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A New Era in Electrochemical Sensing Technology 作者：安森美模擬與混合信號事業部，產品營銷工程師Hideo Kondo 
圖 1 - 智能健康監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。從生命科學、環境科學到工業材料和食品加工，量化化學物質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。 在這個先進的互聯技術時代，低功耗、高精度電化學傳感器的重要性怎么強調都不為過。在我們的家中，通過互聯設備，我們能為植物監測空氣、水和土壤的質量。在工業領域，需求甚至更大。智能醫療設備（包括可穿戴設備）通過實時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量，將醫療保健帶入21世紀。 同樣，隨著工業 4.0 在制造業和工業自動化領域的廣泛應用，許多行業都部署了大量感知節點網絡，以提高效率和安全性。傳感器可以監測各種工業流程中產生的有毒氣體，并在工業設備中啟用反饋系統。在食品加工過程中，對變質和過敏源物質的檢測至關重要--電化學傳感器可幫助實現烹飪前口味驗證、pH 值報告和組胺檢測的自動化。 無論是監測糖尿病患者的血糖水平、評估環境污染物、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量方面發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、環境、食品和材料科學應用中的具體應用案例。 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，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入電極表面的分子數量，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) 是發生電化學反應的地方。當微粒撞擊工作電極時，就會發生氧化（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。流過低邊電阻的電流表示電化學測量的輸出，可用于推導傳感器的輸出電壓。 傳感器的要求 無論是用于消費、醫療還是工業應用，電化學傳感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——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。 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，例如可穿戴醫療技術或工業技術節點，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，因為它可以實現更復雜的校準和噪聲過濾，從而支持更準確的數據傳輸。 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連續血糖監測（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療設備，是一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 2 uA；在 18 位 ADC 連續轉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電池即可實現市場領先的14天運行時間。CEM102 支持 1 至 4 個電極，其 1.884 x 1.848 mm的緊湊封裝使產品體積更小，電池壽命更長，非常適合物聯網應用。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。 除醫學科學外，電化學傳感器還是工業應用中檢測有毒氣體，或在環境應用中測量污染和空氣質量的理想選擇。它們利用目標氣體與電極之間的化學反應，產生與特定氣體濃度成比例的電流。20mm 電化學傳感器應用廣泛，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，并支持簡單的“即插即用”更換。這些傳感器的應用多種多樣，從城市環境中的空氣質量傳感器到監測植物生長的智能農業應用，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、采礦作業和材料生產等環境中也至關重要。它們作為在生產系統中提供反饋和管理有害物質的重要工具，確保操作的安全性。 為了提高產量和生產效率，食品生產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量控制，以確保口感并識別變質、過敏源或有害化學物質。 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，并改善用戶體驗。 該解決方案結合了用于連續電化學測量的CEM102 AFE和安森美的智能RSL15——業內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作，加上其緊湊的尺寸和業界領先的能效，在縮小設備尺寸和確保其持久功能方面發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行測量，從而更輕松地開始系統開發。這一綜合解決方案旨在簡化開發，促進新一代電流型傳感器技術的更大程度集成和創新。
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絡連接到數字處理系統。它負責通過向電極施加必要的信號來調節傳感器，確保從傳感器網絡獲得準確的測量數據，而RSL15則負責將傳感器連接到無線低功耗藍牙（BLE）網絡（圖5）。
圖 5 - 安森美 CEM102 + RSL15 組合解決方案可實現無線電化學感知（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，從而減少了開發資源的投入。 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勢，可以開發出體積更小、連接性更好、使用壽命更長且更經濟的邊緣計算設備，同時與依賴連續血糖監測（CGM）的患者信息無縫地集成。這將使設計人員能夠創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境。通過此類合作努力，研究人員能夠推動創新，拓展科學認知的前沿。 結語 隨著電子技術的不斷發展，企業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實現這一目標，為企業帶來的不僅是競爭優勢，更重要的是改善他人福祉的機會。 從遠程醫療到環境監測以及工業安全，電化學傳感器的應用多種多樣，對社會產生了重大影響。然而，其應用潛力遠遠超出了當前的應用范圍。通過生產支持和合作，電化學傳感器可以為推動醫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，催生新的創新，并有效解決許多長期存在的全球性挑戰。 |
