一种电化学传感器的电路及其使用方法和应用技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术功耗低、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。器检测中。

【技术实现步骤摘要】
一种电化学传感器的电路及其使用方法和应用


[0001]本专利技术涉及电路设计领域，具体涉及一种电化学传感器的电路设计和使用方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。

技术实现思路

[0009]为克服现有技术存在的上述问题和缺陷，本专利技术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。
[0010]为实现本专利技术的目的，本专利技术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。
[0011]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。
[0012]本专利技术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。
[0013]进一步的，运算放大器U2相比于运算放大器U3的耗电量低。
[0014]本专利技术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。
[0015]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。本专利技术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，并和外电路一起检本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡锡江，章子毅，王天星，
申请(专利权)人：杭州亿联康医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：