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克服电化学气体感测的技术挑战
[作者 Michal Raninec]   2020年01月06日 星期一 浏览人次: [2429]

电化学气体感测这项成熟的技术最早起源自1950年代,当时是为了监视氧气而研发。这项技术的第一批应用是葡萄糖生物感测器,主要用来量测葡萄糖的耗氧量。在之後的数十年里,因技术持续进步除了让感测器得以微缩,还能侦测多种目标气体。


在感测无所不在的世界,不胜枚数的新型气体感测应用出现在众多产业━像是汽车空气品质监控或电子鼻等。各国当局持续修订的法规以及安全标准,使得包括新型以及既有应用面临的要求也变得更具挑战性。这意谓着未来的气体感测器必须精准量测大幅降低的浓度、


对目标气体的侦测更有选择性、使用电池维持更久的工作时间,以及更长时间提供一致的效能,并持续安全且可靠的工作。


电化学气体感测器的优点与缺点

电化学气体感测广受欢迎主要归因於输出的线性度、低功耗、以及良好的解析度。此外,在针对目标气体的已知浓度进行校正後,量测的可重现性和精准度都达到理想的水准。技术在经过数十年的演进後,这些感测器能对特定种类的气体提供极好的选择性。


工业应用-像是维护员工安全的有毒气体侦测-由於考量到各项优点,因此率先运用电化学感测器。这些感测器较低廉的作业成本让用户能部署区域性的气体监控系统,确保在包括采矿、化学工业、生物气体工厂、食品制造、制药业等产业的员工能在安全的环境条件下工作。


感测技术本身虽然持续演进,然而自从电化学气体感测发明开始,基本运作原理以及连带的各项缺点却一直没变。一般而言,电化学感测器的寿命有限-通常是六个月到一年。此外,感测器的老化对长期效能也有重大的影响。感测器制造商通常会标示感测器灵敏度每年衰减偏差20%;虽然侦测目标气体的灵敏度有大幅改进,但感测器对其他气体的交叉灵敏度却不尽理想,以致量测干扰以及错误读数的机率提高。另外,还有温度相依性的问题,因此必须在内部进行温度补偿。


技术挑战

设计先进气体感测系统所面临的技术挑战,可依据系统的寿期阶段区分成三类。


第一类:@内文:感测器制造方面的挑战,包括生产的重复性,以及感测器的特性以及校正。制造流程本身虽然高度自动化,但每个感测器难免出现变异。正因有这些变异,感测器能够在生产阶段进行特性分析与校正。


第二类:@内文:技术挑战存在於系统生命周期的每一刻,其中包括系统架构最隹化,像是讯号链设计或功耗的考量。在工业应用方面,主要侧重於电磁相容性(EMC)和遵循功能安全规范,对於设计成本以及上市时程形成负面影响。另外,工作条件也扮演吃重角色,并对要求效能与寿期的维护方面形成许多挑战。


由於这项技术本身的特性,电化学感测器在寿期中出现老化与漂移,以致须经常校正或更换整个感测器。若是在本文後面所述的严苛环境中运作,效能的变化还会进一步加快。延长感测器的寿命同时维持其效能,则成为许多应用的其中一项关键要求,特别是系统总拥有成本至关重要的状况。


第三类:@内文:即使运用各种技巧来延长运转生命周期,所有的电化学感测器最後还是会终止寿命,届时效能就无法符合要求,必须更换感测器。而有效侦测寿命终止状态也就成为一项挑战,若能加以克服即可大幅降低成本,减少不必要的更换。进一步来说,如果能预测感测器何时会失效,气体感测系统的运行成本就能进一步降低。


所有气体感测应用中,电化学气体感测的运用日趋频繁,进而对这些系统的後勤、运转、以及维护方面形成许多挑战,并导致总拥有成本升高。因此各界利用具备诊断功能的特定应用专属类比前端元件来降低技术缺点所造成的影响,这些缺点最关键的一项,就是感测器的寿命有限,解决此问题後即可确保气体感测系统的长期持续性与可靠度。


讯号链整合协助降低设计复杂度

传统讯号链的复杂度,在大多情况牵涉到运用独立类比至数位转换器、放大器、以及其他模组进行设计,迫使研发业者必须在电源效率、量测精准度、或讯号链占用电路板空间等因素作权衡取舍。


在设计挑战方面,举一个能量测多种目标气体的仪器为例。每个感测器需要不同的偏压以维持正常运作。此外,每个感测器的灵敏度也会不同-因此必须调整放大器的增益,藉以让讯号链达到最大效能。对於研发业者而言,光是这两项因素就会提高可设定量测通道设计的复杂度,该通道可连结不同感测器,而且无须修改BOM零组件清单或电路图。图一显示一个单量测通道的简化模块图。


和所有其他电子系统一样,整合是演进过程中的一个步骤,藉以造就更具效率与强大的解决方案。整合式的单晶片气体感测讯号链能简化系统设计,举例来说,整合TIA(跨阻抗放大器)增益暂存器,或运用一个数位至类比转换器作为感测器的偏压来源(如图二所示)。拜讯号链整合之赐,量测通道可透过软体进行设定,连结不同种类的电化学感测器,同时降低设计的复杂度。


此外,这样的整合讯号链其耗电需求也会大幅降低,低功耗对於考量电池寿命的应用至关重要。至於降低讯号链的杂讯可改进量测的精准度,这方面可采用各种讯号处理元件,像是TIA或效能更好的ADC。


回头来看多重气体仪器的例子,拜讯号链整合之赐,我们得以:


* 建构完全可设定的量测通道,并降低讯号链的复杂度,轻松运用单讯号链设计


* 减少讯号链占用的电路板空间


* 降低功耗


* 改进量测精准度


感测器劣化与诊断

虽然讯号链整合是重要步骤,但光是整合还不够解决电化学气体感测器的根本缺点-也就是在使用寿命内效能逐渐劣化。可以理解的是,这种劣化源自於感测器的工作原理以及构造。另外,各种工作条件也会造成效能衰退以及加快感测器老化。感测器精准度会逐渐下降,最终变得不可靠且不适合完成任务。一般的作法是让仪器离线然後以人工检查感测器,但既费时又所费不赀。根据实际状况,检修後的感测器经重新校正後可再次使用,或者必须更换,这样的步骤会衍生可观的维护成本。藉由运用电化学诊断技巧,我们可以分析感测器的健康状态,并有效补偿效能的变化。



图一 : 典型的电化学气体感测器讯号链(简图)
图一 : 典型的电化学气体感测器讯号链(简图)

图二 : 双通道整合式气体感测讯号链(简图)
图二 : 双通道整合式气体感测讯号链(简图)

图三 : 在低相对湿度下进行加速寿命测试期间,感测器灵敏度(图左)与阻抗(图右)的关系
图三 : 在低相对湿度下进行加速寿命测试期间,感测器灵敏度(图左)与阻抗(图右)的关系

导致效能衰减的因素包括过高温度、湿度、气体浓度、或是电极毒化(poisoning)。短时间暴露在高温(超过摄氏50度)一般不会有大碍。然而,感测器若是频繁处於高温下,会造成电解质蒸发,导致感测器出现不可逆的损坏,像是基准读数偏移,或是反应时间变慢。极低温度(低於摄氏零下30度),则会导致感测器的灵敏度以及反应速度大幅下滑。


湿度对於感测器寿命的影响远高过温度。电化学气体感测器的理想工作条件为摄氏20度与60%相对湿度。环境湿度若低於60%,会导致感测器内的电解质乾掉,进而影响反应时间。另一方面,当湿度超过60%则会导致感测器吸入空气中的水气,导致电解质被稀释,进而影响感测器的各项属性。此外,吸收水气也会造成感测器电解质漏液,流出的电解质可能导致接脚腐蚀。


上述的劣化机制即使没有达到极端程度,也会对感测器产生影响。举例来说,就是电解质耗损,这种自然现象会导致感测器老化。像德国EC Sense公司旗下的一些气体感测器声称能运作超过10年,但不论运行条件如何,老化过程都会限制感测器的寿命。


我们可以利用各种技巧来分析感测器,像是电化学阻抗频谱(EIS)或时间电流滴定(在观察感测器输出时接上偏压电压)。


EIS是频域分析方法,用一个正弦讯号去激发电化学系统,通常使用电压讯号。在每个频率上,记录下经过电化学电池的电流,用来计算电池的阻抗。这些资料列在奈奎斯特图以及波德图。奈斯奎特图显示复杂阻抗资料,每个频率点接到 x轴的实际部分以及y轴的想像部分。这种资料表示法的主要缺点,是会遗失频率资讯。波德图则显示阻抗幅度以及相位角与频率的关系。


实验量测数据显示感测器衰减灵敏度和EIS测试结果的变化,两者之间有着密切的关系。图3的例子显示一项加速寿命测试的结果,当中电化学气体感测器在低湿度(10%相对湿度)与升高温度(摄氏40%)条件下进行压力测试。在实验过程中,感测器定时取出环控箱并静置一小时。在基准灵敏度测试中,使用一种已知目标气体浓度进行EIS测试。测试结果明确显示感测器灵敏度和阻抗之间的关系。然而这种量测方法的缺点是太过冗长,由於在低频率下进行量测,因此相当费时。


另一种技巧是时间电流滴定法(脉冲测试),其能协助进行感测器健康状态分析。量测是将一个电压脉冲叠加到感测器的偏压电压上,然後观测经过电化学电池的电流。脉冲幅度通常很低(像是1 mV)且短(像是200 毫秒),因此不会干扰感测器。因此测试可以频繁执行,气体感测仪器仍可维持正常运行。时间电流滴定可用来检查感测器是否??在装置维持物理连结,以及显示感测器效能的变化,之後再视状况执行较费时的EIS量测。图4显示感测器对电压脉冲的反应。



图四 : 时间电流滴定法测试结果的例子
图四 : 时间电流滴定法测试结果的例子

之前的感测器查询技巧用在电化学领域已有数十年之久。然而,执行这些量测的设备通常既昂贵又笨重。从实务和财务的角度看,利用这类设备并不可行,无法用来测试部署在实地的大量气体感测器。想要从远端分析内建感测器的健康状态,诊断功能必须直接整合到讯号链。


藉由整合诊断功能,系统即可自主测试气体感测器,无须人工操作。如果气体感测器在生产时即完成特性分析,从感测器搜集到的资料可拿来和这些特性资料集进行比对,藉此了解感测器当前的状况。智慧演算法未来将用来补偿感测器灵敏度的减损。此外,记录感测器的历史资料,日後可用来提早预报寿命终止,在感测器需要更换时向使用者发出警示。内建诊断功能未来将能减少气体感测系统的维护需求,并延长感测器的运行寿命。


工业应用的系统设计挑战

在工业环境中,安全与可靠性至关重要。各国都制定了严格的规范,来确保气体感测系统在像是化学工厂这类严峻的工业环境中,依然能符合上述需求,所有功能都能可靠运行。


电磁相容(EMC)是指不同电子元件在并存的电磁环境中能正常发挥功能,不会相互干扰。涉及EMC的测试,包括像辐射杂讯或辐射免疫力。辐射测试研究的是系统想避免掉的放射以协助减少这类放射讯号,而辐射免疫力测试则是检验系统在受到其他系统干扰时能够维持正常运作的能力。


EC气体感测器本身的结构对EMC效能有负面的影响。感测器的电极形同天线,会拾取周围电子系统的干扰讯号。在无线连网的气体感测装置上,像是员工随身携带的安全仪器,这样的干扰尤其显着。


EMC测试通常相当耗时,之後可能需要反覆修正系统设计,直到符合各项要求为止。这项测试对於产品研发所投入的成本与时间占了相当高的比重。若是采用整合式讯号链解决方案,事先通过测试证明符合相关ECM规范,则时间与成本的费用就会大幅降低。


另一项重大考量因素,同时也是一项技术挑战,就是功能安全。功能安全的定义是侦测潜在的危险状况,进而启动保护或校正机制以避免任何危险事件。这种安全功能提供的风险降低相对水平则定义为安全完整性能等级(SIL)。功能安全要求自然也被纳入各项工业标准。


在工业气体感测应用中,功能安全的重要性经常和环境的安全作业一起被提及,这类环境中经常出现爆炸性或可燃性气体。化学工厂或开采工地就是这类应用的实例。想要遵循功能安全标准,系统必须针对符合要求的安全完整性等级通过功能安全的考核。


Analog Devices的单晶片电化学量测系统

为克服上述挑战,并让客户能设计出更智能化、更精准、具竞争力的气体感测系统,Analog Devices推出ADuCM355这款单晶片电化学量测系统瞄准气体感测以及水质分析应用。


ADuCM355整合两个电化学量测通道; 一个阻抗量测引擎,用来诊断感测器; 嵌入型I/O控制一个超低功耗混合讯号ARM Cortex-M3微控制器,用来执行使用者应用/感测器诊断/补偿演算法。图5显示ADuCM355的功能模块简图



图五 :  ADuCM355的功能模块简图
图五 : ADuCM355的功能模块简图

了解市场趋势以及顾客需求,协助Analog Devices设计出一款高度整合的晶片式量测系统,内含:


冨 一个16位元400 kSPS ADC


冨 两个双输出DAC,为电化学电池产生偏压电压


冨 两个超低功耗的低杂讯??电位仪,内含TIA放大器


冨 一个高速12位元DAC与高速TIA


冨 类比硬体加速器(波形产生器、数位傅立叶转换模块、以及数位滤波器)协助诊断各项量测


冨 内建温度感测器


冨 26 MHz时脉的ARM Cortex-M3 微控制器


ADuCM355 提供多种方法,协助克服电化学气体感测的技术挑战。两个量测通道除了支援最常见的三电极气体感测器,还支援四电极感测器组态。第四个电极用来执行诊断,或在双气体感测器中作为感测第二种目标气体的工作电极。任何??定电位器也能用来设定至休眠模式,以降低电力消耗,以及维持感测器的偏压,进而缩短感测器开始正常运行所需的时间。类比硬体加速器模块让感测器能诊断各项量测,像是电化学阻抗频谱以及时间电流滴定。整合微控制器之後可用来执行补偿演算法、储存校正叁数、以及执行使用者应用。此外,ADuCM355还能针对各种EMC要求进行设计,以遵循EN 50270标准的规范。


总结Conclusion

在技术推陈出新的情况下,我们现今已经能拥有所有必要的知识与工具来有效克服各项技术挑战,直到最近,终於让电化学气体感测器迈入无所不在全面感测的时代。从低成本的无线空气品质监视器,一直到制程控制和各种工安应用,讯号链整合以及内建诊断功能,都将让这些感测器的运用更为广泛,并减少维护需求、改进精准度、延长感测器寿命,以及降低成本。


(本文作者Michal Raninec为ADI自动化及能源事业群工业系统部系统应用工程师)


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