【導讀】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。

圖 1 - 智能健康監測和可穿戴設備是先進傳感器平台的關鍵應用（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麼強調都不為過。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並提升護理質量

，將醫療保健帶入21世紀。

同樣，隨著工業 4.0 在zai製zhi造zao業ye和he工gong業ye自zi動dong化hua領ling域yu的de廣guang泛fan應ying用yong，許xu多duo行xing業ye都dou部bu署shu了le大da量liang感gan知zhi節jie點dian網wang絡luo
，以yi提ti高gao效xiao率lv和he安an全quan性xing。傳chuan感gan器qi可ke以yi監jian測ce各ge種zhong工gong業ye流liu程cheng中zhong產chan生sheng的de有you毒du氣qi體ti，並bing在zai工gong業ye設she備bei中zhong啟qi用yong反fan饋kui係xi統tong。在zai食shi品pin加jia工gong過guo程cheng中zhong，對dui變bian質zhi和he過guo敏min源yuan物wu質zhi的de檢jian測ce至zhi關guan重zhong要yao--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、評估環境汙染物、確保食品安全，還是從原子層麵描述材料特性，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麵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，並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係統，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chuan感gan器qi內nei有you一yi種zhong基ji底di表biao麵mian材cai料liao

，可ke作zuo為wei傳chuan感gan電dian極ji的de保bao護hu層ceng。這zhe種zhong材cai料liao的de主zhu要yao功gong能neng是shi調tiao節jie能neng夠gou進jin入ru電dian極ji表biao麵mian的de分fen子zi數shu量liang

，並bing過guo濾lv掉diao任ren何he可ke能neng影ying響xiang傳chuan感gan器qi精jing度du的de不bu良liang顆ke粒li。

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
，從而導致電子流動並產生電流。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) 用於測量工作電極（WE）的電位，並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，可用於推導傳感器的輸出電壓。

傳感器的要求

無論是用於消費、yiliaohaishigongyeyingyong，dianhuaxuechuanganqidoubixumanzushejirenyuanshedingdeyixilieguanjianjishuyaoqiu。gaojingduhedizaoshengdengyinsubuyaneryu
，chucizhiwai，dianhuaxuechuanganqihaibixunenggoujinxingjiandandexiaozhun
，yimanzuguangfandeyingyongxuqiu——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(ci)外(wai)，由(you)於(yu)許(xu)多(duo)電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)部(bu)署(shu)在(zai)便(bian)攜(xie)式(shi)或(huo)低(di)功(gong)耗(hao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，例(li)如(ru)可(ke)穿(chuan)戴(dai)醫(yi)療(liao)技(ji)術(shu)或(huo)工(gong)業(ye)技(ji)術(shu)節(jie)點(dian)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)一(yi)係(xi)列(lie)封(feng)裝(zhuang)要(yao)求(qiu)。工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)低(di)功(gong)耗(hao)運(yun)行(xing)特(te)性(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，以(yi)支(zhi)持(chi)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)應(ying)用(yong)
，並(bing)且(qie)要(yao)求(qiu)這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)體(ti)積(ji)小(xiao)巧(qiao)
、linghuo，yibianzhichiduozhongchuanganqipeizhiheqingsongdexitongjicheng。zhinengyuchuliyeshixuduogongchengshiguanzhudezhongyaogongneng，yinweitakeyishixiangengfuzadexiaozhunhezaoshengguolv，congerzhichigengzhunquedeshujuchuanshu。

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[1]。預計 CGM 設備市場在 2023 年至 2032 年期間的複合年增長率 (CAGR) 將達到 9%[2]。

安森美（onsemi） 的 CEM102 麵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，並支持 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(chu)醫(yi)學(xue)科(ke)學(xue)外(wai)，電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)是(shi)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)中(zhong)檢(jian)測(ce)有(you)毒(du)氣(qi)體(ti)，或(huo)在(zai)環(huan)境(jing)應(ying)用(yong)中(zhong)測(ce)量(liang)汙(wu)染(ran)和(he)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。它(ta)們(men)利(li)用(yong)目(mu)標(biao)氣(qi)體(ti)與(yu)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)
，產(chan)生(sheng)與(yu)特(te)定(ding)氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)電(dian)流(liu)。20mm 電化學傳感器應用廣泛
，可用於測量多種有毒氣體
，包括一氧化碳
、硫化氫、氮氧化物和硫，並支持簡單的“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。它們作為在生產係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wei了le提ti高gao產chan量liang和he生sheng產chan效xiao率lv，食shi品pin生sheng產chan也ye開kai始shi使shi用yong電dian化hua學xue傳chuan感gan器qi。在zai這zhe裏li，手shou持chi便bian攜xie式shi設she備bei和he大da型xing自zi動dong化hua設she備bei都dou被bei用yong於yu食shi品pin質zhi量liang控kong製zhi，以yi確que保bao口kou感gan並bing識shi別bie變bian質zhi、過敏源或有害化學物質。

安森美電化學測量解決方案

jiyudianhuaxueceliangdechuanganqiyijingguangfangonghuo，ansenmeishenzhiqiyunhandeqianli。congyiliaobaojianhexuetangjiancedaogengguangfandehuanjingyingyong，ansenmeitigongdewanzhengjiejuefanganzhizaitigaokechuandaishebeihebianxieshiyiliaoshebeidekekaoxinghezhunquexing，binggaishanyonghutiyan。

該解決方案結合了用於連續電化學測量的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技術的微控製器。

這(zhe)兩(liang)個(ge)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)無(wu)縫(feng)集(ji)成(cheng)和(he)高(gao)效(xiao)協(xie)作(zuo)
，加(jia)上(shang)其(qi)緊(jin)湊(cou)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)業(ye)界(jie)領(ling)先(xian)的(de)能(neng)效(xiao)，在(zai)縮(suo)小(xiao)設(she)備(bei)尺(chi)寸(cun)和(he)確(que)保(bao)其(qi)持(chi)久(jiu)功(gong)能(neng)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)了(le)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)
，而(er)這(zhe)正(zheng)是(shi)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su)。

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CEM102pingguban，peibeiwanzhengshilidaimayongyushezhihejinxingceliang
，congergengqingsongdikaishixitongkaifa。zheyizonghejiejuefanganzhizaijianhuakaifa，cujinxinyidaidianliuxingchuanganqijishudegengdachengdujichenghechuangxin。

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de功gong能neng是shi將jiang傳chuan感gan器qi網wang絡luo連lian接jie到dao數shu字zi處chu理li係xi統tong。它ta負fu責ze通tong過guo向xiang電dian極ji施shi加jia必bi要yao的de信xin號hao來lai調tiao節jie傳chuan感gan器qi
，確que保bao從cong傳chuan感gan器qi網wang絡luo獲huo得de準zhun確que的de測ce量liang數shu據ju，而erRSL15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，易於校準
，並降低了製造複雜性，從而減少了開發資源的投入。

促進科學研究

電dian化hua學xue傳chuan感gan器qi提ti供gong的de精jing確que測ce量liang是shi推tui動dong科ke技ji發fa展zhan的de關guan鍵jian因yin素su。通tong過guo仔zai細xi檢jian查zha血xue糖tang水shui平ping等deng因yin素su，研yan究jiu人ren員yuan可ke以yi獲huo得de對dui糖tang尿niao病bing等deng慢man性xing疾ji病bing更geng深shen入ru的de認ren識shi。這zhe些xie知zhi識shi可ke以yi增zeng進jin我wo們men對dui這zhe些xie疾ji病bing的de了le解jie，加jia速su創chuang新xin
，最zui終zhong惠hui及ji全quan球qiu大da量liang人ren口kou。

對於最終用戶而言
，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(de)患(huan)者(zhe)信(xin)息(xi)無(wu)縫(feng)地(di)集(ji)成(cheng)。這(zhe)將(jiang)使(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)創(chuang)造(zao)出(chu)具(ju)有(you)更(geng)大(da)影(ying)響(xiang)力(li)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)用(yong)戶(hu)更(geng)有(you)效(xiao)地(di)管(guan)理(li)葡(pu)萄(tao)糖(tang)攝(she)入(ru)量(liang)，最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)與(yu)糖(tang)尿(niao)病(bing)相(xiang)關(guan)的(de)風(feng)險(xian)，並(bing)更(geng)全(quan)麵(mian)地(di)了(le)解(jie)自(zi)己(ji)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)。

此外， 安(an)森(sen)美(mei)及(ji)其(qi)電(dian)化(hua)學(xue)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)還(hai)提(ti)供(gong)了(le)與(yu)學(xue)術(shu)機(ji)構(gou)和(he)研(yan)究(jiu)實(shi)驗(yan)室(shi)合(he)作(zuo)的(de)機(ji)會(hui)，營(ying)造(zao)了(le)有(you)利(li)於(yu)嚴(yan)格(ge)探(tan)索(suo)和(he)實(shi)驗(yan)的(de)環(huan)境(jing)。通(tong)過(guo)此(ci)類(lei)合(he)作(zuo)努(nu)力(li)
，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)推(tui)動(dong)創(chuang)新(xin)，拓(tuo)展(zhan)科(ke)學(xue)認(ren)知(zhi)的(de)前(qian)沿(yan)。

結語

隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)

，企(qi)業(ye)需(xu)要(yao)開(kai)拓(tuo)性(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，這(zhe)些(xie)方(fang)案(an)不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)定(ding)義(yi)期(qi)望(wang)值(zhi)，還(hai)要(yao)縮(suo)短(duan)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)並(bing)提(ti)高(gao)靈(ling)活(huo)性(xing)
，從(cong)而(er)為(wei)新(xin)應(ying)用(yong)提(ti)供(gong)空(kong)間(jian)。安(an)森(sen)美(mei)的(de)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(cong)遠(yuan)程(cheng)醫(yi)療(liao)到(dao)環(huan)境(jing)監(jian)測(ce)以(yi)及(ji)工(gong)業(ye)安(an)全(quan)，電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)多(duo)種(zhong)多(duo)樣(yang)
，對(dui)社(she)會(hui)產(chan)生(sheng)了(le)重(zhong)大(da)影(ying)響(xiang)。然(ran)而(er)，其(qi)應(ying)用(yong)潛(qian)力(li)遠(yuan)遠(yuan)超(chao)出(chu)了(le)當(dang)前(qian)的(de)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)。通(tong)過(guo)生(sheng)產(chan)支(zhi)持(chi)和(he)合(he)作(zuo)
，電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)為(wei)推(tui)動(dong)醫(yi)學(xue)領(ling)域(yu)及(ji)其(qi)他(ta)領(ling)域(yu)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)增(zeng)進(jin)認(ren)知(zhi)做(zuo)出(chu)貢(gong)獻(xian)。隨(sui)著(zhe)智(zhi)能(neng)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)
，以(yi)及(ji)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)和(he)機(ji)器(qi)學(xue)習(xi)等(deng)輔(fu)助(zhu)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)
，電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)我(wo)們(men)生(sheng)活(huo)的(de)影(ying)響(xiang)將(jiang)不(bu)斷(duan)增(zeng)強(qiang)
，催(cui)生(sheng)新(xin)的(de)創(chuang)新(xin)，並(bing)有(you)效(xiao)解(jie)決(jue)許(xu)多(duo)長(chang)期(qi)存(cun)在(zai)的(de)全(quan)球(qiu)性(xing)挑(tiao)戰(zhan)。

[1] https://www.diabetes.co.uk/diabetes-prevalence.html

[2] https://www.precedenceresearch.com/continuous-glucose-monitoring-device-market

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