適用於電化學感測器的運算放大器

作者：ADI產品應用工程師Tom Au-Yeung

摘要

本文將探討適合乙醇和一氧化碳(CO)等電化學氣體感測器應用的運算放大器。並將討論此類應用所需的放大器性能，同時說明在可攜式裝置中以更低功耗準確測量乙醇和一氧化碳所獲得更理想的結果。

簡介

電化學氣體檢測元件需要恆定的偏置才能正常精準地運行，這可能會消耗大量功率。當元件處於空閒或休眠模式時，正常的電源管理系統往往會試圖讓這些元件都保持關斷狀態。然而，電化學感測器需要數十分鐘、甚至幾個小時才能穩定下來。因此，感測元件及其偏置電路必須處於" always-on 狀態。此外，對於使用單節AA電池的消費性電子應用而言，所需的偏置電壓通常非常低。

MAX40108 為一款低功耗、高精度運算放大器，其工作電源電壓低至0.9 V，並專為儀器儀錶類應用而設計。此外，該元件具有軌對軌輸入和輸出特性，典型電源電流消耗僅25.5 µA，並且隨著時間和溫度變化，其典型零漂移輸入失調電壓為1 µV。因此，非常適合各種低功耗應用，例如乙醇和一氧化碳氣體感測器等消費性電子產品。

概述

圖1顯示了乙醇或一氧化碳等電化學感測器的框圖。系統中採用了低壓運算放大器，後者直接由1.5 V AA/AAA電池供電，為電化學感測器提供偏置電流，而系統的其餘部分則處於休眠模式，以節省功耗。第一個運算放大器U1為電化學感測器的參比電極供電。第二個運算放大器U2配置為跨導放大器，將感測器的電流輸出轉換為電壓輸出，經放大後由微控制器進行數位化處理。電壓訊號透過 MAX44260（即U3）放大，其為一款1.8 V、15 MHz、低失調、低功耗、軌對軌輸入/輸出(I/O)運算放大器。ES代表電化學感測器。

Figure 1. A MAX40108 block diagram of an electrochemical sensor. — 圖1.使用MAX40108的電化學感測器的框圖

點擊此處可線上獲取該電化學感測器的原理圖。

乙醇感測器評估

在乙醇感測器評估中，使用的感測器是圖2所示的SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202。

Figure 2. The ethanol sensor SPEC 3SP_Ethanol_1000 package 110-202. — 圖2.乙醇感測器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202

此SPEC乙醇感測器產生與捕捉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，用於感測氣體蒸氣。

RE：參比電極。此RE在電解質中提供0.6 V偏置電壓的穩定電化學電位，不接觸氣體蒸氣。

CE：對電極(CE)。

當存在氣體時，CE導電。導電水準與氣體濃度成正比，如此系統就可以對氣體濃度進行電測量。

在該氣體感測器評估中，氣體顆粒需要與 SPEC感測器物理接觸。換句話說，乙醇感測器基本上只測量感測器本身所在位置存在的氣體。因此，為了精準有效地感測乙醇和CO等氣體，應將感測器放置在預計氣體濃度會擴散到的位置。在此實驗中，將棉花棒浸入乙醇溶液中，並將其放在SPEC感測器的正前方。

圖3顯示捕捉到乙醇蒸氣，如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控制器在內整個系統的電流消耗，典型值為90 mA。然而，當 V_DD = 0.9 V 、 T_A = 25°C時，MAX40108本身的電流消耗僅為25.5 µA，如圖4所示。

Figure 3. Performance of the ethanol sensor. — 圖3.乙醇感測器的性能

Figure 4. Current consumption at various power supply voltages and over the operating temperature range. — 圖4.在各種電源電壓下和工作溫度範圍內的電流消耗

當處於空閒模式時，微控制器每10秒喚醒一次，進行乙醇蒸氣監測。當存在蒸氣時，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。

為了觀察乙醇感測器對蒸氣濃度的回應度，可將棉花棒移至離感測器更遠的位置。捕捉的結果如圖5所示。正如預期，蒸氣濃度的幅度（藍色曲線）相對減小了。

Figure 5. Performance of the ethanol sensor as vapor was moved far away from the SPEC sensor. — 圖5.蒸氣遠離SPEC感測器時乙醇感測器的性能

一氧化碳感測器評估

與乙醇不同，一氧化碳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生一氧化碳。因此，當進行一氧化碳氣體實驗時，採取適當的通風措施以確保健康和安全非常重要。在CO感測器評估中，我們使用蠟燭在遮住的廣口瓶中產生CO氣體，並使用相同的感測器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202來捕捉CO氣體濃度。

圖6顯示捕捉到CO氣體，如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控制器在內整個系統的電流消耗，典型值為90 mA。

Figure 6. Performance of the MAX40108 CO sensor. — 圖6.MAX40108 CO感測器的性能

與乙醇評估一樣，當處於空閒模式時，微控制器每10秒喚醒一次，進行CO氣體監測。當感測到該氣體時，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。

結論

為使消費性電子和工業應用能夠精準測量乙醇和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元件專為有效捕捉和測量乙醇和CO等常見氣體而設計，電流消耗低至25.5 µA，尺寸僅為1.22 mm × 0.92 mm，採用8接腳WLP封裝。該放大器具有關斷模式，可進一步節省功耗，對於穿戴式裝置、可攜式醫療系統和工業物聯網(IIoT)（例如壓力、流量、液位、溫度和接近測量）而言，此一特性優勢將十分重要。