電化學(xué)感知技術(shù)的新時代

作者：安森美模擬與混合信號事業(yè)部，產(chǎn)品營銷工程師Hideo Kondo

圖 1 - 智能健康監(jiān)測和可穿戴設(shè)備是先進傳感器平臺的關(guān)鍵應(yīng)用（來源：Adobe Stock）

在科學(xué)探索的前沿，電化學(xué)感知是一種不可或缺且適應(yīng)性強的工具，影響著各行各業(yè)。從生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)到工業(yè)材料和食品加工，量化化學(xué)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(shù)時代，低功耗、高精度電化學(xué)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(shè)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(lǐng)域，需求甚至更大。智能醫(yī)療設(shè)備（包括可穿戴設(shè)備）通過實時連續(xù)監(jiān)測病人在醫(yī)療機構(gòu)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(jì)。

同樣，隨著工業(yè) 4.0 在制造業(yè)和工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多行業(yè)都部署了大量感知節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備中啟用反饋系統(tǒng)。在食品加工過程中，對變質(zhì)和過敏源物質(zhì)的檢測至關(guān)重要--電化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)應(yīng)用中的具體應(yīng)用案例。

了解電化學(xué)測量和傳感器的要求

電子工程中電化學(xué)傳感器的典型設(shè)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(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)（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) 是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方。當(dāng)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(yīng)，從而導(dǎo)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(guān)重要，因為這樣才能準(zhǔn)確測量氧化還原反應(yīng)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(yīng)，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(xué)傳感器電路圖（來源：安森美）

在電化學(xué)傳感器中（圖3），高邊電阻是一個應(yīng)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示電化學(xué)測量的輸出，可用于推導(dǎo)傳感器的輸出電壓。

傳感器的要求

無論是用于消費、醫(yī)療還是工業(yè)應(yīng)用，電化學(xué)傳感器都必須滿足設(shè)計人員設(shè)定的一系列關(guān)鍵技術(shù)要求。高精度和低噪聲等因素不言而喻，除此之外，電化學(xué)傳感器還必須能夠進行簡單的校準(zhǔn)，以滿足廣泛的應(yīng)用需求——因為封裝或使用方式可能會立即或隨著時間的推移影響校準(zhǔn)。

此外，由于許多電化學(xué)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(shù)或工業(yè)技術(shù)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(yīng)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(yù)處理也是許多工程師關(guān)注的重要功能，因為它可以實現(xiàn)更復(fù)雜的校準(zhǔn)和噪聲過濾，從而支持更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。

科學(xué)領(lǐng)域的常見傳感器應(yīng)用

電化學(xué)傳感器在生命科學(xué)和醫(yī)療保健領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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1。預(yù)計 CGM 設(shè)備市場在 2023 年至 2032 年期間的復(fù)合年增長率 (CAGR) 將達到 9%2。

安森美（onsemi） 的 CEM102 面向最新的臨床和便攜式醫(yī)療設(shè)備，是一款先進的微型模擬前端（AFE），專為電化學(xué)電流的高精度測量而設(shè)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 2 uA；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(lǐng)先的14天運行時間。CEM102 支持 1 至 4 個電極，其 1.884 x 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(yīng)用。超低功耗、靈活配置和小巧尺寸的結(jié)合使其成為電化學(xué)傳感器應(yīng)用的理想解決方案。

除醫(yī)學(xué)科學(xué)外，電化學(xué)傳感器還是工業(yè)應(yīng)用中檢測有毒氣體，或在環(huán)境應(yīng)用中測量污染和空氣質(zhì)量的理想選擇。它們利用目標(biāo)氣體與電極之間的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生與特定氣體濃度成比例的電流。20mm 電化學(xué)傳感器應(yīng)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(yīng)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(yīng)用，不一而足。

同樣，電化學(xué)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(guān)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(xué)傳感器。在這里，手持便攜式設(shè)備和大型自動化設(shè)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(xué)物質(zhì)。

安森美電化學(xué)測量解決方案

基于電化學(xué)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(yīng)用，安森美提供的完整解決方案旨在提高可穿戴設(shè)備和便攜式醫(yī)療設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性，并改善用戶體驗。

該解決方案結(jié)合了用于連續(xù)電化學(xué)測量的CEM102 AFE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(shù)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(lǐng)先的能效，在縮小設(shè)備尺寸和確保其持久功能方面發(fā)揮了至關(guān)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?演示應(yīng)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(shè)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(shù)的更大程度集成和創(chuàng)新。

圖 4 - 來自安森美演示應(yīng)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(luò)連接到數(shù)字處理系統(tǒng)。它負責(zé)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(luò)獲得準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，而RSL15則負責(zé)將傳感器連接到無線低功耗藍牙（BLE）網(wǎng)絡(luò)（圖5）。

圖 5 - 安森美 CEM102 + RSL15 組合解決方案可實現(xiàn)無線電化學(xué)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(zhǔn)，并降低了制造復(fù)雜性，從而減少了開發(fā)資源的投入。

促進科學(xué)研究

電化學(xué)傳感器提供的精確測量是推動科技發(fā)展的關(guān)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(shè)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(shè)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(guān)的風(fēng)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(xué)解決方案還提供了與學(xué)術(shù)機構(gòu)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(xué)認知的前沿。

結(jié)語

隨著電子技術(shù)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(yīng)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(biāo)，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(xué)傳感器的應(yīng)用多種多樣，對社會產(chǎn)生了重大影響。然而，其應(yīng)用潛力遠遠超出了當(dāng)前的應(yīng)用范圍。通過生產(chǎn)支持和合作，電化學(xué)傳感器可以為推動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域的研究和增進認知做出貢獻。隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人工智能和機器學(xué)習(xí)等輔助技術(shù)的進步，電化學(xué)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)。