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[1]。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%[2]。

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。