Im Zeitalter fortschrittlicher vernetzter Technik kann die Bedeutung stromsparender und hochpräziser elektrochemischer Sensoren gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. In unseren Häusern können wir mit vernetzten Geräten die Qualität der Luft, des Wassers und des Bodens für unsere Pflanzen überwachen. In der Industrie ist der Bedarf sogar noch größer. Intelligente medizinische Geräte, einschließlich Wearables, ermöglichen die Gesundheitsversorgung des 21. Jahrhunderts, indem sie eine kontinuierliche Echtzeit-Überwachung der Vitalwerte von Patienten innerhalb und außerhalb klinischer Einrichtungen sicherstellen. Damit verbessern sich die medizinischen Erkenntnisse sowie die Versorgungsqualität.
In ähnlicher Weise hat die Industrie 4.0 in der Fertigung und Automatisierungstechnik dazu geführt, dass viele Branchen umfangreiche Netzwerke von Sensorknoten einsetzen, um ihre Effizienz und Sicherheit zu verbessern. Sensoren können giftige Gase überwachen, die bei verschiedenen industriellen Prozessen entstehen, und ermöglichen Rückmeldesysteme in Industrieanlagen. In der Lebensmittelverarbeitung ist die Erkennung von Verderb und allergenen Stoffen unerlässlich. Elektrochemische Sensoren helfen hier, die Geschmacksprüfung vor dem Kochen zu automatisieren, pH-Werte zu melden und Histamine zu erkennen.
Ob es um die Überwachung des Blutzuckerspiegels bei Diabetikern, die Bewertung von Umweltschadstoffen, das Gewährleisten der Lebensmittelsicherheit oder das Charakterisieren von Materialien auf atomarer Ebene geht – elektrochemische Sensoren spielen eine zentrale Rolle, wissenschaftliche Erkenntnisse weiterzuentwickeln und unsere Lebensqualität zu verbessern.
Dieser Beitrag befasst sich mit den Grundsätzen der elektrochemischen Sensorik, den Anforderungen an eine effektive Sensorleistung, mit der Frage, wie ein analoges Frontend (AFE) eine Brücke für die Strommessung und -analyse sein kann, sowie mit konkreten Beispielen für den Einsatz dieser Sensoren in der Medizintechnik, beim Umweltschutz, in der Lebensmittelindustrie und in der Materialwissenschaft.
Elektrochemische Messungen verstehen
Der Aufbau eines elektrochemischen Sensors umfasst ein System mit drei Elektroden – eine Anordnung, die auch bei vielen anderen Sensortypen zu finden ist. Im Inneren des Sensors befindet sich ein Substratoberflächenmaterial, das als Schutzschicht für die Sensorelektrode dient. Die Hauptfunktion dieses Materials besteht darin, die Menge der Moleküle zu regulieren, die auf die Elektrodenoberfläche gelangen. Zudem soll es alle unerwünschten Partikel herausfiltern, die die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigen könnten.
Aufbau eines Sensors
Das Herzstück des Sensors besteht aus drei Hauptteilen. Die Arbeitselektrode (WE) ist der Ort, an dem die elektrochemische Reaktion stattfindet. Treffen Partikel auf WE, findet eine Reaktion statt, die zu einem Verlust oder einer Zunahme von Elektronen führt, was einen Elektronenfluss und damit eine Stromerzeugung zur Folge hat. Das Aufrechterhalten eines konstanten Potenzials an der WE ist entscheidend, da dies eine genaue Messung des durch Redoxreaktionen erzeugten Stroms ermöglicht.
Die Gegenelektrode (CE) liefert ausreichend Strom, um die an der WE ablaufenden Redoxreaktionen auszugleichen und ein komplementäres Paar zu bilden. Die Referenzelektrode (RE) dient zur Messung des Potenzials der WE und bietet eine Rückmeldung, um die CE-Spannung zu ermitteln.
Der High-Side-Widerstand in einem elektrochemischen Sensor ist ein unerwünschter Faktor, der minimiert werden sollte. Dafür wird RE in der Nähe von WE platziert. Der Strom, der durch den Low-Side-Widerstand fließt, zeigt den Ausgang der elektrochemischen Messung an und wird daher verwendet, um die Ausgangsspannung des Sensors abzuleiten.
Anforderungen an Sensoren
Unabhängig davon, ob ein elektrochemischer Sensor in Consumer-, Gesundheits- oder Industrieanwendungen zum Einsatz kommt, muss er eine Reihe festgelegter technischer Anforderungen erfüllen. Hohe Genauigkeit und geringes Rauschen sind selbstverständlich, aber daneben muss er einfach zu kalibrieren sein, um dem breiten Anwendungsspektrum gerecht zu werden. Denn die Gehäuseart oder die Betriebsumgebung können die Kalibrierung sofort oder im Laufe der Zeit beeinflussen.
Da viele elektrochemische Sensoren in tragbaren oder stromsparenden Lösungen zu finden sind, zum Beispiel in Wearables der Medizintechnik oder in industriellen Prozessknoten, gibt es eine Reihe von Anforderungen. Gefragt sind Lösungen, die stromsparend arbeiten und batteriebetriebene Anwendungen unterstützen, die miniaturisiert und flexibel sind, sodass sie verschiedene Sensorkonfigurationen und eine einfache Systemintegration ermöglichen. Intelligente Vorverarbeitung ist ein weiteres wichtiges Merkmal, da damit eine anspruchsvollere Kalibrierung und Rauschfilterung möglich ist und genauere Daten bereitgestellt werden.
Gängige Sensoranwendungen
Elektrochemische Sensoren kommen in der Biowissenschaft und im Gesundheitswesen für verschiedene Zwecke zum Einsatz, so zur Erkennung des Blutalkoholspiegels und zur bequemen kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckerspiegels (CGM; Continuous Glucose Monitoring). Dieser ist wichtig bei der Behandlung von Diabetes, einer chronischen Krankheit, von der weltweit 1 von 11 Personen betroffen ist. Der Markt für CGM-Geräte soll im Zeitraum 2023 bis 2032 eine jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 9 Prozent erreichen.
Der CEM102 von Onsemi etwa ist ein miniaturisiertes Analog-Frontend (AFE), das für die genaue Messung elektrochemischer Ströme entwickelt wurde und auf neue klinische und tragbare medizintechnische Geräte ausgerichtet ist. Sein Betrieb verbraucht nur 50 nA im deaktivierten Modus, 2 µA im Sensor-Bias-Modus und 3,5 µA im aktiven Messmodus, wobei der 18-Bit-A/D-Wandler kontinuierlich wandelt und zwei Batteriespannungen von 1,3 bis 1,65 V und von 2,375 bis 3,6 V unterstützt. Damit ergibt sich eine Betriebsdauer von 14 Tagen mit nur einer 3-mAh-Batterie. Der Sensor unterstützt ein bis vier Elektroden, und sein kompaktes Gehäuse von 1,88 mm mal 1,85 mm ermöglicht kleinere Produkte mit längerer Batterielebensdauer, was ihn ideal für den Betrieb im IoT-Umfeld macht. Die Kombination aus niedrigem Stromverbrauch, flexibler Konfiguration und geringer Größe macht ihn zu einer idealen Lösung, wo immer ein elektrochemischer Sensor erforderlich ist.
Neben der Medizintechnik eignen sich elektrochemische Sensoren auch für den Nachweis toxischer Gase in industriellen Anwendungen oder für die Messung von Verschmutzung und Luftqualität in Umweltanwendungen. Sie beruhen auf einer chemischen Reaktion zwischen dem Zielgas und einer Elektrode, wobei ein elektrischer Strom erzeugt wird, der proportional zur angegebenen Gaskonzentration ist. Elektrochemische 20-mm-Sensoren sind weit verbreitet, für mehrere giftige Gase erhältlich, darunter Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoff- und Schwefeloxide, und sie lassen sich einfach austauschen. Die Sensoren kommen in Anwendungen zum Einsatz, die von Luftqualitätssensoren in städtischen Umgebungen bis hin zu intelligenten landwirtschaftlichen Anwendungen zur Überwachung des Pflanzenwachstums reichen.
In ähnlicher Weise sind elektrochemische Sensoren wie Potentiostat- oder Korrosionssensoren in Umgebungen wie Laboren, im Bergbau und in der Materialproduktion von Bedeutung. Sie dienen für die Rückmeldung innerhalb von Produktionssystemen und für den Umgang mit gefährlichen Stoffen, um die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten.
Für mehr Ausbeute und Produktionseffizienz setzt nun auch die Lebensmittelindustrie elektrochemische Sensoren ein. Hier werden tragbare Handgeräte oder auch größere Automaten zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln eingesetzt, um den Geschmack sicherzustellen und Verderb, Allergene oder gefährliche Chemikalien zu erkennen.
Lösungen für elektrochemische Messungen
Sensoren auf der Grundlage elektrochemischer Messungen sind leicht verfügbar, und Onsemi erkennt das ungenutzte Potenzial. Von der Gesundheitsfürsorge und Blutzuckerüberwachung bis hin zu umfassenderen Umweltanwendungen bietet Onsemi eine Komplettlösung, die darauf ausgelegt ist, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu erhöhen und die Benutzerfreundlichkeit von Wearables und tragbaren medizintechnischen Geräten zu verbessern.
Die Lösung kombiniert das AFE CEM102 für kontinuierliche elektrochemische Messungen mit dem intelligenten, stromsparenden Mikrocontroller RSL15, der Bluetooth Low Energy (BLE) 5.2 unterstützt.
Die Integration und Zusammenarbeit der beiden Komponenten sowie ihre kompakte Größe und Energieeffizienz macht Geräte kleiner und gewährleistet einen langlebigen Betrieb – ein entscheidender Faktor für batteriebetriebene Lösungen. Hinzu kommen Entwicklungsunterstützung, Firmware und Software, einschließlich Demo-Anwendungen für iOS und Android (Bild 4). Ein CEM102-Evaluierungsboard mit Beispielcode für das Einrichten und Durchführen von Messungen mit dem CEM102 erleichtert den Einstieg in die Systementwicklung. Dieses kombinierte Angebot vereinfacht den Entwicklungsprozess und fördert die stärkere Integration und Innovation kommender amperometrischer Sensortechnik.
Während des Betriebs besteht die Funktion des CEM102 darin, das Sensornetzwerk mit der Digitalverarbeitung zu verbinden. Das AFE ist für die Konditionierung des Sensors verantwortlich, indem es die erforderlichen Signale an die Elektroden anlegt und genaue Messungen aus dem Sensornetzwerk gewährleistet, während der RSL15 den Sensor mit BLE-Funknetzen verbindet.
Die kombinierte Lösung von Onsemi bietet im Vergleich zu separaten Lösungen eine höhere Genauigkeit, Rauschunterdrückung und einen geringeren Stromverbrauch. Zudem vereinfacht sich die Stückliste; Konfiguration und Kalibrierung werden flexibler und einfacher; und die Fertigungskomplexität verringert sich, was Entwicklungsressourcen freisetzt.
Forschung vorantreiben
Die präzisen Messungen, die elektrochemische Sensoren ermöglichen, sind für den wissenschaftlichen Fortschritt entscheidend. Durch die sorgfältige Untersuchung von Größen wie dem Blutzuckerspiegel können Forscher wertvolle Erkenntnisse über chronische Krankheiten wie Diabetes gewinnen. Dieses Wissen kann unser Verständnis verbessern und Innovationen vorantreiben, was letztlich einem großen Teil der Weltbevölkerung zugute kommt.
Durch Lösungen wie dem CEM102 + RSL15 lassen sich Edge-Computing-Systeme entwickeln, die kleiner, besser vernetzt, langlebiger und erschwinglicher sind und nahtlos in CGM-Geräte integriert werden können. Damit ergeben sich Systeme mit größerer Wirkung, die Patienten helfen, ihre Glukosezufuhr effektiver zu steuern, diabetesbedingte Risiken zu minimieren und ein besseres Verständnis ihrer Gesundheit zu erlangen.
Darüber hinaus bietet Onsemi mit seinen elektrochemischen Lösungen eine mögliche Zusammenarbeit mit akademischen Einrichtungen und Forschungslabors. So wird eine Umgebung geschaffen, die rigorose Erforschung und Experimente fördert. Durch solche Kooperationen können Forscher Innovationen vorantreiben und die Grenzen des wissenschaftlichen Verständnisses erweitern.
Fazit
In der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Elektronik benötigen Unternehmen bahnbrechende Lösungen, die nicht nur die Erwartungen neu definieren, sondern auch eine schnellere Markteinführung und mehr Flexibilität ermöglichen, um neue Anwendungen zu schaffen.
Von medizinischer Fernversorgung über die Umweltüberwachung bis hin zur industriellen Sicherheit bedienen elektrochemische Sensoren eine Vielzahl von Anwendungen und haben Auswirkungen auf unser Leben. Ihr Potenzial geht jedoch weit über die aktuellen Anwendungen hinaus. Die Sensoren treiben die Forschung voran und verbessern das Verständnis im medizinischen Bereich und darüber hinaus. Die fortschreitende Entwicklung intelligenter Technik mit ergänzender KI und maschinellem Lernen wird den wachsenden Einfluss elektrochemischer Sensoren auf unsere Gesellschaft vorantreiben. Dadurch ergeben sich Neuerungen, die effektive Lösungen für viele langjährige globale Herausforderungen ermöglichen.
