電化學感知技術的新時代

圖1智能健康監(jiān)測和可穿戴設備是先進傳感器平臺的關鍵應用（來源: Adobe Stock）

在科學探索的前沿，電化學感知是一種不可或缺且適應性強的工具，影響著各行各業(yè)。從生命科學、環(huán)境科學到工業(yè)材料和食品加工，量化化學物質(zhì)的能力可以對事物擁有更深入的了解，進而提高安全性、效率和認知。

在這個先進的互聯(lián)技術時代，低功耗、高精度電化學傳感器的重要性怎么強調(diào)都不為過。在我們的家中，通過互聯(lián)設備，我們能為植物監(jiān)測空氣、水和土壤的質(zhì)量。在工業(yè)領域，需求甚至更大。智能醫(yī)療設備（可穿戴設備）通過實時連續(xù)監(jiān)測病人在醫(yī)療機構內(nèi)外的生命體征，從而改善對疾病的了解并提升護理質(zhì)量，將醫(yī)療保健帶入21世紀。

同樣，隨著工業(yè)4.0在制造業(yè)和工業(yè)自動化領域的廣泛應用，許多行業(yè)都部署了大量感知節(jié)點網(wǎng)絡，以提高效率和安全性。傳感器可以監(jiān)測各種工業(yè)流程中產(chǎn)生的有毒氣體，并在工業(yè)設備中啟用反饋系統(tǒng)。在食品加化學傳感器可幫助實現(xiàn)烹飪前口味驗證、pH值報告和化學傳感器可幫助實現(xiàn)烹飪前口味驗證、pH值報告和組胺檢測的自動化。

無論是監(jiān)測糖尿病患者的血糖水平、評估環(huán)境污染物、確保食品安全，還是從原子層面描述材料特性，電化學傳感器都在推動科技進步和提高我們的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

在本文中，我們將探討支持電化學感知的原理、有效實現(xiàn)傳感器性能的要求、 模擬前端（AFE）器件如何成為電流測量和分析的橋梁，并深入探討這些傳感器在醫(yī)療、環(huán)境、食品和材料科學應用中的具體應用案例。

1   了解電化學測量和傳感器的要求

電子工程中電化學傳感器的典型設置包括一個三電極系統(tǒng)，這種布置方式在許多其他類型的傳感器中都能見到（圖2）。

圖2 兩張原理圖顯示了典型電化學傳感器的結構（來源:安森美）

傳感器內(nèi)有一種基底表面材料，可作為傳感電極的保護層。這種材料的主要功能是調(diào)節(jié)能夠進入電極表面的分子數(shù)量，并過濾掉任何可能影響傳感器精度的不良顆粒。

傳感器的核心由三個主要部分組成。工作電極(WE)移是發(fā)生電化學反應的地方。當微粒撞擊工作電極時，就會發(fā)生氧化(失去電子)還原(獲得電子)反應，從而導致電子流動并產(chǎn)生電流。在工作電極上保持恒定的電位至關重要，因為這樣才能準確測量氧化還原反應產(chǎn)生的電流(圖2)。

對電極(CE)提供足夠的電流來平衡工作電極(WE)上發(fā)生的氧化還原反應，從而形成互補對。參比電極(RE)用于測量工作電極( WE)的電位,并提供反饋以建立對電極(CE)電壓。

圖3 安森美電化學傳感器電路圖（來源:安森美）

在電化學傳感器中(圖3)，高邊電阻是一個應該盡量減少的不利因素，這可以通過將參比電極( RE)靠近工作電極( WE)來實現(xiàn)。流過低邊電阻的電流表器都必須滿足設計人員設定的一系列關鍵技術要求。高精度和低噪聲等因素不言而喻，除此之外，電化學傳感器還必須能夠進行簡單的校準，以滿足廣泛的應用需求一因為封裝或使用方式可能會立即或隨著時間的推影響校準。

此外，由于許多電化學傳感器被部署在便攜式或低功耗解決方案中，例如可穿戴醫(yī)療技術或工業(yè)技術節(jié)點，因此需要解決一系列封裝要求。 工程師需要具有低功耗運行特性的解決方案，以支持電池供電的應用，并且要求這些解決方案體積小巧、靈活，以便支持多種傳感器配置和輕松的系統(tǒng)集成。智能預處理也是許多工程師關注的重要功能，因為它可以實現(xiàn)更復雜的校準和噪聲過濾， 從而支持更準確的數(shù)據(jù)傳輸。

3   科學領域的常見傳感器應用

電化學傳感器在生命科學和醫(yī)療保健領域有著廣泛的應用，包括檢測血液中的酒精含量和實現(xiàn)連續(xù)血糖監(jiān)測(CGM)——這是糖尿病管理的一個重要組成部分，全世界每11人中就有1人患有糖尿病這種慢性疾病。預計CGM設備市場在2023年至2032年期間的復合年增長率(CAGR)將達到9%。

安森美(onsemi)的CEM102面向最新的臨床和便攜式醫(yī)療設備，是-款先進的微型模擬前端(AFE)，專為電化學電流的高精度測量而設計。具有高效靈活的運行功耗：在禁用模式下，功耗僅為50 nA；在傳感器偏置模式下為2uA；在18位ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換的主動測量模式下為3.5 uA，并支持1.3-1.65 V和2.375-3.6 V兩種電池選擇。這意味著僅用3mAh電池即可實現(xiàn)市場領先的14天運行時間。CEM102 支持1至4個電極，其1.884x 1,848 mm的緊湊封裝使產(chǎn)品體積更小，電池壽命更長，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應用。超低功耗、靈活配置和小巧尺寸的結合使其成為電化學傳感器應用的理想解決方案。

用廣泛，可用于測量多種有毒氣體，包括一氧化碳、硫化氫、氮氧化物和硫，并支持簡單的“即插即用”更換。這些傳感器的應用多種多樣，從城市環(huán)境中的空氣質(zhì)量傳感器到監(jiān)測植物生長的智能農(nóng)業(yè)應用，不一而足。

同樣，電化學傳感器(如電位計或腐蝕傳感器)在實驗室、采礦作業(yè)和材料生產(chǎn)等環(huán)境中也至關重要。它們作為在生產(chǎn)系統(tǒng)中提供反饋和管理有害物質(zhì)的重要工具，確保操作的安全性。

為了提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，食品生產(chǎn)也開始使用電化學傳感器。在這里，手持便攜式設備和大型自動化設備都被用于食品質(zhì)量控制，以確?？诟胁⒆R別變質(zhì)、過敏源或有害化學物質(zhì)。

4   安森美電化學測量解決方案

基于電化學測量的傳感器已經(jīng)廣泛供貨，安森美深知其蘊含的潛力。從醫(yī)療保健和血糖監(jiān)測到更廣泛的環(huán)境應用，安森美提供的完整解決方案旨在提高可穿戴設備和便攜式醫(yī)療設備的可靠性和準確性，并改善用戶體驗。

該解決方案結合了用于連續(xù)電化學測量的CEM102AFE和安森美的智能RSL15--業(yè) 內(nèi)超低功耗的支持藍牙低功耗5.2技術的微控制器。

這兩個元器件的無縫集成和高效協(xié)作，加上其緊湊的尺寸和業(yè)界領先的能效，在縮小設備尺寸和確保其持久功能方面發(fā)揮了至關重要的作用，而這正是電池供電解決方案的一個重要的因素。

該解決方案獲固件、軟件等全方位的開發(fā)支持，包括iOS和Android^TM演示應用程序(圖4)。此外, 安森美還提供CEM102評估板，配備完整示例代碼用于設置和進行測量，從而更輕松地開始系統(tǒng)開發(fā)。這一綜合解決方案旨在簡化開發(fā)，促進新一代電流型傳感器技術的更大程度集成和創(chuàng)新。

圖4 來自安森美演示應用程序的屏幕示例，旨在與CEM102評估板配合使用（來源:安森美）

在運行過程中，CEM102 的功能是將傳感器網(wǎng)絡連接到數(shù)字處理系統(tǒng)。它負責通過向電極施加必要的信號來調(diào)節(jié)傳感器,確保從傳感器網(wǎng)絡獲得準確的測量數(shù)據(jù)，而RSL15則負責將傳感器連接到無線低功耗藍牙(BLE)網(wǎng)絡(圖5)。

圖5 安森美CEM102 + RSL15組合解決方案可實現(xiàn)無線電化學感知（來源：安森美）

與單獨的解決方案相比，安森美的組合解決方案具有更高的精度、更低的噪聲和功耗。此外，它還簡化了物料清單( BoM)，提高了配置靈活性，易于校準，并降低了制造復雜性，從而減少了開發(fā)資源的投入。

5   促進科學研究

電化學傳感器提供的精確測量是推動科技發(fā)展的關鍵因素。通過仔細檢查血糖水平等因素，研究人員可以獲得對糖尿病等慢性疾病更深入的認識。這些知識可以增進我們對這些疾病的了解，加速創(chuàng)新，最終惠及全球大量人口。

對于最終用戶而言，通過利用像安森美的CEM102+RSL15這樣的解決方案的優(yōu)勢，可以開發(fā)出體積更小、連接性更好、使用壽命更長且更經(jīng)濟的邊緣計算設備，同時與依賴連續(xù)血糖監(jiān)測( CGM)的患者信息無縫地集成。這將使設計人員能夠創(chuàng)造出具有更大影響力的解決方案，因為這些解決方案能夠幫助用戶更有效地管理葡萄糖攝入量，最大限度地降低與糖尿病相關的風險，并更全面地了解自己的健康狀況。

此外，安森美及其電化學解決方案還提供了與學術機構和研究實驗室合作的機會，營造了有利于嚴格探索和實驗的環(huán)境。通過此類合作努力，研究人員能夠推動創(chuàng)新，拓展科學認知的前沿。

6   結束語

隨著電子技術的不斷發(fā)展，企業(yè)需要開拓性的解決方案，這些方案不僅需要重新定義期望值，還要縮短上市時間并提高靈活性，從而為新應用提供空間。安森美的CEM102+RSL15組合解決方案助力企業(yè)實現(xiàn)這一目標，為企業(yè)帶來的不僅是競爭優(yōu)勢，更重要的是改善他人福祉的機會。

從遠程醫(yī)療到環(huán)境監(jiān)測以及工業(yè)安全，電化學傳感器的應用多種多樣，對社會產(chǎn)生了重大影響。然而，其應用潛力遠遠超出了當前的應用范圍。通過生產(chǎn)支持和合作，電化學傳感器可以為推動醫(yī)學領域及其他領域的研究和增進認知做出貢獻。隨著智能技術的不斷發(fā)展，以及人工智能和機器學習等輔助技術的進步，電化學傳感器對我們生活的影響將不斷增強，催生新的創(chuàng)新，并有效解決許多長期存在的全球性挑戰(zhàn)。

（本文來源于《EEPW》202407）