適用于電化學(xué)傳感器的運算放大器

作者：Tom Au-Yeung，產(chǎn)品應(yīng)用工程師

本文將探討適合乙醇和一氧化碳(CO)等電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用的運算放大器。還將討論此類應(yīng)用所需的放大器性能，幫助便攜式設(shè)備以更低功耗準確測量乙醇和CO，并獲得更理想的結(jié)果。

簡介

電化學(xué)氣體檢測元件需要恒定的偏置才能正常準確地運行，這可能會消耗大量功率。當(dāng)器件處于空閑或休眠模式時，正常的電源管理系統(tǒng)往往會試圖讓這些器件都保持關(guān)斷狀態(tài)。然而，電化學(xué)傳感器需要數(shù)十分鐘甚至幾個小時才能穩(wěn)定下來。因此，檢測元件及其偏置電路必須處于“始終接通”狀態(tài)。此外，對于使用單節(jié)AA電池的消費電子應(yīng)用，所需的偏置電壓通常非常低。 MAX40108是一款低功耗、高精度運算放大器（運放），工作電源電壓低至0.9 V，專為儀器儀表類應(yīng)用而設(shè)計。此外，該器件具有軌到軌輸入和輸出特性，典型電源電流消耗僅25.5 μA，并且隨著時間和溫度變化，其典型零漂移輸入失調(diào)電壓為1 μV。因此，非常適合各種低功耗應(yīng)用，例如乙醇和CO氣體傳感器等消費電子產(chǎn)品。

概述

圖1顯示了乙醇或CO等電化學(xué)傳感器的框圖。系統(tǒng)中采用了低壓運算放大器，后者直接由1.5 V AA/AAA電池供電，為電化學(xué)傳感器提供偏置電流，而系統(tǒng)的其余部分則處于休眠模式，以節(jié)省功耗。第一個運放U1為電化學(xué)傳感器的參比電極供電。第二個運放U2配置為跨導(dǎo)放大器，將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出，經(jīng)放大后由微控制器進行數(shù)字化處理。電壓信號通過MAX44260（即U3）放大，它是一款1.8 V、15 MHz、低失調(diào)、低功耗、軌到軌輸入/輸出(I/O)運算放大器。ES代表電化學(xué)傳感器。

圖1.使用MAX40108的電化學(xué)傳感器的框圖

乙醇傳感器評估

在乙醇傳感器評估中，使用的傳感器是圖2所示的SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202。

圖2.乙醇傳感器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202

此SPEC乙醇傳感器產(chǎn)生與捕獲的氣體量成比例的電流。它是一個三電極器件：WE、RE和CE。

WE：工作電極。WE偏置電壓為0.7 V，用于檢測氣體蒸氣。

RE：參比電極。此RE在電解質(zhì)中提供0.6 V偏置電壓的穩(wěn)定電化學(xué)電位，不接觸氣體蒸氣。CE：對電極(CE)。當(dāng)存在氣體時，CE導(dǎo)電。導(dǎo)電水平與氣體濃度成正比，這樣系統(tǒng)就可以對氣體濃度進行電測量。

在該氣體傳感器評估中，氣體顆粒需要與SPEC傳感器物理接觸。換句話說，乙醇傳感器基本上只測量傳感器本身所在位置存在的氣體。因此，為了準確有效地檢測乙醇和CO等氣體，應(yīng)將傳感器放置在預(yù)計氣體濃度會擴散到的位置。在此實驗中，將棉簽浸入乙醇溶液中，并將其放在SPEC傳感器的正前方。

圖3顯示捕獲到乙醇蒸氣，如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控制器在內(nèi)整個系統(tǒng)的電流消耗，典型值為90 mA。然而，當(dāng)VDD = 0.9 V、TA = 25°C時，MAX40108本身的電流消耗僅為25.5 μA，如圖4所示。

當(dāng)處于空閑模式時，微控制器每10秒喚醒一次，進行乙醇蒸氣監(jiān)測。當(dāng)存在蒸氣時，微控制器開始測量蒸氣濃度，如藍色曲線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V，黃線為CE電壓。

為了觀察乙醇傳感器對蒸氣濃度的響應(yīng)度，將棉簽移至離傳感器更遠的位置。捕獲的結(jié)果如圖5所示。正如預(yù)期的那樣，蒸氣濃度的幅度（藍色曲線）相應(yīng)地減小了。

圖3.乙醇傳感器的性能

圖4.在各種電源電壓下和工作溫度范圍內(nèi)的電流消耗

圖5.蒸氣遠離SPEC傳感器時乙醇傳感器的性能

CO傳感器評估

與乙醇不同，CO是一種潛在有毒氣體，汽油甚至無害蠟燭燃燒不完全時都會產(chǎn)生一氧化碳。因此，當(dāng)進行CO氣體實驗時，采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施以確保健康和安全非常重要。在CO傳感器評估中，我們使用蠟燭在遮住的廣口瓶中產(chǎn)生CO氣體，并使用相同的傳感器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202來捕獲CO氣體濃度。

圖6顯示捕獲到CO氣體，如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控制器在內(nèi)整個系統(tǒng)的電流消耗，典型值為90 mA。

與乙醇評估一樣，當(dāng)處于空閑模式時，微控制器每10秒喚醒一次，進行CO氣體監(jiān)測。當(dāng)檢測到該氣體時，微控制器開始測量其濃度，如藍色曲線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V，黃線為CE電壓。

圖6.MAX40108 CO傳感器的性能

結(jié)論

為使消費電子和工業(yè)應(yīng)用能夠準確測量乙醇和CO氣體，需要一種工作電源電壓低至0.9 V的低功耗、高精度運算放大器。MAX40108器件專為有效捕獲和測量乙醇和CO等常見氣體而設(shè)計，電流消耗低至25.5 μA，尺寸僅為1.22 mm × 0.92 mm，采用8引腳WLP封裝。該放大器具有關(guān)斷模式，可進一步節(jié)省功耗，對于可穿戴設(shè)備、便攜式醫(yī)療系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)（例如壓力、流量、液位、溫度和接近測量），這一特性優(yōu)勢至關(guān)重要。