhù)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(xué)傳感器在其使用壽命期間會(huì )老化和漂移（這是這種技術(shù)的本性），導致需要頻繁校準或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運行，性能的變化會(huì )進(jìn)一步加速，如本文后面所述。在延長(cháng)傳感器使用壽命的同時(shí)保持其性能，是許多應用的關(guān)鍵要求之一，尤其是在系統擁有成本至關(guān)重要的情況下。第三，即使采用了延長(cháng)使用壽命的技術(shù)，所有電化學(xué)氣體傳感器最終都會(huì )達到其生命終點(diǎn)，此時(shí)性能不再滿(mǎn)足要求，需要更換傳感器。有效檢測壽命結束條件是一個(gè)挑戰，若能解決這個(gè)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(jìn)一步，若能準確預測傳感器何時(shí)將失效，氣體檢測系統的運行成本將會(huì )降低更多。此外，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計的強大支持、更長(cháng)的電池壽命、實(shí)施和維護是終端用戶(hù)在當前技術(shù)發(fā)展階段所要求的關(guān)鍵服務(wù)。降低設計復雜性，可編程氣體分析平臺設計參考。

文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，若有侵權，請聯(lián)系我們刪除。