【導讀】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性強的工具，影響著(zhù)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(jìn)而提高安全性、效率和認知。
圖 1 - 智能健康監測和可穿戴設備是先進(jìn)傳感器平臺的關(guān)鍵應用（來(lái)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性強的工具，影響著(zhù)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(jìn)而提高安全性、效率和認知。
在這個(gè)先進(jìn)的互聯(lián)技術(shù)時(shí)代，低功耗、高精度電化學(xué)傳感器的重要性怎么強調都不為過(guò)。在我們的家中，通過(guò)互聯(lián)設備，我們能為植物監測空氣、水和土壤的質(zhì)量。在工業(yè)領(lǐng)域，需求甚至更大。智能醫療設備（包括可穿戴設備）通過(guò)實(shí)時(shí)連續監測病人在醫療機構內外的生命體征，從而改善對疾病的了解并提升護理質(zhì)量，將醫療保健帶入21世紀。
同樣，隨著(zhù)工業(yè) 4.0 在制造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應用，許多行業(yè)都部署了大量感知節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，以提高效率和安全性。傳感器可以監測各種工業(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。在食品加工過(guò)程中，對變質(zhì)和過(guò)敏源物質(zhì)的檢測至關(guān)重要--電化學(xué)傳感器可幫助實(shí)現烹飪前口味驗證、pH 值報告和組胺檢測的自動(dòng)化。
無(wú)論是監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(dòng)科技進(jìn)步和提高我們的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著(zhù)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(shí)現傳感器性能的要求、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療、環(huán)境、食品和材料科學(xué)應用中的具體應用案例。
了解電化學(xué)測量和傳感器的要求
電子工程中電化學(xué)傳感器的典型設置包括一個(gè)三電極系統，這種布置方式在許多其他類(lèi)型的傳感器中都能見(jiàn)到（圖 2）。
圖 2 - 兩張原理圖顯示了典型電化學(xué)傳感器的結構（來(lái)源：安森美）
傳感器內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節能夠進(jìn)入電極表面的分子數量，并過(guò)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(gè)主要部分組成。工作電極 (WE) 是發(fā)生電化學(xué)反應的地方。當微粒撞擊工作電極時(shí)，就會(huì )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(dòng)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(lái)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(xué)傳感器電路圖（來(lái)源：安森美）
在電化學(xué)傳感器中（圖3），高邊電阻是一個(gè)應該盡量減少的不利因素，這可以通過(guò)將參比電極（RE）靠近工作電極（WE）來(lái)實(shí)現。流過(guò)低邊電阻的電流表示電化學(xué)測量的輸出，可用于推導傳感器的輸出電壓。
傳感器的要求
無(wú)論是用于消費、醫療還是工業(yè)應用，電化學(xué)傳感器都必須滿(mǎn)足設計人員設定的一系列關(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(jìn)行簡(jiǎn)單的校準，以滿(mǎn)足廣泛的應用需求——因為封裝或使用方式可能會(huì )立即或隨著(zhù)時(shí)間的推移影響校準。
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，例如可穿戴醫療技術(shù)或工業(yè)技術(shù)節點(diǎn)，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集成。智能預處理也是許多工程師關(guān)注的重要功能，因為它可以實(shí)現更復雜的校準和噪聲過(guò)濾，從而支持更準確的數據傳輸。
科學(xué)領(lǐng)域的常見(jiàn)傳感器應用
電化學(xué)傳感器在生命科學(xué)和醫療保健領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，包括檢測血液中的酒精含量和實(shí)現連續血糖監測（CGM）--這是糖尿病管理的一個(gè)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]。預計 CGM 設備市場(chǎng)在 2023 年至 2032 年期間的復合年增長(cháng)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療設備，是一款先進(jìn)的微型模擬前端（AFE），專(zhuān)為電化學(xué)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 2 uA；在 18 位 ADC 連續轉換的主動(dòng)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(zhù)僅用3mAh電池即可實(shí)現市場(chǎng)領(lǐng)先的14天運行時(shí)間。CEM102 支持 1 至 4 個(gè)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(cháng)，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(xué)傳感器應用的理想解決方案。
除醫學(xué)科學(xué)外，電化學(xué)傳感器還是工業(yè)應用中檢測有毒氣體，或在環(huán)境應用中測量污染和空氣質(zhì)量的理想選擇。它們利用目標氣體與電極之間的化學(xué)反應，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(jiǎn)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)量傳感器到監測植物生長(cháng)的智能農業(yè)應用，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(shí)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(kāi)始使用電化學(xué)傳感器。在這里，手持便攜式設備和大型自動(dòng)化設備都被用于食品質(zhì)量控制，以確?？诟胁⒆R別變質(zhì)、過(guò)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。從醫療保健和血糖監測到更廣泛的環(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療設備的可靠性和準確性，并改善用戶(hù)體驗。
該解決方案結合了用于連續電化學(xué)測量的CEM102 AFE和安森美的智能RSL15——業(yè)內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(gè)元器件的無(wú)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(gè)重要的因素。
該解決方案獲固件、軟件等全方位的開(kāi)發(fā)支持，包括iOS?和Android?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(jìn)行測量，從而更輕松地開(kāi)始系統開(kāi)發(fā)。這一綜合解決方案旨在簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，促進(jìn)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(lái)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(lái)源：安森美)
在運行過(guò)程中，CEM102的功能是將傳感器網(wǎng)絡(luò )連接到數字處理系統。它負責通過(guò)向電極施加必要的信號來(lái)調節傳感器，確保從傳感器網(wǎng)絡(luò )獲得準確的測量數據，而RSL15則負責將傳感器連接到無(wú)線(xiàn)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(shí)現無(wú)線(xiàn)電化學(xué)感知（來(lái)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)資源的投入。
促進(jìn)科學(xué)研究
電化學(xué)傳感器提供的精確測量是推動(dòng)科技發(fā)展的關(guān)鍵因素。通過(guò)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(jìn)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(hù)而言，通過(guò)利用像安森美的 CEM102 + RSL15 這樣的解決方案的優(yōu)勢，可以開(kāi)發(fā)出體積更小、連接性更好、使用壽命更長(cháng)且更經(jīng)濟的邊緣計算設備，同時(shí)與依賴(lài)連續血糖監測（CGM）的患者信息無(wú)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(hù)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)機構和研究實(shí)驗室合作的機會(huì )，營(yíng)造了有利于嚴格探索和實(shí)驗的環(huán)境。通過(guò)此類(lèi)合作努力，研究人員能夠推動(dòng)創(chuàng )新，拓展科學(xué)認知的前沿。
結語(yǔ)
隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)需要開(kāi)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(shí)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(shí)現這一目標，為企業(yè)帶來(lái)的不僅是競爭優(yōu)勢，更重要的是改善他人福祉的機會(huì )。
從遠程醫療到環(huán)境監測以及工業(yè)安全，電化學(xué)傳感器的應用多種多樣，對社會(huì )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(guò)生產(chǎn)支持和合作，電化學(xué)傳感器可以為推動(dòng)醫學(xué)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域的研究和增進(jìn)認知做出貢獻。隨著(zhù)智能技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人工智能和機器學(xué)習等輔助技術(shù)的進(jìn)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(cháng)期存在的全球性挑戰。
[1] https://www.diabetes.co.uk/diabetes-prevalence.html
[2] https://www.precedenceresearch.com/continuous-glucose-monitoring-device-market
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