TW386161B - Electrochemical sensing circuits - Google Patents

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386161 第87106928號專利申請案 中文說明書修正頁(88年9月) 五、發明説明（6

'M請委員明： ^':‘是否變更原實質内¾. 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 容C 2接著以單元電池電流成正比的速率朝正電壓充電。當 放大器A3的輸出電壓等於參考電壓vr時，比較器17會切 換，所以產生代表單元電池電流的時序信號1 8。 基於圖3電路的感測器對因工作電極w與反側電極c之間 的補偏電壓所引起的誤差是非常小的。如果需要更精確， 可以將參考電壓Vr隨工作電極電歷做變化，當成緩衝作 用，比如用射極隨耦器。 元件符號說明 10 電化學單元電池； 11 空穴； 12 輸入； 13 第二輸入； 14 輸出； 15、16 端點； 17 比較器；以及 18 時序信號。 -9- 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 A7 經漪部中央棍準局貝工消费合作社印" 發明説明（1 本發明是有關於-種電；ί匕學感鈿電路，尤其是有關於能 感測出從一個三端電化學單元電池所流出的單元電池電流 的電路。 該三端電化學單元電池是给不同的氣體監視器用的，並 包含一單元電池，其中待測氣體被注入到三個相隔開的電 極中。該三個電極包含一對主要電極，有電流會在該對極 中產生，以及包含一參考電極，該電極能在所量測的單元 電池電解液的預定位置上致能出—電壓。該單元電池電流 正比於被該電池所感測出的化合叙或元素的濃度，例如一 氧化碳。 已知該三端電化學單元電池可以用圖〗所示的電路來產生 穩定作用》爲了穩定住該單元電池，標號“w，，與“R，，的工作 電極與參考電極必須有相同的電位。沒有電流會從參考電 極流出。而是，有電流被放大器A 1注入到標號”c，，的反側 電極，直到標號“R ”與“ w ”的工作電極與參考電極具有相同 的電位爲止。流過工作電極與參考電極的電流是單元電池 電流，而且由於單元電池的内部操作，會正比於被該單元 電池所感測出的化合物或元素的濃度。 參閲圖1 ’放大器A 1用反饋到反側電極的反饋電流來保 持參考電極在0V。放大器A2會保持.參考電極在〇v，既然 放大器A2的負端輸入是〇v。單元電池電流由放大器A1所 驅巧，但是由放大器A2來做感測，因爲單元電池電流流過 電阻R2’產生Vout。 圖1所示習用電路的缺點是，該電路很容易發生振盪，因 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) M規格（21〇><297公釐） ------ΐτ------二---------------- /a\ (請先閲讀背面之注意事項再4·寫本頁) · A7 A7 2 經濟部中央標準局員工消资合作社印製 B7 五、發明説明（ 爲每一個放大器的與接地阻抗都·是其它放大器的一部分反 鑽路fe °這會導致高頻的振盪，其中虚接地阻抗並未詳加 定義。 第二個缺點是，對低價微控制器應用來説，其輸出v〇ut 是類比電壓，在進行數位處理之俞，必須先經過類比到數 位轉換。 第二個缺點是，當氣體被感測時，v〇ut _般是正電壓， 而反測電極會朝負電壓充電’需要將放大器人1的輸出拉向 負電壓。所以’圖1所示的電壓需要正與負電壓源（如V +與 V-)。 ’、 本發明的主要目的在提供一種簡化的感測電路，其中至 少有—個上述的缺點可以被克服掉，而且能用一個隔絕的 D c電源來供電，比如電池。 依據本發明的其中一個特點，提供一種電化學單元電池 感測電路，包含一電化學單元電池，該電化學電池包含一 工作電極，一反側電極與一參考電極在其電解液内，而該 單元電池以這種方式建構，以使得當待測氣體注入到該單 π電池内時，在反側電極與工作電極間會有電流流過，並 且參考電極會感測出電解液内某個位置上的電壓値，該電 路進一步包含有提供相對於工作電極的一補偏電壓給反側 電極的電源裝置，用來監視參-考電極與工作電極之間電壓 差並且經由一反饋迴路將—電流反馈到工作電極的放大器 裝置，所以能很容易的保持該工作電極在參考電極的相同 電位上，以及包含量測裝置，用來量測出從放大器反饋到 -5- 本紙張尺度剌中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再4-寫本頁}

經漪部中央標準局兵工消费合作社印製 A7 _____B7 五、發明説明（3 ) • · 工作電極的電流，做爲流過工作電極與反側電極之間單元 電池電流的量度。 較佳的情形是，量測裝置包含在放大器輸出與工作電極 之間串接的電阻裝置，及供以·量測跨於電阻所產生電壓之 裝置。 - * 在另一種情況，量測裝置包含一串接於放大器輸出與工 作電極之間的電容，一並聯於該電容之開關裝置該開關能 在關閉位置時將該電容短路掉’並在開路位置時將該電容 透過由放大器反饋到工作電極的電流來進行充電，以及接 收在第一輸入蟪上的放大器輸出，以及在第二輸入端上的 參考電壓Vr的比較器，該比較器會比較第—與第二輸入， 並在該開關打開的時候’產生單元電池電流的輸出信號。 較佳的情形是’電源裝置包含DC電源，將一正電壓施加 到反侧電極上。 較佳的情形是，該放大器連接到第二D C電源，與施加到 反侧電極上的D C電源是隔絕開的》_ 較佳的情形是’該電源裝置包含一DC電源，將一正電壓 施加到反侧電極上，並且該比較器與放大器都連接到，第 ’二D C電源，與施加到反側電極上的〇 c電源是隔絕開的。 比較器的輸出信號可以是數位式的。 可以提供一種裝置來將電源·内的脈衝注入到反侧電極， 以便;提供一種測試電路是否正確操作的裝置。 將會以舉例的方式來説明本發明的二個較佳實施例，並 參照相關的圖式，其中： -6 - (諳先閲讀背面之注意事項再4·寫本页) 〇裝. ,ιτ

'V 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公疫） A7 A7 經消部中央標準局負工消费合作社印製 五、發明説明（4 ) 圖1顯示已知電化學感測電路；並已在上述説明中討論 過； 圖2顯示本發明的第一實施例；以及 圖3顯π本發明的第二實施例，將單元電池輸出轉換成時 序信號。 - 參閲圖2，電化學單元電池10是具有習用的結構’並包 含一腔室或空穴11，被監視的氣體會注入其中。三個相隔 開的電極w，R’c，都在空穴11内。電極R構成—參考電 極，並連接到運算放大器A2的輸入12上。放大器的第二輸 入13連接到電極W。放大器A2的輸出"經由包含有電阻 R3的反饋迴路而連接到電極w。反侧電極c連接到由都是 OV的電阻R4與二極體！^所產生的參考電極上。 放大器A2經由電阻厌3將電流反饋，以保持工作電極臂與 參考電極R在相同的電位。 當氣體被單元電池i 〇感測出時，放大器A2的輸出會朝正 電壓改變’以便將正電流送到工作電極W，而同時工作電 極W朝相對於反侧電極c的正電壓充電。這二種效應能確 保放大器A2的輸出一直保持在相對於〇v線的正電壓。 跨越電阻R3的電壓與單元電池1〇内氣體濃度成精確正比 關係的輸出。如果+ V電源是由隔絕的電池（未顯示）來供應 的話’電阻R3的端點1 5，1 6 _能當作具有連接到外部隔絕 接地的端點的輸出。這時精確度變得較不重要，足夠用來 感測出相對於OV線的放大器A2輸出，但是放大器A2的輸 出包含有與工作電極W與反侧電極C之間的補偏電壓有關 本紙张尺度適财g)國家縣·（ CNS ) Α4·_ (2丨Qx297公瘦) (請先閲讀背面之注$項再4·寫本頁) •裝. 訂 經濟部中央榡準局負工消费合作社印$! 386161 A7 ___ _B7 五'發明説明（5 ) ·.·· 的元件。該補偏電壓一般是1伏特'的一小部分而已。 反侧電極C的補偏電壓是由電阻R4與二極體〇1所產生， 並且保護到具有一種内建趨勢使反侧電極有相對於工作電 極的正電壓的那些單元電池補偏電壓也會曝露給那些會 假性引發該單元電池相反反應的氣體。如果該單元電池是 - 設計成反側電極C到工作電_有内建的正偏壓的話，便 不須要將補偏電壓加到反侧電極C上。 基於囷1的實驗電路是使用Maxim MAX 406放大器以及 從6V電池提供ιμΑ電流到Di的R4。R3是I2kl，提供 lmV/ppm—氧化碳輸出敏感度给該單元電池，該一氧化碳 是在試驗時由該單元電池所感測的。其總電流消耗爲3 μ A，提供數年的電池壽命。 圖3顯示本發明的進一步實施例，其中單元電池的輸出被 轉換成時序信號。在圖3中，與囷2相類似的構成單元是以 相同的參考數號來表示。 詳細的參閲圖3，放大器A3的操作方式與圖2中的放大器 A2非常相似，除了單元電池電流在該開關是關閉時是經由 開關S 1流出而非經由電阻R3或是在該開關s丨是打開時經 • 由電容C 2流出以外。 放大器A3的輸出16連接到比較器17的輸入端，而且將 參考電壓Vr加到比較器17的另一輸入端。該參考電壓可以 由獨立的電路來提供，或是電阻R5上的電壓》 爲了量測電池電壓，開關S 1先被關閉掉，將電容C2短 路。有一計時器（未顯示）便會起動，而開關S 1被打開。電 8 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) Α4^ ( 21〇χ297公釐） {請先閲讀背面之注意事項再4·寫本頁〕 裝.

-,1T 386161 第87106928號專利申請案 中文說明書修正頁(88年9月) 五、發明説明（6

'M請委員明： ^':‘是否變更原實質内¾. 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 容C 2接著以單元電池電流成正比的速率朝正電壓充電。當 放大器A3的輸出電壓等於參考電壓vr時，比較器17會切 換，所以產生代表單元電池電流的時序信號1 8。 基於圖3電路的感測器對因工作電極w與反側電極c之間 的補偏電壓所引起的誤差是非常小的。如果需要更精確， 可以將參考電壓Vr隨工作電極電歷做變化，當成緩衝作 用，比如用射極隨耦器。 元件符號說明 10 電化學單元電池； 11 空穴； 12 輸入； 13 第二輸入； 14 輸出； 15、16 端點； 17 比較器；以及 18 時序信號。 -9- 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 灼請委知明示，;.:.ί,^^ &後是否變更原實質内容

   經濟部中央棣隼局貝工消费合作杜印製 入到该單疋電池内時，會在反侧電極（c)與工作電極（r) 〈間產生電流，而且參考電極⑴會在電解液内的其中— 個位置中感測出—電壓值來，其特徵是該電路進一步包 含有提供相對於工作電極（w)的一補偏電壓給反侧電極 (C)的電源裳置（12, 13, 14, 15, 16 R4, R5, DU， 用來監視參考電極（r)與工作電極（w)之間電壓差並且經 由一反饋迴路（14, A3)將一電流反饋到工作電極（w)的= 大器裝置（A3，A5 )，所以能很容易的保持該工作電極 (w)在參考電極的相同電位上，該電路還包含量測裝 置（15，16，17，Sl，C2，A3) ’用來量測出從放大器 (Α2, A3)反饋到工作電極（w)的電流，做為流過工作電 極（w)與反侧電極（c)之間電池電流的量度。 2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該量測裝置包含電 阻裝置（R3) ’其串接於放大器（A2)輸出與工作電極（w) 之間，而且裝置（1 5，1 6)是用來量測跨越電阻（R 3 )所產 生的電壓。 3. 如申睛專利私圍第1項之電路，其中該量測裝置（A])包 含一雷谷（C2)，其串接於放大器（A3)輸出與工作電極 (w)之間’一開關（S 1) ’其跨越電容（C 2)，該開關（s 1) 能在關閉位置時將該電容（C 2 )短路掉，並在開路位置時 將該電容（C2)透過由放大器（A3)反馈到工作電極（w)的 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) .Λ. 訂 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 灼請委知明示，;.:.ί,^^ &後是否變更原實質内容

   經濟部中央棣隼局貝工消费合作杜印製 入到该單疋電池内時，會在反侧電極（c)與工作電極（r) 〈間產生電流，而且參考電極⑴會在電解液内的其中— 個位置中感測出—電壓值來，其特徵是該電路進一步包 含有提供相對於工作電極（w)的一補偏電壓給反侧電極 (C)的電源裳置（12, 13, 14, 15, 16 R4, R5, DU， 用來監視參考電極（r)與工作電極（w)之間電壓差並且經 由一反饋迴路（14, A3)將一電流反饋到工作電極（w)的= 大器裝置（A3，A5 )，所以能很容易的保持該工作電極 (w)在參考電極的相同電位上，該電路還包含量測裝 置（15，16，17，Sl，C2，A3) ’用來量測出從放大器 (Α2, A3)反饋到工作電極（w)的電流，做為流過工作電 極（w)與反侧電極（c)之間電池電流的量度。 2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該量測裝置包含電 阻裝置（R3) ’其串接於放大器（A2)輸出與工作電極（w) 之間，而且裝置（1 5，1 6)是用來量測跨越電阻（R 3 )所產 生的電壓。 3. 如申睛專利私圍第1項之電路，其中該量測裝置（A])包 含一雷谷（C2)，其串接於放大器（A3)輸出與工作電極 (w)之間’一開關（S 1) ’其跨越電容（C 2)，該開關（s 1) 能在關閉位置時將該電容（C 2 )短路掉，並在開路位置時 將該電容（C2)透過由放大器（A3)反馈到工作電極（w)的 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) .Λ. 訂 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 委 |.;;更原實質内{ 經濟部中央揉率局身工消費合作社印裝 386161 •申請專利範圍 Αδ,. B8> C8； D8； S 88. 9. 0 滿 電流來進行充電，並接收在第一輸入端（19)上的放大器 (Α3)輸出，以及在第二輸入端（20)上的參考電壓vj•的 比較器（1 7)，該比較器（1 7)會比較第一與第二輸入端 (19，20)，並在該開關（S 1)打開的時候，產生單元電池 電流的輸出信號（1 8)。 ， · 4. 如申請專利範圍第1，2或3項之電路，其中該電源裝置 (R 5，D 1)包含一直流電源，施加正電壓到反侧電極 (c)。 5. 如申請專利範圍第4項之電路，其中該放大器（A3 )是連 接到一第二直流電源間，而該第二直流電源與施加正電 壓到反侧電極（c)的該直流電源是隔絕開的。 6. 如申請專利範圍第3項之電路，其中該電源裝置包含一 直流電源（R 5，D 1 )，施加正電壓到反侧電極（c )，而且 比較器（17)與放大器（A3)是連接到一第二直流電源間， 而該第二直流電源與施加正電壓到反侧電極（c)的該直流 電源是隔絕開的。 7. 如申請專利範圍第3或6項之電路，其中從該比較器（丨7) 出來的輸出信號是數位式的。 8. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該裝置是提供以將 電源的脈衝注入到反侧電極（c )内，以提供試驗出該電路 正確操作的裝置。

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   委 |.;;更原實質内{ 經濟部中央揉率局身工消費合作社印裝 386161 •申請專利範圍 Αδ,. B8> C8； D8； S 88. 9. 0 滿 電流來進行充電，並接收在第一輸入端（19)上的放大器 (Α3)輸出，以及在第二輸入端（20)上的參考電壓vj•的 比較器（1 7)，該比較器（1 7)會比較第一與第二輸入端 (19，20)，並在該開關（S 1)打開的時候，產生單元電池 電流的輸出信號（1 8)。 ， · 4. 如申請專利範圍第1，2或3項之電路，其中該電源裝置 (R 5，D 1)包含一直流電源，施加正電壓到反侧電極 (c)。 5. 如申請專利範圍第4項之電路，其中該放大器（A3 )是連 接到一第二直流電源間，而該第二直流電源與施加正電 壓到反侧電極（c)的該直流電源是隔絕開的。 6. 如申請專利範圍第3項之電路，其中該電源裝置包含一 直流電源（R 5，D 1 )，施加正電壓到反侧電極（c )，而且 比較器（17)與放大器（A3)是連接到一第二直流電源間， 而該第二直流電源與施加正電壓到反侧電極（c)的該直流 電源是隔絕開的。 7. 如申請專利範圍第3或6項之電路，其中從該比較器（丨7) 出來的輸出信號是數位式的。 8. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該裝置是提供以將 電源的脈衝注入到反侧電極（c )内，以提供試驗出該電路 正確操作的裝置。

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