模拟前端设计增强电化学传感性能

电子发烧友网报道（文/李宁远）目前应用的传感器里以半导体技术、电化学技术和光学技术为主。电化学技术是利用待测物的电化学性质，将待测物化学量转变成电学量进行传感检测的一项技术。
 
电化学传感很早之前就被用来检测气体，在环保检测应用广泛。随着电化学传感在材料、传感技术、硬件设计上的进步，以及物联网趋势席卷各行各业，其应用场景逐步增多，在工农业、环境监控、医疗领域展示出了极高的应用价值。
 
电化学传感——气体、离子和生物传感
 
将电化学传感根据检测对象的不同分为气体传感器、离子传感器和生物传感器。电化学离子传感器即可以用来测定许多阴、阳离子及有机物，一般是用来检测各种液体或溶于液体中的污染物离子成分，不过部分电化学离子传感也能用于检测气体污染物。比较典型的应用就是使用电化学离子传感器测定PH值和氟含量。
 
电化学气体传感，广泛应用在水质检测、大气监测中的传感器类型，比半导体技术路线、催化燃烧技术路线、红外线技术路线在实际应用中展现出了良好的敏感性与选择性，在多气体监测中起到了至关重要的作用。电化学气体传感器通过催化被测气体，在电极表面发生氧化还原反应进而产生电流，通过测试电流的大小即可判定被测气体浓度的高低。
 
电化学气体传感在灵敏度、响应恢复、重复性上一直都还不错，成熟度很高，一直被人诟病是其使用寿命和对其他气体的交叉敏感问题，随着传感元件技术的不断发展和催化剂种类、电解液材料的革新已经得到了不错的解决。目前电化学气体传感器基本可以用在对所有大气污染物的检测上。
 
普遍来看电化学气体传感的功耗都不算高，在电极表面通过化学反应产生的电流足以支持传感器本身功耗，整个模组更多的功耗来自其他元件，低功耗实现起来比较容易。此外被测气体会受到传感器的扩散控制，产生和气体浓度成正比的线性输出。因此相比于其他传感技术在输出前要进行线性化处理，这也是电化学气体传感的一个优势。这一优势对传感器完成低浓度监测以及后续的校正都提供了便利，能够很好地实现定量检测。
 
电化学生物传感器是以生物中的活性单元作为待测物，以电流、电导或电势变化作为特征检测信号的传感器。它同样利用化学反应原理，把有机物质或者无机物质所含的浓度、组成成分等，转换为电信号。这一传感在医疗领域有着非常重要的作用，生活中常见的血糖测试纸就是电化学生物传感器。
 
电化学生物传感器可以按照生物识别元件进一步划分，如电化学免疫传感器、电化学核酸传感器、电化学酶生物传感器等。生物识别元件是这类传感器特异性检测的关键，生物识别机制涉及专业的生物、医疗知识，是未来医疗领域重点发展的一类电化学传感器。
 
模拟前端与电化学传感
 
传感器的设计向来都是难度较高的，既要保证传感器信号链能够同时提供精度和灵活性，还要尽可能小型化和低功耗。在污染物检测和生物检测中，由于测量误差导致的漏报或误报导致的后果还是很严重的。
 
现在的电化学传感模拟前端基本都是可编程的，保证传感器信号链有足够的灵活性。在高精度方面，模拟前端可以通过高精度的激励环路，为传感元件提供高精度测量支持。高精度的激励环路通过低带宽或高带宽的激励信号，优化信号链，降低系统整体噪声水平，配合高性能的TIA或ADC，能将测量精度提高。
 
小结
 
现在越来越多模拟前端会集成恒电位仪、电化学阻抗谱功能和用于先进传感器诊断的硬件加速器等等，提供给电化学传感器更快、更精准、更可靠的支持。加之传感元件材料的进一步扩充，电化学传感器的功能趋于多样化，在消费电子、工业安全、环境检测、医疗分析等各种场景里开拓出更多的应用。