早在1950年电化学传感器就已用于氧（气）的监测； 随 着对于人生安全的重视与日俱增，便携式电化学传感器的需 求显著增加。今天，电化学传感器已经普遍用在监测各种有 害气体的便携设备中。 电化学传感器的原理是检测气体的化学反应所产生的电 流，而这一电流与气体的浓度成比例。旧式电化学传感器基 于两个电极配置；而为了达到优良的电化学稳定性，目前使 用的是三电极系统。这三个电极彼此并联堆叠，由一个电解 质薄层分隔，电解质在电极之间提供了离子的电接触。 传感器的功能 当某一气体与传感器接触时，会通过一层薄的阻挡隔膜 到达电极表面，进入的气体所遇到的第一个电极是工作电极 （WE），设计工作电极以优化电化学的氧化反应（或降解被 测气体），并产生一个正比与气体浓度的电流。 由于工作电极上电势变化的连续电化学反应，传感器 的性能会随时间的延续而劣化。为了减少退化并维持一个恒 定的且线性良好的灵敏度，靠近工作电极放入一个参考电极 （RE）。参考电极的用途是使工作电极固定在正确的电势上 工作。为了使参考电极能维持恒定的电势，参考电极上不应 该有电流。 应用电化学传感器的设计 AN-1798 2008 National Semiconductor Corporation 300547 美国国家半导体公司 应用注解 1798 Muna Acosta 2008年6月24日 应用电化学传感器的设计 第3个电极，即计数电极（CE），用于导入或导出传感 器的电流。当工作电极氧化一氧化碳时，计数电极还原其它 分子，如氧分子，从而产生电流。这个电流正好与工作电极 极产生的电流相平衡。在工作电极和计数电极之间的离子电 流由电解质传输。 30054701 图1. 典型的电化学传感器 恒电势电路 电化学传感器需要控制电路来进行工作。这个控制电路 被称之为恒电势电路。图2所示为一个简化的恒电势电路， 由两个放大器和一个场效应晶体管所组成。在实现这个电路 时，有一些小的变化，但功能和结果是一样的。 30054702 图2. 恒电势电路 2 AN-1798 恒电势电路的主要用途是在参考电极和工作电极之间保 持一个电压，以便控制电化学反应并送出一个与工作电极的 电流成比例的输出信号。 当传感器暴露于目标气体如一氧化碳时，在工作电极上 的反应将一氧化碳氧化，生成的二氧化碳向传感器外扩散。 传感器内产生出氢离子和电子。氢离子通过电解质向计数电 极迁移，这一过程会留下负电荷，堆积在工作电极。电子从 工作电极流出经过电阻R6到放大器（U2）的反向输入端，放 大器配置成一个跨阻放大器，将工作电极送来的信号电流变 换为一个与所加气体的浓度成比例的电压。 输出电压 = Isensor x R4 例如，10 ppm的一氧化碳气体样品产生的典型信号电流 近似为500 nA，将产生5 mV的输出电压。向计数电极迁移的 氢离子将提升参考电极和工作电极的电势，在参考电极上的这 个微小电势提升能被控制放大器（U1）测量到，放大器会对 计数电极吸收或释放适当的电流以平衡工作电极所需的电流。 用P型场效应晶体管作为一个开关，以防止电路未供电 时传感器被极化。如果传感器被极化，这将使传感器须花费 很长时间才能达到稳定平衡。仅当电源关断时场效应晶体管 才生效，此时它短路工作电极和参考电极来确保工作电极维 持在与参考电极同等的电势上。 放大器的选择是关键 恒电势电路的性能在很大程度上取决于所选放大器的电 气参数。使用未精确规范的、高偏置电流的放大器来设计恒 电势电路将会影响传感器的灵敏度，并加剧传感器个体间的 差别。一个高精度、极低输入偏置电流的放大器，如美国国 家半导体公司的LMP7721，可以改善恒电势电路的性能，使 电化学传感器能高精度地测量较低的气体浓度。 LMP7721的设计有输入偏置消除电路，可以显著减小 输入偏置电流，在室温下的整个共模电压范围内的典型值为 2 fA。保证的规格是，在室温下最大为20 fA，85C时最大为 900 fA，这使LMP7721成为规定温度下偏置电流最低的放大 器。 在恒电势电路中，控制放大器（U1）的输入偏流是关 键指标之一。接到参考电极的放大器U1的反相输入端不得从 参考电极吸取稍许电流。输入偏流极低的放大器LMP7721可 以保证参考电极维持恒定的电势，并具有小于2 fA的偏置电 流。 此外，气体传感器具有较大的电容，因此小的电势漂移 会产生显著的电流；所以失调电压和随温度变化的失调电压 漂移很重要。精密放大器如LMP7721的最大输入失调电压为 180V，温度漂移为4V/C，可用于更精确的电流测量。失 调电压较大的放大器会加大传感器工作电极的偏压，从而引 起较大的误差。 总之，主流气体传感器是有三个电极的电化学电池，它 们产生与气体浓度成线性比例的电流。产生的电流被测量并 由恒电势电路转换成电压。恒电势电路还对计数电极提供电 流，以平衡工作电极所需的电流。电路所用的放大器的电气 参数应该是偏置电流极低的精密放大器，如美国国家半导体 公司的LMP7721。 AN-1798 3 注释 AN-1798应用电化学传感器的设计 对于上述任何电路的使用，美国国家半导体公司不承担任何责任且不默示任何电路专利许可。美国国家半导体公司保留随时更改上述电 路和规格的权利，恕不另行通知。 想了解最新的产品信息，请访问我们的网址： 。 生命支持策略 未经美国国家半导体公司的总裁和首席律师的明确书面审批，不得将美国国家半导体公司的产品作为生命支持设备或系统中的关键部件 使用。特此说明： 1. 生命支持设备/系统指： （ a ）打算通过外科手术移植到体内的 生命支持设备或系统； （ b ）支持或维持生命，依照使用说明 书正确使用时，有理由认为其失效会造成用户严重伤害。 2. 关键部件是在生命支持设备或系统中，有理由认为其失效会 造成生命支持设备/系统失效，或影响生命支持设备/系统的 安全性或效力的任何部件。 禁用物质合规 美国国家半导体公司制造的产品和使用的包装材料符合消费产品管理规范（CSP-9-111C2）以及相关禁用物质和材料规范 （CSP-9-111S2）的条款，不包含CSP-9-111S2限定的任何“禁用物质”。 无铅产品符合RoHS指令。 National Semiconductor Americas Customer Support Center Email: new.feedback Tel: 1-800-272-9959 National Semiconductor Europe Customer Support Center Fax: +49 (0) 180-530 85 86 Email: europe.support Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208 English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171 Franais Tel: +33 (0) 1 41 91 8790 National Semiconductor Asia Pacifi c Customer Support Center Email: ap.support National Semiconductor Japan Customer Support Center Fax: 81-3-5639-7507 Email: jpn.feedback Tel: 81-3-5639-7560 注释 For more National Semiconductor product information and proven design tools, visit the following Web sites at: ProductsDesign Support Amplifi ers ersWEBENCH A U Clock C N Data Converters D C E I and R LVDS D Power M Switching R LDO LED L PowerW Serial Digital Interface (SDI) Temperature S Wireless (PLL/VCO) THE CONTENTS OF THIS DOCUMENT ARE PROVIDED IN CONNECTION WITH NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION (“NATIONAL”) PRODUCTS. NATIONAL MAKES NO REPRESENTATIONS OR WARRANTIES WITH RESPECT TO THE ACCURACY OR COMPLETENESS OF THE CONTENTS OF THIS PUBLICATION AND RESERVES THE RIGHT TO MAKE CHANGES TO SPECIFICATIONS AND PRODUCT DESCRIPTIONS AT ANY TIME WITHOUT NOTICE. NO LICENSE, WHETHER EXPRESS, IMPLIED, ARISING BY ESTOPPEL OR OTHERWISE, TO ANY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS IS GRANTED BY THIS DOCUMENT. TESTING AND OTHER QUALITY CONTROLS ARE USED TO THE EXTENT NATIONAL DEEMS NECESSARY TO SUPPORT NATIONALS PRODUCT WARRANTY. EXCEPT WHERE MANDATED BY GOVERNMENT REQUIREMENTS, TESTING OF ALL PARAMETERS OF EACH PRODUCT IS NOT NECESSARILY PERFORMED. NATIONAL ASSUMES NO LIABILITY FOR APPLICATIONS ASSISTANCE OR BUYER PRODUCT DESIGN. BUYERS ARE RESPONSIBLE FOR THEIR PRODUCTS AND APPLICATIONS USING NATIONAL COMPONENTS. PRIOR TO USING OR DISTRIBUTING ANY PRODUCTS THAT INCLUDE NATIONAL COMPONENTS, BUYERS SHOULD PROVIDE ADEQUATE DESIGN, TESTING AND OPERATING SAFEGUARDS. EXCEPT AS PROVIDED IN NATIONALS TERMS AND CONDITIONS OF SALE FOR SUCH PRODUCTS, NATIONAL ASSUMES NO LIABILITY WHATSOEVER, AND NATIONAL DISCLAIMS ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY RELATING TO THE SALE AND/OR USE OF NATIONAL PRODUCTS INCLUDING LIABILITY OR WARRANTIES RELATING TO FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, MERCHANTABILITY, OR INFRINGEMENT OF ANY PATENT, COPYRIGHT OR OTHER INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT.