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克服電化學氣體感測的技術挑戰
 

【作者: Michal Raninec】   2020年01月06日 星期一

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電化學氣體感測這項成熟的技術最早起源自1950年代,當時是為了監視氧氣而研發。這項技術的第一批應用是葡萄糖生物感測器,主要用來量測葡萄糖的耗氧量。在之後的數十年裡,因技術持續進步除了讓感測器得以微縮,還能偵測多種目標氣體。


在感測無所不在的世界,不勝枚數的新型氣體感測應用出現在眾多產業-像是汽車空氣品質監控或電子鼻等。各國當局持續修訂的法規以及安全標準,使得包括新型以及既有應用面臨的要求也變得更具挑戰性。這意謂著未來的氣體感測器必須精準量測大幅降低的濃度、


對目標氣體的偵測更有選擇性、使用電池維持更久的工作時間,以及更長時間提供一致的效能,並持續安全且可靠的工作。


電化學氣體感測器的優點與缺點

電化學氣體感測廣受歡迎主要歸因於輸出的線性度、低功耗、以及良好的解析度。此外,在針對目標氣體的已知濃度進行校正後,量測的可重現性和精準度都達到理想的水準。技術在經過數十年的演進後,這些感測器能對特定種類的氣體提供極好的選擇性。


工業應用–像是維護員工安全的有毒氣體偵測–由於考量到各項優點,因此率先運用電化學感測器。這些感測器較低廉的作業成本讓用戶能部署區域性的氣體監控系統,確保在包括採礦、化學工業、生物氣體工廠、食品製造、製藥業等產業的員工能在安全的環境條件下工作。


感測技術本身雖然持續演進,然而自從電化學氣體感測發明開始,基本運作原理以及連帶的各項缺點卻一直沒變。一般而言,電化學感測器的壽命有限–通常是六個月到一年。此外,感測器的老化對長期效能也有重大的影響。感測器製造商通常會標示感測器靈敏度每年衰減偏差20%;雖然偵測目標氣體的靈敏度有大幅改進,但感測器對其他氣體的交叉靈敏度卻不盡理想,以致量測干擾以及錯誤讀數的機率提高。另外,還有溫度相依性的問題,因此必須在內部進行溫度補償。


技術挑戰

設計先進氣體感測系統所面臨的技術挑戰,可依據系統的壽期階段區分成三類。


第一類:感測器製造方面的挑戰,包括生產的重複性,以及感測器的特性以及校正。製造流程本身雖然高度自動化,但每個感測器難免出現變異。正因有這些變異,感測器能夠在生產階段進行特性分析與校正。


第二類:技術挑戰存在於系統生命週期的每一刻,其中包括系統架構最佳化,像是訊號鏈設計或功耗的考量。在工業應用方面,主要側重於電磁相容性(EMC)和遵循功能安全規範,對於設計成本以及上市時程形成負面影響。另外,工作條件也扮演吃重角色,並對要求效能與壽期的維護方面形成許多挑戰。


由於這項技術本身的特性,電化學感測器在壽期中出現老化與漂移,以致須經常校正或更換整個感測器。若是在本文後面所述的嚴苛環境中運作,效能的變化還會進一步加快。延長感測器的壽命同時維持其效能,則成為許多應用的其中一項關鍵要求,特別是系統總擁有成本至關重要的狀況。


第三類:即使運用各種技巧來延長運轉生命週期,所有的電化學感測器最後還是會終止壽命,屆時效能就無法符合要求,必須更換感測器。而有效偵測壽命終止狀態也就成為一項挑戰,若能加以克服即可大幅降低成本,減少不必要的更換。進一步來說,如果能預測感測器何時會失效,氣體感測系統的運行成本就能進一步降低。


所有氣體感測應用中,電化學氣體感測的運用日趨頻繁,進而對這些系統的後勤、運轉、以及維護方面形成許多挑戰,並導致總擁有成本升高。因此各界利用具備診斷功能的特定應用專屬類比前端元件來降低技術缺點所造成的影響,這些缺點最關鍵的一項,就是感測器的壽命有限,解決此問題後即可確保氣體感測系統的長期持續性與可靠度。


訊號鏈整合協助降低設計複雜度

傳統訊號鏈的複雜度,在大多情況牽涉到運用獨立類比至數位轉換器、放大器、以及其他模組進行設計,迫使研發業者必須在電源效率、量測精準度、或訊號鏈佔用電路板空間等因素作權衡取捨。


在設計挑戰方面,舉一個能量測多種目標氣體的儀器為例。每個感測器需要不同的偏壓以維持正常運作。此外,每個感測器的靈敏度也會不同–因此必須調整放大器的增益,藉以讓訊號鏈達到最大效能。對於研發業者而言,光是這兩項因素就會提高可設定量測通道設計的複雜度,該通道可連結不同感測器,而且無須修改BOM零組件清單或電路圖。圖一顯示一個單量測通道的簡化模塊圖。


和所有其他電子系統一樣,整合是演進過程中的一個步驟,藉以造就更具效率與強大的解決方案。整合式的單晶片氣體感測訊號鏈能簡化系統設計,舉例來說,整合TIA(跨阻抗放大器)增益暫存器,或運用一個數位至類比轉換器作為感測器的偏壓來源(如圖二所示)。拜訊號鏈整合之賜,量測通道可透過軟體進行設定,連結不同種類的電化學感測器,同時降低設計的複雜度。


此外,這樣的整合訊號鏈其耗電需求也會大幅降低,低功耗對於考量電池壽命的應用至關重要。至於降低訊號鏈的雜訊可改進量測的精準度,這方面可採用各種訊號處理元件,像是TIA或效能更好的ADC。


回頭來看多重氣體儀器的例子,拜訊號鏈整合之賜,我們得以:


* 建構完全可設定的量測通道,並降低訊號鏈的複雜度,輕鬆運用單訊號鏈設計


* 減少訊號鏈佔用的電路板空間


* 降低功耗


* 改進量測精準度


感測器劣化與診斷

雖然訊號鏈整合是重要步驟,但光是整合還不夠解決電化學氣體感測器的根本缺點–也就是在使用壽命內效能逐漸劣化。可以理解的是,這種劣化源自於感測器的工作原理以及構造。另外,各種工作條件也會造成效能衰退以及加快感測器老化。感測器精準度會逐漸下降,最終變得不可靠且不適合完成任務。一般的作法是讓儀器離線然後以人工檢查感測器,但既費時又所費不貲。根據實際狀況,檢修後的感測器經重新校正後可再次使用,或者必須更換,這樣的步驟會衍生可觀的維護成本。藉由運用電化學診斷技巧,我們可以分析感測器的健康狀態,並有效補償效能的變化。



圖一 : 典型的電化學氣體感測器訊號鏈(簡圖)
圖一 : 典型的電化學氣體感測器訊號鏈(簡圖)

圖二 : 雙通道整合式氣體感測訊號鏈(簡圖)
圖二 : 雙通道整合式氣體感測訊號鏈(簡圖)

圖三 : 在低相對溼度下進行加速壽命測試期間,感測器靈敏度(圖左)與阻抗(圖右)的關係
圖三 : 在低相對溼度下進行加速壽命測試期間,感測器靈敏度(圖左)與阻抗(圖右)的關係

導致效能衰減的因素包括過高溫度、溼度、氣體濃度、或是電極毒化(poisoning)。短時間暴露在高溫(超過攝氏50度)一般不會有大礙。然而,感測器若是頻繁處於高溫下,會造成電解質蒸發,導致感測器出現不可逆的損壞,像是基準讀數偏移,或是反應時間變慢。極低溫度(低於攝氏零下30度),則會導致感測器的靈敏度以及反應速度大幅下滑。


溼度對於感測器壽命的影響遠高過溫度。電化學氣體感測器的理想工作條件為攝氏20度與60%相對溼度。環境溼度若低於60%,會導致感測器內的電解質乾掉,進而影響反應時間。另一方面,當溼度超過60%則會導致感測器吸入空氣中的水氣,導致電解質被稀釋,進而影響感測器的各項屬性。此外,吸收水氣也會造成感測器電解質漏液,流出的電解質可能導致接腳腐蝕。


上述的劣化機制即使沒有達到極端程度,也會對感測器產生影響。舉例來說,就是電解質耗損,這種自然現象會導致感測器老化。像德國EC Sense公司旗下的一些氣體感測器聲稱能運作超過10年,但不論運行條件如何,老化過程都會限制感測器的壽命。


我們可以利用各種技巧來分析感測器,像是電化學阻抗頻譜(EIS)或時間電流滴定(在觀察感測器輸出時接上偏壓電壓)。


EIS是頻域分析方法,用一個正弦訊號去激發電化學系統,通常使用電壓訊號。在每個頻率上,記錄下經過電化學電池的電流,用來計算電池的阻抗。這些資料列在奈奎斯特圖以及波德圖。奈斯奎特圖顯示複雜阻抗資料,每個頻率點接到 x軸的實際部分以及y軸的想像部分。這種資料表示法的主要缺點,是會遺失頻率資訊。波德圖則顯示阻抗幅度以及相位角與頻率的關係。


實驗量測數據顯示感測器衰減靈敏度和EIS測試結果的變化,兩者之間有著密切的關係。圖3的例子顯示一項加速壽命測試的結果,當中電化學氣體感測器在低溼度(10%相對溼度)與升高溫度(攝氏40%)條件下進行壓力測試。在實驗過程中,感測器定時取出環控箱並靜置一小時。在基準靈敏度測試中,使用一種已知目標氣體濃度進行EIS測試。測試結果明確顯示感測器靈敏度和阻抗之間的關係。然而這種量測方法的缺點是太過冗長,由於在低頻率下進行量測,因此相當費時。


另一種技巧是時間電流滴定法(脈衝測試),其能協助進行感測器健康狀態分析。量測是將一個電壓脈衝疊加到感測器的偏壓電壓上,然後觀測經過電化學電池的電流。脈衝幅度通常很低(像是1 mV)且短(像是200 毫秒),因此不會干擾感測器。因此測試可以頻繁執行,氣體感測儀器仍可維持正常運行。時間電流滴定可用來檢查感測器是否插在裝置維持物理連結,以及顯示感測器效能的變化,之後再視狀況執行較費時的EIS量測。圖四顯示感測器對電壓脈衝的反應。



圖四 : 時間電流滴定法測試結果的例子
圖四 : 時間電流滴定法測試結果的例子

之前的感測器查詢技巧用在電化學領域已有數十年之久。然而,執行這些量測的設備通常既昂貴又笨重。從實務和財務的角度看,利用這類設備並不可行,無法用來測試部署在實地的大量氣體感測器。想要從遠端分析內建感測器的健康狀態,診斷功能必須直接整合到訊號鏈。


藉由整合診斷功能,系統即可自主測試氣體感測器,無須人工操作。如果氣體感測器在生產時即完成特性分析,從感測器蒐集到的資料可拿來和這些特性資料集進行比對,藉此瞭解感測器當前的狀況。智慧演算法未來將用來補償感測器靈敏度的減損。此外,記錄感測器的歷史資料,日後可用來提早預報壽命終止,在感測器需要更換時向使用者發出警示。內建診斷功能未來將能減少氣體感測系統的維護需求,並延長感測器的運行壽命。


工業應用的系統設計挑戰

在工業環境中,安全與可靠性至關重要。各國都制定了嚴格的規範,來確保氣體感測系統在像是化學工廠這類嚴峻的工業環境中,依然能符合上述需求,所有功能都能可靠運行。


電磁相容(EMC)是指不同電子元件在並存的電磁環境中能正常發揮功能,不會相互干擾。涉及EMC的測試,包括像輻射雜訊或輻射免疫力。輻射測試研究的是系統想避免掉的放射以協助減少這類放射訊號,而輻射免疫力測試則是檢驗系統在受到其他系統干擾時能夠維持正常運作的能力。


EC氣體感測器本身的結構對EMC效能有負面的影響。感測器的電極形同天線,會拾取週圍電子系統的干擾訊號。在無線連網的氣體感測裝置上,像是員工隨身攜帶的安全儀器,這樣的干擾尤其顯著。


EMC測試通常相當耗時,之後可能需要反覆修正系統設計,直到符合各項要求為止。這項測試對於產品研發所投入的成本與時間佔了相當高的比重。若是採用整合式訊號鏈解決方案,事先通過測試證明符合相關ECM規範,則時間與成本的費用就會大幅降低。


另一項重大考量因素,同時也是一項技術挑戰,就是功能安全。功能安全的定義是偵測潛在的危險狀況,進而啟動保護或校正機制以避免任何危險事件。這種安全功能提供的風險降低相對水平則定義為安全完整性能等級(SIL)。功能安全要求自然也被納入各項工業標準。


在工業氣體感測應用中,功能安全的重要性經常和環境的安全作業一起被提及,這類環境中經常出現爆炸性或可燃性氣體。化學工廠或開採工地就是這類應用的實例。想要遵循功能安全標準,系統必須針對符合要求的安全完整性等級通過功能安全的考核。


Analog Devices的單晶片電化學量測系統

為克服上述挑戰,並讓客戶能設計出更智能化、更精準、具競爭力的氣體感測系統,Analog Devices推出ADuCM355—這款單晶片電化學量測系統瞄準氣體感測以及水質分析應用。


ADuCM355整合兩個電化學量測通道; 一個阻抗量測引擎,用來診斷感測器; 嵌入型I/O控制一個超低功耗混合訊號ARM Cortex-M3微控制器,用來執行使用者應用/感測器診斷/補償演算法。圖五顯示ADuCM355的功能模塊簡圖。



圖五 :  ADuCM355的功能模塊簡圖
圖五 : ADuCM355的功能模塊簡圖

瞭解市場趨勢以及顧客需求,協助Analog Devices設計出一款高度整合的晶片式量測系統,內含:


* 一個16位元400 kSPS ADC


* 兩個雙輸出DAC,為電化學電池產生偏壓電壓


* 兩個超低功耗的低雜訊恒電位儀,內含TIA放大器


* 一個高速12位元DAC與高速TIA


* 類比硬體加速器(波形產生器、數位傅立葉轉換模塊、以及數位濾波器)協助診斷各項內建溫度感測器


* 26 MHz時脈的ARM Cortex-M3 微控制器


ADuCM355 提供多種方法,協助克服電化學氣體感測的技術挑戰。兩個量測通道除了支援最常見的三電極氣體感測器,還支援四電極感測器組態。第四個電極用來執行診斷,或在雙氣體感測器中作為感測第二種目標氣體的工作電極。任何恒定電位器也能用來設定至休眠模式,以降低電力消耗,以及維持感測器的偏壓,進而縮短感測器開始正常運行所需的時間。類比硬體加速器模塊讓感測器能診斷各項量測,像是電化學阻抗頻譜以及時間電流滴定。整合微控制器之後可用來執行補償演算法、儲存校正參數、以及執行使用者應用。此外,ADuCM355還能針對各種EMC要求進行設計,以遵循EN 50270標準的規範。


總結Conclusion

在技術推陳出新的情況下,我們現今已經能擁有所有必要的知識與工具來有效克服各項技術挑戰,直到最近,終於讓電化學氣體感測器邁入無所不在全面感測的時代。從低成本的無線空氣品質監視器,一直到製程控制和各種工安應用,訊號鏈整合以及內建診斷功能,都將讓這些感測器的運用更為廣泛,並減少維護需求、改進精準度、延長感測器壽命,以及降低成本。


(本文作者Michal Raninec為ADI自動化及能源事業群工業系統部系統應用工程師)


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