電化學毫伏測量電路基本要求

安培法測量電化學傳感器對電路的要求

2013-10-23 10:06閱讀：662

搞生物化學傳感器的人多半是學化學或生物工程出身，許多人對電子電路不甚瞭解，這裏簡單分別涉及一下對測試電路設計方面的要求,有班門弄斧之嫌，只給有須要的「準外行」做個參考。
測量傳感器電流的電路原理很是簡單，是歐姆定律：I=V/R。在惰性金屬電極上測量氧化還原性分子或離子，用於水溶液中的電壓範圍通常在-0.5至+0.7V範圍。
電化學傳感器在設計上都儘可能避免消耗過多被測物分子，因此要求靈敏度高，單位濃度的被測分子在電極上產生的信號密度越大越好。另外又都要求檢測限低，要求可以檢出並分辨的濃度越低越好。這兩者不矛盾，在化學上說是同一回事，可是在電路設計上則是兩回事。
要求低檢測限必須提出明確的最低可分辨電流，好比說0.2nA。對有經驗的專家，只要你說出這個0.2nA，基本上他就能理解須要什麼樣的電路參數來實現。另外不須要特別指出的是電路自己的漏電流（或曰暗電流），這一項來自半導體或介電材料自己的固有電阻或電導，任何材料都有一個電阻率，正常測量微安以上級別的電路能夠不太留意元器件材料性能的問題，可是納安極的電路就否則。
若是要求電路可以分辨0.2nA電流，在0.7V恆電壓下，用歐姆定律：
R = V/I = 0.7/0.2x（10-9）= 3500MΩ = 35億歐姆 （位數正確否？）
這個數字的意義是，你的電路總體介電性能須要高於它，這包括全部元器件+PCB+焊點+表面塗層+甚至空氣。。。最最要命的是，整個儀器內部或裸露線路任何一點的表面被潮氣粘上，有灰塵雜質或鹽類時，就至關於短路，你絞盡腦汁也找不到哪裏出問題了，因此對儀器絕緣性能包括傳感器接口和導線等都須要注意。
下面是個電流測量電路（伏安測量電路）原理圖，左面的放大器提供參比電位（注意相對於工做電極來講，電壓符號是反向的）和對電極接口（對二電極系統，將參比與對電極合併便可），右面的放大器是電流檢測電路，一步直接轉換爲電壓並放大輸出。R2/R1的比值是對原始信號的放大倍數，若是選取100M/1K的話，就是一步放大10萬倍。

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前面所說的靈敏度問題，表如今原理圖上並不難，增長R2/R1比值就解決了，必要時能夠增長一個次極放大電路。最後在電壓輸出端加上模數轉換器就能夠實現數據輸出。
要想把這個簡單伏安電路升級爲電壓掃描電路（掃描伏安或循環伏安）時，將電壓源變成掃描源就能夠了。固然這些是原理，實際電路不是如此簡單。
要實現高精度、高靈敏度電流測量，關鍵是整個電路的質量。實用的化學傳感器電路最大的優點是對頻率特性要求較低，對環境干擾要求也低，通常不須要屏蔽，實際上須要在工做電極端接一個合適的電容濾掉噪音。因此除了醫院的核磁儀器腔內，大部分場合都去得，沒什麼明顯干擾。

 

 

 

前一篇討論了傳感器微量電流測量電路基本要求，再討論另外一種重要測量電路：毫伏電壓測量的基本原理和要求.
不就是測量電壓麼？拿個萬用表來誰不會用？
且慢！電化學儀器之因此值幾萬銀子，確定不是萬用表能替代的。電化學與通常固體電路不一樣，關鍵在於它的電流-電壓關係是靠電極表面與溶液中分子離子的電子交換來實現並維持的。要想測量電極表面平衡態的電荷積累狀態（相間電位），就必須用電流等於零的方式來測量，這自己違反歐姆定律，沒有電流是測不到電壓的，那又如何實現測量？
實際生活中，要求測量電路自己具備極大電阻，以電流接近與零的方式來完成測量，使測量時流過的電流所消耗的電極電荷相對於電極表面的整體平衡態能夠忽略不計，不會明顯擾動電極表面狀態。
上面這句話含義其實很深，注意！電壓自己是非加和量（這個術語一時間想不起來了,Intensive quantity），與電極表面積無關，可是電極表面積倒是加和量(extensive quantity)，電極表面積越大，所能容許的測量電流就越大，因此在儘量狀況下（例如測試液體體積不受限制時），電極面積越大越好，可以下降對測量電路的要求。
下面是一個原理電路，使用一個高輸入阻抗的運算放大器直接實現毫伏電壓測量，想要可靠測量毫伏電壓，測量時的微量放電就可能使整個測量結果失效，因此須要測量電路的輸入阻抗大於10-14歐姆以上(這個量值也是直接從歐姆定律得來的)。

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第一個運算放大器（高輸入阻抗）直接測量pH電極與參比電極之間的電壓差，第二個放大器將電壓符號轉換一下輸出至顯示器。理論上說原理與萬用表沒什麼區別，主要是對測量電路輸入阻抗的要求極高，不能有電流流過，不然形成電極放電，就測不許了。
再就是毫伏電壓測量受環境干擾極大，必須有足夠消除噪音的措施。表如今上面電路中，就是多處電容的使用。
再就電極表面現象解釋一下，離子選擇電極的毫伏測量是對錶面相間電位的測量，以下圖所示。這是一個電極表面（或玻璃膜表面）在溶液中，因爲離子積 累所產生的電容效應。若每個正負離子對錶明一個單位電位差，則單位面積上的全部離子對的代數和(電荷密度）就是外電路測量所得電壓。