电化学感知技术的新时代

A New Era in Electrochemical Sensing Technology

电化学感知技术的新时代

作者：安森美模拟与混合信号事业部，产品营销工程师Hideo Kondo

图 1 - 智能健康监测和可穿戴设备是先进传感器平台的关键应用（来源：Adobe Stock）

在科学探索的前沿，电化学感知是一种不可或缺且适应性强的工具，影响着各行各业。从生命科学、环境科学到工业材料和食品加工，量化化学物质的能力可以对事物拥有更深入的了解，进而提高安全性、效率和认知。

在这个先进的互联技术时代，低功耗、高精度电化学传感器的重要性怎么强调都不为过。在我们的家中，通过互联设备，我们能为植物监测空气、水和土壤的质量。在工业领域，需求甚至更大。智能医疗设备（包括可穿戴设备）通过实时连续监测病人在医疗机构内外的生命体征，从而改善对疾病的了解并提升护理质量，将医疗保健带入21世纪。

同样，随着工业 4.0 在制造业和工业自动化领域的广泛应用，许多行业都部署了大量感知节点网络，以提高效率和安全性。传感器可以监测各种工业流程中产生的有毒气体，并在工业设备中启用反馈系统。在食品加工过程中，对变质和过敏源物质的检测至关重要--电化学传感器可帮助实现烹饪前口味验证、pH 值报告和组胺检测的自动化。

无论是监测糖尿病患者的血糖水平、评估环境污染物、确保食品安全，还是从原子层面描述材料特性，电化学传感器都在推动科技进步和提高我们的生活质量方面发挥着举足轻重的作用。

在本文中，我们将探讨支持电化学感知的原理、有效实现传感器性能的要求、模拟前端 (AFE)器件如何成为电流测量和分析的桥梁，并深入探讨这些传感器在医疗、环境、食品和材料科学应用中的具体应用案例。

了解电化学测量和传感器的要求

电子工程中电化学传感器的典型设置包括一个三电极系统，这种布置方式在许多其他类型的传感器中都能见到（图 2）。

图 2 - 两张原理图显示了典型电化学传感器的结构（来源：安森美）

传感器内有一种基底表面材料，可作为传感电极的保护层。这种材料的主要功能是调节能够进入电极表面的分子数量，并过滤掉任何可能影响传感器精度的不良颗粒。

传感器的核心由三个主要部分组成。工作电极 (WE) 是发生电化学反应的地方。当微粒撞击工作电极时，就会发生氧化（失去电子）还原（获得电子）反应，从而导致电子流动并产生电流。在工作电极上保持恒定的电位至关重要，因为这样才能准确测量氧化还原反应产生的电流（图 2）。

对电极（CE）提供足够的电流来平衡工作电极（WE）上发生的氧化还原反应，从而形成互补对。参比电极 (RE) 用于测量工作电极（WE）的电位，并提供反馈以建立对电极（CE）电压。

图 3 - 安森美电化学传感器电路图（来源：安森美）

在电化学传感器中（图3），高边电阻是一个应该尽量减少的不利因素，这可以通过将参比电极（RE）靠近工作电极（WE）来实现。流过低边电阻的电流表示电化学测量的输出，可用于推导传感器的输出电压。

传感器的要求

无论是用于消费、医疗还是工业应用，电化学传感器都必须满足设计人员设定的一系列关键技术要求。高精度和低噪声等因素不言而喻，除此之外，电化学传感器还必须能够进行简单的校准，以满足广泛的应用需求——因为封装或使用方式可能会立即或随着时间的推移影响校准。

此外，由于许多电化学传感器被部署在便携式或低功耗解决方案中，例如可穿戴医疗技术或工业技术节点，因此需要解决一系列封装要求。工程师需要具有低功耗运行特性的解决方案，以支持电池供电的应用，并且要求这些解决方案体积小巧、灵活，以便支持多种传感器配置和轻松的系统集成。智能预处理也是许多工程师关注的重要功能，因为它可以实现更复杂的校准和噪声过滤，从而支持更准确的数据传输。

科学领域的常见传感器应用

电化学传感器在生命科学和医疗保健领域有着广泛的应用，包括检测血液中的酒精含量和实现连续血糖监测（CGM）--这是糖尿病管理的一个重要组成部分，全世界每 11 人中就有 1 人患有糖尿病这种慢性疾病。预计 CGM 设备市场在 2023 年至 2032 年期间的复合年增长率 (CAGR) 将达到 9%。

安森美（onsemi） 的 CEM102 面向最新的临床和便携式医疗设备，是一款先进的微型模拟前端（AFE），专为电化学电流的高精度测量而设计。具有高效灵活的运行功耗：在禁用模式下，功耗仅为 50 nA；在传感器偏置模式下为 2 uA；在 18 位 ADC 连续转换的主动测量模式下为 3.5 uA，并支持 1.3 - 1.65 V 和 2.375 - 3.6 V 两种电池选择。这意味着仅用3mAh电池即可实现市场领先的14天运行时间。CEM102 支持 1 至 4 个电极，其 1.884 x 1.848 mm的紧凑封装使产品体积更小，电池寿命更长，非常适合物联网应用。超低功耗、灵活配置和小巧尺寸的结合使其成为电化学传感器应用的理想解决方案。

除医学科学外，电化学传感器还是工业应用中检测有毒气体，或在环境应用中测量污染和空气质量的理想选择。它们利用目标气体与电极之间的化学反应，产生与特定气体浓度成比例的电流。20mm 电化学传感器应用广泛，可用于测量多种有毒气体，包括一氧化碳、硫化氢、氮氧化物和硫，并支持简单的“即插即用”更换。这些传感器的应用多种多样，从城市环境中的空气质量传感器到监测植物生长的智能农业应用，不一而足。

同样，电化学传感器（如电位计或腐蚀传感器）在实验室、采矿作业和材料生产等环境中也至关重要。它们作为在生产系统中提供反馈和管理有害物质的重要工具，确保操作的安全性。

为了提高产量和生产效率，食品生产也开始使用电化学传感器。在这里，手持便携式设备和大型自动化设备都被用于食品质量控制，以确保口感并识别变质、过敏源或有害化学物质。

安森美电化学测量解决方案

基于电化学测量的传感器已经广泛供货，安森美深知其蕴含的潜力。从医疗保健和血糖监测到更广泛的环境应用，安森美提供的完整解决方案旨在提高可穿戴设备和便携式医疗设备的可靠性和准确性，并改善用户体验。

该解决方案结合了用于连续电化学测量的CEM102 AFE和安森美的智能RSL15——业内超低功耗的支持蓝牙低功耗5.2技术的微控制器。

这两个元器件的无缝集成和高效协作，加上其紧凑的尺寸和业界领先的能效，在缩小设备尺寸和确保其持久功能方面发挥了至关重要的作用，而这正是电池供电解决方案的一个重要的因素。

该解决方案获固件、软件等全方位的开发支持，包括iOS®和Android™演示应用程序（图4）。此外，安森美还提供CEM102评估板，配备完整示例代码用于设置和进行测量，从而更轻松地开始系统开发。这一综合解决方案旨在简化开发，促进新一代电流型传感器技术的更大程度集成和创新。

图 4 - 来自安森美演示应用程序的屏幕示例，旨在与 CEM102 评估板配合使用(来源：安森美)

在运行过程中，CEM102的功能是将传感器网络连接到数字处理系统。它负责通过向电极施加必要的信号来调节传感器，确保从传感器网络获得准确的测量数据，而RSL15则负责将传感器连接到无线低功耗蓝牙（BLE）网络（图5）。

图 5 - 安森美 CEM102 + RSL15 组合解决方案可实现无线电化学感知（来源：安森美）

与单独的解决方案相比，安森美的组合解决方案具有更高的精度、更低的噪声和功耗。此外，它还简化了物料清单（BoM），提高了配置灵活性，易于校准，并降低了制造复杂性，从而减少了开发资源的投入。

促进科学研究

电化学传感器提供的精确测量是推动科技发展的关键因素。通过仔细检查血糖水平等因素，研究人员可以获得对糖尿病等慢性疾病更深入的认识。这些知识可以增进我们对这些疾病的了解，加速创新，最终惠及全球大量人口。

对于最终用户而言，通过利用像安森美的 CEM102 + RSL15 这样的解决方案的优势，可以开发出体积更小、连接性更好、使用寿命更长且更经济的边缘计算设备，同时与依赖连续血糖监测（CGM）的患者信息无缝地集成。这将使设计人员能够创造出具有更大影响力的解决方案，因为这些解决方案能够帮助用户更有效地管理葡萄糖摄入量，最大限度地降低与糖尿病相关的风险，并更全面地了解自己的健康状况。

此外， 安森美及其电化学解决方案还提供了与学术机构和研究实验室合作的机会，营造了有利于严格探索和实验的环境。通过此类合作努力，研究人员能够推动创新，拓展科学认知的前沿。

结语

随着电子技术的不断发展，企业需要开拓性的解决方案，这些方案不仅需要重新定义期望值，还要缩短上市时间并提高灵活性，从而为新应用提供空间。安森美的CEM102+RSL15组合解决方案助力企业实现这一目标，为企业带来的不仅是竞争优势，更重要的是改善他人福祉的机会。

从远程医疗到环境监测以及工业安全，电化学传感器的应用多种多样，对社会产生了重大影响。然而，其应用潜力远远超出了当前的应用范围。通过生产支持和合作，电化学传感器可以为推动医学领域及其他领域的研究和增进认知做出贡献。随着智能技术的不断发展，以及人工智能和机器学习等辅助技术的进步，电化学传感器对我们生活的影响将不断增强，催生新的创新，并有效解决许多长期存在的全球性挑战。