电池传感器原理 电化学传感器原理详解

电化学传感器原理详解

说到电化学传感器，可能很多人并不了解它，但其实早在二十世纪五十年代它就问世了，当时主要用于氧气的检测，后来它的功能逐渐宽广，可以用于检测毒气等多种气体。电化学传感器主要由透气膜、 电极、 电解质、过滤器组成。它的制造方法也是多种多样的，当然这就是只有生产商才能决定的了。接下来，我主要给大家讲解的是关于电化学传感器的一些原理。

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。

气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。

穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

在实际中，由于电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。

参考电极安装在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。

一般来说，电化学传感器的预期寿命为一至三年，但利用得当的话可能会比预期时间要长很多。虽然电化学传感器也需要电力支撑才能运作，但是相对于一般的传感器而言，电化学传感器所消耗的电源要小得多。以上便是我给大家归纳出来的一些关于电化学传感器的知识信息了，可能不是很全面，但同样希望这些信息能给大家带来一些实质性帮助。

作为一枚电子人，你应该知道这6大传感器原理

何谓传感器（Sensor）？ 传感器（Sensor）是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动，设备也一样，根据传感器获得的信息进行控制或处理。

传感器收集转换的信号（物理量）有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。这些利用了半导体的物质变化，除此之外，还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。

IoT与传感器

所有物体都连接互联网的IoT（Internet of Things：物联网）。不仅智能手机、个人电脑等通信设备，还包括医疗设备、可穿戴式设备、车载、自然环境、基础设施等，所有物体都能联网共享信息，从而创造更便利、更安心、更安全的社会。

实现这些所不可缺少的是检测状态的“传感器”。【IoT有关的术语定义】 IoT: Internet of Things（"物体"的互联网），指传感器嵌入到周围物体中，进行联网，从而物体之间，物体与人之间可以相互通信的状态。德国・工业4.0: 是德国政府提出的旨在提升制造业智能化水平的概念，也是工业、政府、学术界共同推进的国家项目。推出新的概念，旨在通过工厂物联网，创造新的价值。M2M: Machine to Machine: 指不以人为媒介，通过物体之间联网，直接通信。＜P2M: People to Machine 人向物体通信＞，＜M2P: Machine to People 物体向人通信＞工业互联网: GE（Generel Electric Company）为中心提倡的工业IoT战略。

地磁传感器 地球被磁场磁力所包围，这被称为地磁。地磁传感器是检测地球磁力的传感器，也被称为“电子罗盘”。地磁传感器可以通过检测地磁来检测方向。【围绕地球的地磁】

地磁传感器有X和Y两轴型以及添加了Z的三轴型，并测量各方向上的磁力值。如果不考虑诸如简单罗盘之类的倾斜，则仅使用X轴和Y轴的值。当考虑倾斜时，需要将地磁传感器的3轴值与加速度传感器相结合，将其校正到正确的方向。

下图显示了地磁传感器水平旋转时X和Y值的分布。

如果地磁传感器水平旋转，在不受周围磁场影响的理想情况下，输出分布图的圆心变为零。

然而，实际上中心因环境磁场的影响而移动，因此需要进行调整以将圆心移动到零。地磁传感器导出的北极称为磁北（略偏离北极）。通过上述方程式计算该磁北的角度，可以容易知道方向。各类磁传感器 磁传感器是一种旨在测量磁场的大小和方向的传感器。根据目的不同有多种传感器，以下列举典型的传感器。

检测方法

霍尔

MR

MI

构成

抗噪声（灵敏度）

×

△

◎

消耗电流

×

△

◎

响应速度

×

△

◎

霍尔传感器

基于霍尔效应测量磁通密度的传感器，输出与磁通密度成比例的电压。

它易于使用，主要用于非接触式开关应用，例如门和笔记本电脑等物体的打开和关闭检测。

MR传感器

MR（Magneto Resistance）传感器也被称为磁阻效应传感器，利用物体电阻因磁场变化来测量地磁大小的传感器。

灵敏度高于霍尔传感器，功耗更低，因此是一种使用更广泛的磁传感器。除了电子罗盘等地磁检测应用外，它还用于电机旋转和位置检测应用。

MI传感器

MI（Magneto Impedance）传感器是下一代磁传感器，采用特殊的非晶丝并应用了磁阻抗效应。

它的灵敏度比霍尔传感器高出10,000倍以上，并且可以高精度地测量地磁的微小变化。可以应用于超低消耗电流的方位检测（电子罗盘），还可应用于室内定位、金属异物检测等高灵敏度特性的应用。

脉搏传感器 脉搏波是心脏发送血液时产生的血管的体积变化波形，监测该体积变化的检测器称为脉搏传感器。

首先，测量心率有四种方法，心电图、光电脉波法、血压测量法、心音描记法等。其中的光电脉波法是使用脉搏传感器进行测量的方法。

由于测量方法的不同，光电脉波法的脉搏传感器有透过型和反射型。透过型通过向体表照射红外线或红光，测量随着心脏的脉动而变化的血流量的变化，作为透过身体的光的变化量来测量脉搏波。该方法限于测量易于穿透的部分，例如指尖和耳垂。

反射型脉搏传感器

反射型脉搏传感器是向生物体照射红外线、红光、550nm左右波长的绿光，利用光电二极管或光电晶体管测量生物体反射的光。含氧血红蛋白存在于动脉血液中，具有吸收入射光的特性，因此通过检测随时间序列并随心脏搏动而变化的血流量（血管容积的变化），测量脉搏信号。另外，由于是反射光的测量，因此不必像透过型那样限制测量部位。

[反射型脉搏传感器的原理]

当使用红外线或红光测量脉搏波时，受到室外阳光中包含的红外线的影响，不能进行稳定的脉搏波测量。因此，建议仅将其用于室内或半室内应用。在运动腕表等户外用途，血液中的血红蛋白的吸收率高，由于绿色光源较少受环境光的影响，我们将绿色LED作为照射光使用。

脉搏传感器的应用 通常，通过观察以下两点可以测量动脉血氧饱和度（SpO2）。通过脉搏传感器获得的波形的变动周期，观察心率（脉率）；通过使用红外线和红光两个波长，来观察脉动（变化量）。此外，作为脉搏传感器的应用，期望通过高速采样和高精度测量来获取诸如HRV分析（压力水平）、血管年龄等各种生命体征。

气压传感器 气压传感器是检测大气压力的传感器。根据要测量的压力值，压力传感器具有如下所示的各种材料和方法的传感器。在这些压力传感器中，检测大气压力（用于气压检测）的传感器通常被称为气压传感器。

[使用的材料 - 按方式分类的压力传感器]

气压传感器的典型示例是使用硅（Si）半导体的压阻式。罗姆提供的气压传感器也是压阻式气压传感器。

压阻式气压传感器 压阻式气压传感器使用Si单晶板作为隔膜（压力接收元件），通过在其表面上扩散杂质形成电阻桥电路，将施加压力时产生的变形作为电阻值变化，来计算压力（气压）。

[压阻式气压传感器]

电阻率（电导率）因施加在该电阻上的压力而变化的现象称为压阻效应。罗姆的气压传感器IC将使用压阻式压力接收元件（隔膜结构和压阻集成在一起※MEMS），以及温度校正处理、控制电路等的集成电路（※ASIC）集成在一个封装里，可以轻松获得高精度的气压信息。

※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微机电系统）在一个电路板上集成机械构成部件、传感器、执行机构（驱动部件）等的装置。

※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）它是一种集成电路，将多个电路功能组合成一个特定应用。

加速度传感器 加速度是指单位时间内产生的速度，测量加速度的IC就叫加速度传感器。通过测量加速度，可以测得物体的倾斜、振动等信息。加速度单位为m/s2（※国际单位制SI）。另外，单位G是以※标准重力（1 G = 9.806 65m/s2）为基准的加速度值。还有用于检测地震震动的加速度的单位※Gal（CGS单位制）。

※ 国际单位制SI（法语：Système international d'unités）由长度m、重量kg、时间s （MKS单位）组合而成的国际单位。

※ 标准重力物体在重力作用下产生的加速度。物体在自由落体时，物体每单位时间内增加的速度值（9.806 65m/s2）。

※ GalCGS（长度cm、重量g、时间s为基准）单位制的加速度单位。被定义为SI单位制的1/100（1Gal=0.01 m/s2 ）。

加速度传感器一般分为低G加速度传感器和高G加速度传感器，如下图所示。

电容式加速度传感器

罗姆集团加速度传感器是采用MEMS技术的电容式加速度传感器。传感器元件由Si制成的固定电极、可动电极和弹簧构成。未施加加速度的状态下，固定电极和可动电极间的距离相同。施加加速度，则可动电极移位。由此与固定电极的位置关系发生变化，电极间容量发生变化。容量的变化通过※ASIC转化为电压，算出加速度。

【电容式原理】

※ ASICApplication Specific Integrated Circuit（专用集成电路）指将特定用途的多个电路功能集成到一起的集成电路。

电流传感器 何谓电流传感器？电流传感器是指检测电路中流动的电流值的传感器。电流的检测方法 如下图所示，检测流动电流的方法大致可分为电阻检测型和磁场检测型。

【电流检测方法和特点】 电阻检测型将分流电阻引发的电压降转换为电流。安装简单而且价廉物美，操作简单，但缺点是电阻上的功率损耗会产生较大的发热量。磁场检测型＜有铁芯＞

根据电流线中流动的电流测量铁芯中产生磁场的大小，以此来测量电流值。这种方法无需接触，功率损耗较小，但铁芯较大，存在贴装面积大的课题。＜无铁芯＞

利用霍尔效应将流动电流周围产生的磁场转换为电压（霍尔电压）进行测量，以此来测量电流值。因为霍尔效应产生的电压较小，所以IC由霍尔元件和放大电路构成。因为需要将电流引入IC内，所以会产生功率损耗。

M1电流传感器 为了消除上述磁场检测型在安装难度（有铁芯）和功率损耗（无铁芯）方面的缺点，ROHM开发出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁场检测型非接触型电流传感器。

MI传感器作为使用特殊非晶丝，利用其磁阻抗效应的新一代传感器，其特点是具备超高灵敏度的磁性检测能力。

灵敏度远超霍尔元件，可高精度检测磁性的微小变化。因此，无需将电流引入封装内，也能以高精度进行非接触式电流检测（磁性检测）。

【电流传感器的结构比较（罗姆调查）】 综上所述，MI电流传感器可进行非接触式电流测量，功率损耗少，还能进一步缩小贴装面积。

颜色传感器 感光传感器（光传感器）中，检测R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）3原色的叫作颜色传感器。颜色传感器通过光电二极管接收周围光线，检测RGB值。颜色传感器的原理 向物体照射具有RGB成分的光，反射光的颜色成分会随物体的颜色发生改变。例如，红色物体的反射光成分为红，黄色物体为红和绿、白色则包含红、绿、蓝全部成分。

【物体反射光颜色示意图】

由此可知，物体的颜色由物体反射的光色（R、G、B）成分的比例决定。人眼是通过获取反射光成分来识别物体的颜色。

在漆黑的场所什么都看不见吧！这是因为没有照射光，反射光自然也不存在，所以看上去是漆黑一片。

与人眼一样，颜色传感器是使用光电二极管接收光线，通过计算接收到的R、G、B量的比例来识别颜色。颜色传感器IC的结构 下图是颜色传感器IC的结构。内部搭载了彩色滤光片（Color filter）和红外截止滤光片（Ir cut filter）。

【罗姆的代表性颜色传感器的简要结构】

下面比较了传感器在有无这些滤光片时的分光特性。

【RGB分光特性示意图】

颜色传感器IC通过为内部传感器配备R、G、B各种颜色的滤光片，具备了较高的RGB分光特性，而且通过配备红外截止滤光片，具备了红外线去除特性，能高精度识别颜色。

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