CN113834867A - 一种电化学传感器的电路及其使用方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学传感器的电路及其使用方法，所述电路包括电化学传感器、控制电路和测量电路，控制电路和测量电路之间设置有切换开关。控制电路提供电化学传感器电极的偏置电压，为低功耗电路，包含一个低功耗运算放大器。测量电路包含一个低噪音、高精度的运算放大器，用于电化学传感器工作时的信号检测。本发明电化学传感器不工作期间，即能保持传感器的稳定，又能避免电量损耗过快而频繁更换电池、以及更换电池后传感器需要较长的稳定时间；在电化学传感器工作时，保证了测量结果的低噪音和高精度。本发明功耗低、检测精度高，可应用于呼出气体一氧化氮浓度等气体浓度电化学传感器检测中。

Description

一种电化学传感器的电路及其使用方法和应用

技术领域

本发明涉及电路设计领域，具体涉及一种电化学传感器的电路设计和使用方法。

背景技术

电化学传感器具有高效、简便、灵敏、快速、易于微型化、集成化、功耗低等诸多优点，近年来更是随着电化学、材料学、生物学等相关学科技术的快速发展，电化学传感器已经被广泛应用到汽车工业、环境监测、食品安全、临床诊断等领域中。

电化学传感器的工作原理是将待测物质以适当形式置于电化学反应池中，测量其电化学参数(如电位、电流、电导)的变化，实现待检物质含量的测定。电化学传感器按照其输出信号的不同，可以分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器。

电流型电化学传感器应用非常普遍，包括一些气体传感器如一氧化碳传感器、一氧化氮传感器、氧传感器等，生物传感器如血糖试纸、血酮试纸、尿酸试纸等，都是基于电流型传感器的原理。这类传感器最简单的一种形式就是两电极系统，由工作电极(敏感电极)和对电极组成，两者之间用一个薄层电解液隔开。当待测样本进入传感器后，在工作电极表面进行氧化或者还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。产生的电流大小和待测物的浓度成正比，外电路通过测量电流的大小推算出待测物的浓度。

为了让反应能够发生，工作电极的电位需要保持在一个特定的范围内，因此一些电化学传感器需要在工作电极和对电极(或者参比电极)之间维持一个相对偏置电压。一些电化学传感器，如一氧化氮传感器，在新施加偏置电压后，会产生一个比较大的、快速下降的基线信号，并且需要一个比较长的时间进行稳定，一般需要24小时以上的稳定时间，因此对于这类电化学传感器，生产厂家通常会在产品出厂时在传感器上配制偏置电压的控制电路，通过电池供电，以保证传感器“准备好工作”的状态。另外，现有技术中，信号测量电路也和偏置电压控制电路一起由电池供电长期工作，因此传感器工作测量时不需要再花费时间等待传感器稳定。

通常情况下，现有技术是没有问题的。然而，有一些此类电化学传感器检测需要应用到检测微量待测物的场景中，如检测呼出气体中的一氧化氮浓度，因为待测物的浓度非常低，所以测量信号是非常弱的，但是临床应用又要求测量具有较好的精准度，这就需要测量电路有良好的性能，包括比较低的测量噪音、比较高的信噪比、和良好的测量精度。因此，根据测量性能的要求，通常需要选择低噪音、高精度的高性能元器件(包括运算放大器)，但是此类元器件通常功耗会比较高，如果采用现有技术，该高性能运算放大器也与偏置电压控制电路一起由电池供电长期工作，电池能量会被快速消耗。所以产品交付到用户手中的时候，控制电路的电池经常已经消耗完了，用户不得不更换电池，花很长时间使传感器重新稳定到“准备好工作”的状态；这个情况也会发生在用户已经安装好传感器的实际使用过程中，控制电路的电池被消耗完后，用户不得不拆开仪器更换传感器的电池、花很长时间等待传感器稳定，或者需要厂商的工程师进行维护。这样不仅使产品的使用非常不便、使用成本大幅增加，而且使产品的使用效率非常低，甚至有些厂家直接限制了产品的使用寿命。

目前，为解决这个问题，行业内也尝试了一些方案，比如说在控制电路中使用高精度的元器件，例如低噪音、高精度的运算放大器。然而本领域技术人员都知道，当运算放大器的精度提高一点点，将直接导致耗电量的成倍增加。因此必须选择大容量的电池。但是此方案不仅增加了成本、而且让传感器的设计难以小型化。也有一些方案选择了折中的办法，即在测量电路中选择了中等性能的元器件(包括运算放大器)，这样的确能减慢一些电池的消耗速度，延长电池的使用寿命，但是在测量信号的性能上也做出显著的牺牲，甚至使产品的性能不能满足使用的要求。

因此，针对这类电化学传感器的技术特性和实际应用的技术要求，急需一种新的技术方案，它既能在传感器不使用的阶段维持低功耗的偏置电压、保证传感器“准备好工作”的同时延长该状态的时长，又能在传感器工作时具备良好的测量性能。这将会具有非常重要的意义。

发明内容

为克服现有技术存在的上述问题和缺陷，本发明提出了一种电化学传感器的电路方案和使用方法，目的是使电化学传感器在不工作的时候，通过低功耗的控制电路维持电化学传感器的偏置电压，使传感器处于“准备好工作”的状态，低功耗的控制电路能有效减缓电池电量的消耗速度，延长传感器保持“准备好工作”状态的时长，提高产品使用的便利性和降低产品的使用成本；另一方面，在传感器工作时，切换到高性能的测量电路，以保证测试电信号的精准度。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种电化学传感器的电路，包括控制电路和测量电路，控制电路用于维持电化学传感器的偏置电压，测量电路用于电化学传感器工作时的信号检测；运算放大器U2设置在控制电路上并与传感器工作电极连接；运算放大器U3设置在测量电路上并与传感器工作电极电性连接；运算放大器U2相比于运算放大器U3的耗电量低；运算放大器U3相比于运算放大器U2具有更低的噪音；控制电路和测量电路之间设置有切换开关。

进一步的，运算放大器U3相比于运算放大器U2具有更高的精度。

本发明还提供了一种电化学传感器的电路，包括控制电路和测量电路，控制电路用于维持电化学传感器的偏置电压，测量电路用于电化学传感器工作时的信号检测；运算放大器U2设置在控制电路上并与传感器工作电极连接；运算放大器U3设置在测量电路上并与传感器工作电极电性连接；运算放大器U3相比于运算放大器U2具有更高的精度；运算放大器U3相比于运算放大器U2具有更低的噪音；控制电路和测量电路之间设置有切换开关。

进一步的，运算放大器U2相比于运算放大器U3的耗电量低。

本发明还提供了一种电化学传感器的电路，包括控制电路和测量电路，控制电路用于维持电化学传感器的偏置电压，测量电路用于样本分析时传感器的信号检测；控制电路的功耗比测量电路的功耗低；控制电路和测量电路之间设置有切换开关。电化学传感器不工作时，使用控制电路，用以维持传感器上的偏置电压；电化学传感器工作时，切换到测量电路。

具体的，所述一种电化学传感器的电路包括控制电路和测量电路，所述控制电路和测量电路之间设置有切换开关。所述的控制电路为低功耗电路，为电化学传感器的工作电极(和辅助电极)与参比电极(或对电极)之间提供偏置电压，至少包含一个低功耗的运算放大器；所述的测量电路用于电化学传感器工作时的信号检测，至少包含一个低噪音、高精度的运算放大器。本发明各单元的连接方式示例如图5所示，电源通过基准电压发生电路、控制电路、切换开关连接到电化学传感器，为电化学传感器维持工作电极W和对电极C之间的偏置电压；基准电压发生电路、测量电路通过切换开关和电化学传感器连接，图中的虚线代表测量电路可以和控制电流不共用或共用一部分电路，基准电压发生电路、测量电路另外一端连接到外电路，外电路可以在检测仪器上，测量电路可以采用外电路的电源，并和外电路一起检测电化学传感器的反应信号。基准电压发生电路为本领域公知的技术，其示例如图7所示。

本发明还提供了一种降低电化学传感器电路功耗的方法，所述电路包括控制电路和测量电路，控制电路用于维持传感器的偏置电压，测量电路用于样本分析时传感器的信号检测；控制电路的功耗比测量电路的功耗低；电化学传感器不工作时，使用控制电路，用以维持传感器上的偏置电压；电化学传感器工作时，切换到测量电路。

具体的，基于所述电路的使用方法：电化学传感器不工作时，仅使用低功耗的控制电路，用以维持传感器上的偏置电压，让传感器处于“准备好工作”的状态；电化学传感器工作时，切换到测量电路，保证测量信号的精准度。当切换到测量电路时，此时控制电路可不运行、也可部分运行，优选为部分运行。在一些实施方式中，当存在大容量电池或外接电源时，如传感器安装到检测仪器上、仪器开机运行时，即可切换到测量电路、并使用检测仪器的大容量电池；仪器关机后，切换回控制电路，以低功耗的状态给电化学传感器维持偏置电压。这样可以避免实际使用中检测时和检测结束后的反复切换。

根据发明方案应用场景的不同，其实施方式可以有如下变形：1)电化学传感器储运时不配制所述电路，所述电路设置在应用所述电化学传感器的检测仪器中；2)电化学传感器储运时配制了所述的控制电路、并包含切换开关，所述的测量电路配制在应用所述电化学传感器的检测仪器中；3)电化学传感器储运时配制了所述的电路，包括控制电路、测量电路以及切换开关，应用所述电化学传感器的检测仪器可以直接采用电化学传感器的所述电路。

所述的控制电路，需要为电化学传感器提供偏置电压。以双电极的电化学传感器为例(如图1a所示)，双电极分别为工作电极(敏感电极)、对电极(在双电极传感器里同时具有参比电极的作用)。所述的控制电路首先需要通过运算放大器U1给传感器(Sensor)的对电极C提供一个参考电压Vref(如图1a的100a 所示)，然后通过另外一个运算放大器U2给传感器(Sensor)的工作电极W提供另外一个电压Vbis(如图1a的200a所示)，此电压和参考电压之间存在偏差，即所述的偏置电压。在一些实施方式中，在双电极的传感器中，给对电极C提供参考电压Vref不需要通过运算放大器U1，可以通过外电路的基准电压发生电路直接给对电极提供参考电压Vref。

如图1a所示，传感器包括工作电极和对电极，所述工作电极与电路200a连接，对电极与电路100a连接，且电路200a上的U2为高性能器件时，所形成的回路是背景技术所述现有技术，即作为待测物检测的测量电路(100a和200b)，又作为维持传感器偏置电压的控制电路(100a和200b)。现有技术所中，当传感器工作时，需要在工作电极W端检测反应信号，因此在电路200a中会包括测量电路的功能，即在运算放大器U2上包括I/V转换放大电路(R2、R3、C1)，并在运算放大器U2的输出端7输出信号Vwork1；此时，运算放大器U2就必须选用低噪音、高精度的高性能器件，通常这类运算放大器的功耗会比较大，按照这样的电路(图1a的100a和200a，200a包含测试功能)的电路给传感器维持偏置电压，会导致传感器上电池的电量消耗比较快。

因此，本发明在现有技术电路100a和200a的基础上引入了单独的测试电路 210，并通过切换开关900进行切换。在一个实施例中，测量电路210的设计可以是和电路200a类似的，只是电路200a的运算放大器U2采用低功耗的器件，测量电路210的运算放大器U3需要采用如上所述的低噪音、高精度的高性能器件，功耗比较大。本发明中测量电路同样需要对电极的参考电位电路，并形成回路。在一个实施例中，测量电路可以独立于电路100a单独设置对电极的参考电位以及回路。但是如果直接使用现有技术中原来的对电极参考电位电路，并形成回路，也能满足性能需求，则可以使用原来对电极上的电路100a，在性能满足要求的情况下，优选这种方案以降低成本。如上所述，因此本发明电路200a组合电路100a的作用可以仅为电化学传感器不工作时维持偏置电压，即所述的控制电路，运算放大器U1和U2均可以采用低功耗的器件；当传感器工作时，通过切换开关900从电路200a切换到电路210时，电路210和电路100a组成了本发明所述的测量电路。既然引入了另外的测量电路210，那么电路200a的测量功能就已经不再需要，因此如图1b的200b所示(不再包括I/V转换放大电路，无R3、C1等器件)，作为本发明的优选方案，所述控制电路中可以不包含测量功能的I/V转换放大电路。

双电极类型电化学传感器工作时，待测物在工作电极上反应并产生电流，导致对电极电位发生改变(极化现象)，并因此会造成工作电极和对电极之间的偏置电压发生改变；当待测物浓度增加时，反应电流也增加；随着待测物浓度的不断的升高，最终会导致工作电极的电位超出允许的范围，造成传感器的响应不成线性。因此针对这个问题，有些电化学传感器引入了第三个电极(参比电极R)，即所谓的三电极电化学传感器。在三电极电化学传感器中，参考电压施加在参比电极上，并且在传感器工作时无电流流过参比电极，因此参比电极的电位是恒定的；工作电极上仍然施加偏置电压，待测物在工作电极上反应并形成电流；对电极的作用主要是形成回路并在电极上进行对应的反应。因为参比电极的电位是恒定的，那么工作电极和参比电极之间的偏置电压也是恒定的，这样有效消除了极化现象的影响。对于三电极的电化学传感器，本发明的电路设计和双电极的电化学传感器类似，只是参考电位施加在参比电极上，引入了恒电位电路，如图2a 和图2b所示。因为本发明中引入了单独的测量电路，因此图2b作为图2a的优化方案，去除了图2a中电路200a的测量模块(I/V转换放大电路，R4、C2等器件)，形成了图2b的200b电路。根据本发明的技术方案，在图2a和图2b中，运算放大器U1、U2可以选用低功耗的器件，运算放大器U3需选用低噪音、高精度的高性能器件。电路200a(或200b)和电路100b组成了所述的控制电路，电路210和电路100b组成了所述的测量电路；两者之间通过切换开关(900)进行切换。

为消除温度对工作电极基线电流的影响，有些电化学传感器引入了第四电极 (辅助电极A)，即所谓的四电极电化学传感器。辅助电极和工作电极的设计是一样的，但是不暴露在待测样本中，因此把工作电极的信号减去辅助电极的信号，就能消除温度对工作电极基线电流的影响。根据本发明的技术方案，对于辅助电极，在控制电路中施加相对于参比电极的偏置电压，在测量电路中需要有测量辅助电极信号的模块，如图3a和图3b所示。图3b为图3a的优化方案，在控制电路中去除了不必要的测量模块。根据本发明的技术方案，图3a和图3b中的运算放大器U1、U2、U4可以选用低功耗的器件，图3a和图3b中的运算放大器U3、 U5需要选用低噪音、高精度的高性能器件。其中电路100b、200a(或200b)、 300a(或200b)组成了控制电路，电路100b、210、310组成了测量电路；控制电路和测量电路之间通过切换开关900a,900b进行切换。

在一个实施例中，控制电路和测量电路还可共用运算放大器U1相连的电路。

所述的切换开关，可以通过多种方式实现，常见的是继电器、场效应管、模拟开关、三极管。

通常电化学传感器是作为检测仪器的一个可更换的组件和耗材，在产品出厂、交付和储运的过程中，它是单独存在的单元；而且用户通常希望收到的传感器就是“准备好工作”的状态，以提高使用的便利性。因此所述控制电路需要包含至少一个电源，给控制电路供电，维持传感器的偏置电压。电源为电池，包括但不限于纽扣电池、碱性电池和可充电电池。作为优选，纽扣电池是比较好的选择，这样可以最大化减小电池的占用体积，有利于产品设计的小型化，也能降低产品的包装和运输成本。

当然，也有用户能接受电化学传感器首次使用时需要较长的稳定时间，但是希望首次安装后能够维持比较长的使用寿命，那么所述的控制电路的电源可以通过以下方式实施：1)不预置电池，等用户使用时再即时安装；2)直接采用检测仪器上的内置电源(即所述电路的外部电源)。对于第2种方式，传感器安装后，控制电路直接接通检测仪器的内置电源供电，给传感器提供偏置电压。通常检测仪器的内置电源可以采用较大电量的电池(包括可充电电池)，结合本发明的电路方案，可以使传感器的“准备好工作”的状态最大程度的延续，实现安装后无需更换电池进行维护、传感器可实时工作的目的。但是一些检测仪器的内置电源通常要给多个功能供电，不排除意外耗尽的可能，这个情况下1)的方式就比较合适。

根据产品的实际应用需求，也有一些产品是电化学传感器和检测仪器一体的便携式设计。对于这种设计，所述的电化学传感器的电路可以设计成和检测仪器一体的设计，也可以是单独的设计。另外，此类检测仪器通常会配置有电量较大的内置电源，如可充电电池，那么所述控制电路的电源可以直接采用检测仪器上的内置电源，即所述电路的外部电源。同样，检测仪器的内置电源通常会为很多功能供电，为防止其他功能过度使用造成检测仪器的内置电源的耗尽，导致传感器控制电路的意外断电，那么也可以在所述控制电路中设置单独的内置电源。

基于上述的电路设计，一种电化学传感器的使用方法为：当电化学传感器不工作时，仅仅使用低功耗的控制电路对传感器进行偏置电压的维持，减慢电池电量的消耗，延长传感器保持“准备好工作”的时长，提高传感器的使用效率和使用的便利性；而当传感器工作时，利用切换开关切换到测量电路，以保证测试结果的精准度。当控制电路的部分电路可以满足测量需求时，测量电路可以采用控制电路的部分电路，那么当切换到测量道路时，控制电路可以部分运行。

本发明还提供了一种电化学传感器的检测设备，包括本发明所述的电化学传感器和检测仪器。

在一些实施例中，所述控制电路、测量电路、切换开关和电化学传感器配置成设备组件；在使用时，将设备组件与检测仪器装配在一起。

本发明涉及电化学传感器的电路及其使用方法，所述电路包括电化学传感器、控制电路和测量电路，控制电路和测量电路之间设置有切换开关。控制电路提供电化学传感器电极的偏置电压，为低功耗电路，包含一个低功耗运算放大器。测量电路包含一个低噪音、高精度的运算放大器，用于电化学传感器工作时的信号检测。本发明可以产生很好的效果。由于本发明采用了控制电路和测量电路的功耗不同，控制电路的功耗比测量电路的功耗低。例如，控制电路上的运算放大器采用低功耗的器件，测量电路上的运算放大器采用功耗比较大的低噪音、高信噪比、高精度的高性能器件。电化学传感器在不工作期间，仅维持低功耗的偏置电压控制电路，即能保持传感器的稳定，又能避免电量损耗过快而频繁更换电源、以及更换电源后传感器需要较长的稳定时间。电化学传感器工作时，切换到测量电路，保证测量结果的性能。

附图说明

图1a：双电极电化学传感器的电路实例示意图。

图1b：双电极电化学传感器的另一种电路实例示意图。

图2a：三电极电化学传感器的电路实例示意图。

图2b：三电极电化学传感器的另一种电路实例示意图。

图3a：四电极电化学传感器的电路实例示意图。

图3b：四电极电化学传感器的另一种电路实例示意图。

图4a：比对评估稳定期的测量信号波动比对图，选择用样本浓度为0ppb。

图4b：比对评估稳定期的测量信号波动比对图，选用样本浓度为35ppb。

图5：本发明技术各单元连接关系示例图。

图6：本发明技术测试流程示例图。

图7：基准电压发生电路示例图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

实施例1为本发明所述双电极类型电化学传感器的电路和使用方法，电路如图1b所示。Sensor为电化学传感器，C为对电极，W为工作电极。电路100a 的运算放大器U1的同相输入端3输入一个参考电压Vref，并通过运算放大器 U1的反相输入端4和输出端1连接到对电极C。电路200b的运算放大器U2的同相输入端5输入另外一个电压Vbis，并通过运算放大器U2的反相输入端6和输出端7、以及切换开关900连接到工作电极W。Vref和Vbis是不同的，因此在工作电极W和对电极C之间就施加了偏置电压。电路210的运算放大器U3 的同相输入端5输入一个偏置电压Vbis，并通过运算放大器U3的反相输入端6、以及切换开关900连接到工作电极W；在运算放大器U3连接了I/V转换放大电路，即如电路210中的R4、R5、C2，在U3的输出端7输出。运算放大器U1、 U2可选用低功耗的器件，例如工作电流小于1uA的运算放大器，通常这类运算放大器的0.1～10Hz低频噪声会大于3uVpp。运算放大器U3需选用低噪音、高信噪比、高精度的高性能器件，例如0.1～10Hz低频噪声小于1uVpp的运算放大器，通常这类器件的工作电流大于50uA；甚至可以进一步选用0.1～10Hz低频噪声小于0.5uVpp的运算放大器，那么通常这类器件的工作电流大于100uA，功耗更加大。传感器不工作时，工作电极通过切换开关900连接至电路200b，并通过控制电路(100a和200b)给传感器维持偏置电压。传感器工作时，通过切换开关900将工作电极连接至电路210，并通过测量电路(100a和210)检测工作电极W的反应信号Vwork。

实施例2

实施例2为本发明所述三电极类型电化学传感器的电路和使用方法，电路如图2b所示。Sensor为电化学传感器，R为参比电极，C为对电极，W为工作电极。电路100b的运算放大器U1的同相输入端3输入一个参考电压Vref，并通过运算放大器U1的反相输入端4连接到参比电极R，U1的输出端7连接到对电极C，以便传感器工作时形成回路。电路200b的运算放大器U2的同相输入端5输入另外一个电压Vbis，并通过运算放大器U2的反相输入端6和输出端7、以及切换开关900连接到工作电极W。电路210的运算放大器U3的同相输入端 5输入一个偏置电压Vbis，并通过运算放大器U3的反相输入端6、以及切换开关900连接到工作电极W；在运算放大器U3连接了I/V转换放大电路，即如电路210中的R5、R6、C3，在U3的输出端7输出。运算放大器U1、U2可选用如实施例1所述的低功耗器件；运算放大器U3需选用如实施例1所述的高性能器件。传感器不工作时，工作电极通过切换开关900连接至电路200b，通过控制电路(100b和200b)给传感器维持偏置电压；传感器工作时，通过切换开关 900将工作电极连接至电路210，测量电路(100b和210)检测工作电极W的反应信号。

实施例3

实施例3为四电极类型电化学传感器的电路和使用方法，电路如图3b所示。Sensor为电化学传感器，R为参比电极，C为对电极，W为工作电极，A为辅助电极。实施例3和实施例2基本上是一致的，差别是需要在辅助电极A上增加电路以及切换开关：电路300b，用于辅助电极A维持偏置电压；电路310，用于传感器工作时辅助电极A的信号测量；切换开关900b，用于传感器待机和工作时辅助电极电路的切换。因此，此实施例的运算放大器U1、U2、U4，可选用如实施例1所述的低功耗的器件；运算放大器U3、U5，需选用如实施例1所述的高性能器件。同样，传感器不工作时，工作电极通过切换开关900a与电路200b 连接，辅助电极通过切换开关900b与电路300b连接，通过控制电路(100b和 200b、100b和300b)给传感器维持偏置电压；传感器工作时，通过切换开关900a 和900b分别与电路210和电路310连接、测量电路(100b和210、100b和310) 检测工作电极W和辅助电极A的反应信号。

实施例4：对比例

对比例在四电极类型电化学传感器上进行，即图3a所示包括四电极的电化学传感器、电路100b、200a、210、300a和310，以及切换开关900a和900b。其中运算放大器U1、U2、U4选用低功耗的器件；运算放大器U3、U5选用高性能器件。

图3a和图3b相比，差别是图3a在工作电极W和辅助电极A的控制电路，如电路200a、300a上加了测量的功能。

对比方案1：当图3a的切换开关(900a、900b)保持如图所示的状态时，即电路100b、200a、300a即作为检测待测物的测量电路，又作为维持传感器偏置电压的控制电路。为现有技术中采用低功耗电路的方案，评价电路功耗和测试精度状况。

对比方案2：当图3a的切换开关900a、900b同时切换到另一面时，此时切换开关900a、900b分别与电路210和310连接，即电路100b、210、310即作为检测待测物的测量电路，又作为维持传感器偏置电压的控制电路。为现有技术中低噪音电路的方案，评价电路功耗和测试精度状况。

本发明实施方案：以图3a所示为本发明实施方案。以电路100b、200a和电路100b、300a作为控制电路作为维持传感器偏置电压的控制电路。以电路100b、 210和电路100b、310作为检测待测物的测量电路。通过切换开关900a和900b 在测量电路和控制电路之间进行切换。测量电路100b、210、310在传感器工作时使用、且工作时采用外部电源；控制电路100b、200a、300a在传感器待机状态时使用、以维持传感器的偏置电压，采用纽扣电池电源。评价电路功耗和测试精度状况。

因为本发明实施方案在传感器工作时测量电路采用外部电源，因此该状态时电路功耗不纳入计算；而对比方案1和对比方案2不存在待机和工作状态的切换，需一直使用传感器的供电电源耗电。本次评价测试对比了传感器上电池消耗功耗。

在本次评价测试中，电化学传感器使用一款4电极的一氧化氮气体传感器；低功耗运算放大器U1、U2、U4采用Microchip Technology公司的MCP6041，低噪音运算放大器U3、U5采用Analog Devices公司的ADA4622；测试的气体样本一氧化氮浓度为0ppb、35ppb。R1、R2用10kΩ，R3、R5、R7、R9可选用10～100Ω,R4、R6、R8、R10可选用100～200kΩ，C1可选用0.1uF，C2、C3、 C4、C5可选用1～10uF。电路上的元件型号具体根据实际测量信号带宽要求和噪音水平进行权衡选取。

测试时，等测试信号稳定后，保持5秒，每0.1秒采集一个信号，计算信号的标准偏差。对比结果如表1，各方案稳定期的测试信号波动比对如图4a和图 4b。

表1.对比评估的结果

结果可见，比对方案1由于采用了低功耗的运算放大器，使得测量精度显著较差、测量曲线波动显著。对比方案2由于采用的是高功耗的运算放大器，使得功耗明显升高。本发明的实施方案由于测量电路采用的是高精度的运算放大器，控制电路采用的是精度低但功耗低的运算放大器，既保证了低功耗，又保证了测量信号的精度、测量曲线平稳无显著波动。比对评估结果充分说明本发明方案的技术优势。

以上的实施例仅仅是对本发明部分优选的实施方式进行描述，任何熟悉本技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学传感器的电路，包括，控制电路和测量电路，控制电路用于维持电化学传感器的偏置电压，测量电路用于电化学传感器工作时的信号检测；

运算放大器U2设置在控制电路上并与传感器工作电极连接；

运算放大器U3设置在测量电路上并与传感器工作电极电性连接；

运算放大器U2相比于运算放大器U3的耗电量低；

运算放大器U3相比于运算放大器U2具有更低的噪音；

控制电路和测量电路之间设置有切换开关。

2.根据权利要求1所述，其特征在于，运算放大器U3相比于运算放大器U2具有更高的精度。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述运算放大器U2工作电流小于10uA；更优的，运算放大器U2工作电流小于1.0uA。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述运算放大器U3为0.1～10Hz低频噪声小于1uVpp；更优的，0.1～10Hz低频噪声小于0.5uVpp。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电化学传感器包括工作电极和对电极，运算放大器U2的同相输入端输入一个偏置电压，通过运算放大器U2的反相输入端和输出端以及切换开关连接到工作电极；运算放大器U3的同相输入端输入一个偏置电压，通过运算放大器U3的反相输入端和输出端以及切换开关连接到工作电极。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电化学传感器包括工作电极、对电极和参比电极；运算放大器U2的同相输入端输入一个偏置电压，通过运算放大器U2的反相输入端和输出端以及切换开关连接到工作电极；运算放大器U3的同相输入端输入一个偏置电压，通过运算放大器U3的反相输入端和输出端以及切换开关连接到工作电极；运算放大器U1的同相输入端输入一个参考电压，通过运算放大器U1的反相输入端连接到参比电极，U1的输出端连接到对电极。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电化学传感器还包括辅助电极；还包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端输入一个偏置电压，通过运算放大器U4的反相输入端和输出端以及切换开关连接到辅助电极；还包括运算放大器U5，运算放大器U5的同相输入端输入一个偏置电压，通过运算放大器U5的反相输入端和输出端以及切换开关连接到辅助电极。

8.一种降低电化学传感器电路功耗的方法，其特征在于，

所述电路包括控制电路和测量电路，控制电路用于维持传感器的偏置电压，测量电路用于样本分析时传感器的信号检测；

控制电路的功耗比测量电路的功耗低；

电化学传感器不工作时，使用控制电路，用以维持传感器上的偏置电压；电化学传感器工作时，切换到测量电路。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括权利要求1至7之一所述的电路。

10.基于电化学传感器的检测设备，包括电化学传感器和检测仪器，其特征在于，电化学传感器和检测仪器之间通过权利要求1至7之一所述的电路连接。

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