Hideo Kondo – Product Marketing Engineer – Analog Mixed-Signal Group (onsemi)

 

Tecnologia all’avanguardia nel campo della ricerca scientifica, il rilevamento elettrochimico è uno strumento indispensabile e versatile che influenza una vasta gamma di settori. Negli ambiti più diversificati, dalla scienza della vita a quella ambientale, dalla lavorazione industriale dei materiali a quella degli alimenti, la possibilità di quantificare le sostanze chimiche consente di fornire informazioni più precise e dettagliate, migliorando la sicurezza, l’efficienza e la conoscenza.

In un’era come quella attuale, che può sfruttare i vantaggi di tecnologie di interconnessioni avanzate, l’importanza avere sensori elettrochimici caratterizzati da elevata accuratezza e bassi consumi non può essere sottovalutata. All’interno delle abitazioni, dispositivi connessi consentono di monitorare la qualità dell’aria, dell’acqua e del suolo delle piante presenti. Nel mondo industriale in generale, la richiesta è ancora più sostenuta. L’assistenza sanitaria è entrata nel 21° secolo grazie ai dispositivi medicali smart, compresi quelli indossabili, che permettono di monitorare su base continua e in tempo reale i parametri vitali dei pazienti sia all’interno sia all’esterno delle strutture ospedaliere, fornendo informazioni più approfondite e incrementando la qualità delle cure.

In maniera del tutto analoga, l’espansione dei concetti di Industry 4.0 nei settori della produzione e dell’automazione industriale ha portato all’implementazione in diversi ambiti di reti estese di nodi di rilevamento per migliorare i livelli di efficienza e sicurezza. I sensori possono monitorare gas tossici che vengono generati da numerosi processi industriali e consentono di attivare sistemi di retroazione (feedback) nelle apparecchiature industriali. Nella realtà che si occupano della produzione e trasformazione di prodotti alimentari, il rilevamento di sostanze deperibili e di allergeni è di fondamentale importanza: in questo caso, i sensori elettrochimici possono contribuire ad automatizzare il controllo del cibo prima della cottura, fornendo informazioni relative ai livelli di pH e rilevando la presenza di istamina.

Sia che si tratti di monitorare i livelli glucosio nei pazienti diabetici, valutare gli inquinanti ambientali, garantire la sicurezza alimentare o caratterizzare i materiali a livello atomico, il ruolo dei sensori elettrochimici è fondamentale per il progresso delle conoscenze scientifiche e il miglioramento della qualità della vita.

In questo articolo, dopo un’analisi dei principi alla base del rilevamento elettrochimico e dei requisiti che devono essere soddisfatti per garantire prestazioni efficaci dei sensori, verrà mostrato come un dispositivo AFE (Analog Front End) possa essere utilizzato come un “ponte” per le misure della corrente e l’analisi. Nella parte finale dell’articolo verranno illustrati alcuni esempi di utilizzo di questi sensori nei settori medicale, ambientale, alimentare e della scienza dei materiali.

 

Misure elettrochimiche e requisiti dei sensori: nozioni di base

Nel campo della progettazione elettronica, la configurazione tipica di un sensore elettrochimico prevede un sistema a tre elettrodi, una disposizione comune a molti altri tipi di sensori (Figura 2).

 

All’interno del sensore, il materiale della superficie del substrato agisce come strato protettivo per l’elettrodo di rilevamento. La funzione principale di questo materiale è regolare la quantità di molecole che possono entrare in contatto con la superficie dell’elettrodo e filtrare eventuali particelle indesiderate che potrebbero influire sulla precisione del sensore.

Il nucleo centrale del sensore è costituito da tre parti principali. L’elettrodo di lavoro (WE – Working Electrode) è l’elettrodo sul quale avviene la reazione elettrochimica. Nel momento in cui le particelle entrano in contatto con questo elettrodo, si verifica una reazione, che genera una perdita o un guadagno di elettroni: ciò dà luogo a un flusso di elettroni con conseguente produzione di corrente. Mantenere un potenziale costante sull’elettrodo di lavoro è di fondamentale importanza, in quanto consente di effettuare una misura accurata della corrente generata dalle reazioni redox (ossidoriduzione) (si faccia riferimento alla figura 2).

Il compito del contro elettrodo (CE – Counter Electrode) è fornire una corrente sufficiente per bilanciare le reazioni redox che si verificano nell’elettrodo di lavoro, generando una coppia complementare. L’elettrodo di riferimento (RE – Reference Electrode), dal canto suo, è impiegato per misurare il potenziale dell’elettrodo di lavoro e fornire i necessari riscontri (feedback) per stabile il valore della tensione del contro elettrodo.

La resistenza del ramo superiore (high side) di un sensore elettrochimico (si faccia riferimento alla figura 3) è un elemento indesiderato che dovrebbe essere minimizzato. Questo risultato può essere ottenuto posizionando l’elettrodo di riferimento in prossimità dell’elettrodo di lavoro. La corrente che scorre attraverso la resistenza del ramo inferiore (low side) indica l’uscita della misura elettrochimica e viene quindi utilizzata per ricavare la tensione di uscita del sensore.

 

 

I requisiti del sensore

Indipendentemente dal settore di utilizzo – consumer, sanitario o industriale – i sensori elettrochimici devono soddisfare un certo numero di requisiti stabiliti dai progettisti. Oltre ad alcuni requisiti che appaiono abbastanza ovvi, come ad esempio elevata accuratezza e basso rumore, i sensori elettrochimici devono garantire la massima semplicità in fase di calibrazione, in modo da soddisfare le esigenze di una molteplicità di applicazioni, poiché il packaging o il tipo di utilizzo possono influenzare la calibrazione, sia immediatamente sia sul lungo periodo.

Inoltre, poiché molti sensori elettrochimici sono utilizzati in soluzioni portatili o a basso consumo, come i dispositivi medicali indossabili o i nodi di rilevamento industriali, è necessario soddisfare un certo numero di requisiti per quel che concerne il packaging. I progettisti richiedono soluzioni miniaturizzate e flessibili, che consentano di implementare varie configurazioni di sensori e semplificare l’integrazione nel sistema, e in grado di funzionare con consumi ridotti, per supportare le applicazioni alimentate a batteria. La pre-elaborazione ”intelligente” è un’altra caratteristica molto importante per molti progettisti, in quanto permette di effettuare operazioni di calibrazione e di filtraggio del rumore più sofisticate, grazie alle quali è possibile ottenere dati più accurati.

 

Alcune applicazioni dei sensori in ambito scientifico

I sensori elettrochimici sono ampiamente utilizzati per diversi scopi nel campo delle scienze della vita (ovvero l’insieme delle discipline che si occupano di studiare gli organismi viventi) e della sanità: grazie a essi è possibile, a esempio, rilevare i livelli di alcool nel sangue oppure semplificare il monitoraggio continuo del glucosio (CGM – Continuous Glucose Monitoring), un fattore critico per una corretta gestione del diabete, una malattia cronica che in tutto il mondo colpisce una persona su undici.[1]. D’altra parte, il mercato dei dispositivi CGM dovrebbe aumentare con un tasso di crescita su base annua del 9% nel periodo compreso tra il 2023 e il 2032[2].

Destinato all’impiego nei più recenti dispositivi medicali portatili e per uso clinico, CEM102 di onsemi è un AFE (Analog Front End) miniaturizzato all’avanguardia espressamente ideato per garantire misure accurate delle correnti elettrochimiche. Dispositivo efficiente e flessibile, CEM102 consuma soli 50 nA (quando disabilitato), 2 uA (in modalità di polarizzazione del sensore) e 3,5 uA (in modalità di misura attiva), con il convertitore A/D a 18 bit che effettua l’operazione di conversione su base continuativa, e supporta due intervalli di tensione di batteria, da -1,65 a 2,375 V e da 2,375 a 3,6 V. Grazie a queste caratterisitiche, l’AFE di onsemi è in grado di funzionare per 14 giorni con una batteria di capacità di soli 3 mAh. In grado di supportare da uno a quattro elettrodi, CEM102 è disponibile in un package compatto (1,884×1,848 mm) che consente lo sviluppo di prodotti di piccole dimensioni caratterizzati da una maggior durata della batteria, ideali quindi per l’impiego in ambito IoT. Grazie all”abbinamento tra consumi ridottissimi, flessibilità di configurazione e ridotte dimensioni, si propone come una soluzione interessante in tutte le applicazioni che prevedono il ricorso a un sensore elettrochimico.

I sensori elettrochimici, oltre che per le applicazioni nel campo delle scienze mediche, sono ideali per rilevare i gas tossici nelle applicazioni industriali o per misurare l’inquinamento e la qualità dell’aria nelle applicazioni ambientali. Essi sfruttano una reazione chimica che avviene tra il gas bersaglio e un elettrodo, generando una corrente elettrica proporzionale alla concentrazione del gas specifico. Molto diffusi, i sensori elettrochimici da 20 mm sono disponibili per diversi gas tossici, tra cui monossido di carbonio, solfuro di idrogeno e ossidi di azoto e zolfo, e possono essere sostituiti in modo estremamente semplice. Questi sensori sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dal controllo della qualità dell’aria in ambienti urbani all’agricoltura “intelligente” per il monitoraggio della crescita dei vegetali.

In maniera del tutto analogo, i sensori elettrochimici come i potenziostati o i sensori di corrosione, rivestono un’importanza fondamentale in ambienti quali laboratori, miniere e produzione di materiali. Si tratta di dispositivi essenziali per fornire riscontri nell’ambito dei sistemi di produzione e per gestire sostanze pericolose, assicurando un funzionamento sicuro.

Al fine di aumentare il rendimento e migliorare l’efficienza produttiva, anche il settore della produzione alimentare guarda con sempre maggiore attenzione ai sensori elettrochimici. In questo contesto, sia i dispositivi portatili sia i sistemi di automazione di grandi dimensioni vengono utilizzati per il controllo della qualità del cibo, assicurando che il sapore sia quello previsto e identificando fenomeni di deterioramento e la presenza di eventuali allergeni o sostanze chimiche pericolose.

 

Misure elettrochimiche: le soluzioni di onsemi

I sensori basati su misure elettrochimiche sono facilmente reperibili e un’azienda come onsemi è in grado di comprendere appieno tutte le potenzialità di questi dispositivi. Dall’assistenza sanitaria al monitoraggio del glucosio, fino ad arrivare alle applicazioni ambientali, onsemi propone una soluzione completa espressamente ideata per aumentare l’affidabilità e l’accuratezza, nonché per migliorare la fruizione e l’interazione (user experience) di dispositivi medicali portatili e indossabili.

La soluzione proposta abbina l’AFE CEM102 che esegue misure elettrochimiche continue e RSL15, un microcontrollore a bassissimo consumo che supporta la tecnologia Bluetooth Low Energy (LE) 5.2.

La perfetta integrazione e la sinergica cooperazione di questi due componenti, unitamente alle dimensioni ridotte e all’elevata efficienza energetica, rivestono un ruolo fondamentale nello sviluppo di dispositivi sempre più piccoli e in grado di funzionare per lunghi periodi, un aspetto cruciale per le soluzioni alimentate a batteria.

Per questa soluzione è previsto un supporto esaustivo per la fase di sviluppo, a livello sia firmware sia software, che include applicazioni demo per iOS^® e Android^™ (Fig. 4). E’ altresì disponibile una scheda di valutazione completa per CEM102, corredata da codice campione per la configurazione (set up) e l’esecuzione di misure con CEM102, in modo da semplificare l’avvio dello sviluppo del sistema. Questa offerta combinata è stata concepita per facilitare lo sviluppo, favorire maggiori livelli di integrazione e stimolare l’innovazione nel campo dei sensori amperometrici della prossima generazione.

 

 

Durante il funzionamento, il compito di CEM102 è collegare la rete di sensori al dispositivo preposto all’elaborazione digitale. Esso effettua il condizionamento del sensore tramite l’applicazione dei segnali richiesti agli elettrodi e assicura misure accurate sulla base dei segnali provenienti dai sensori, mentre RSL-15 connette il sensore alle reti Bluetooth LE (Figura 5).

 

Rispetto a soluzioni che prevedono l’uso di componenti separati, la soluzione combinata di onsemi assicura maggiore accuratezza, riduzione del rumore e consumi di potenza inferiori. Oltre a ciò, semplifica la BoM (Bill of Material), garantisce una maggiore flessibilità in fase di configurazione, facilita la calibrazione e riduce la complessità in fase di produzione, consentendo in tal modo di dedicare più risorse per lo sviluppo.

 

Far progredire la ricerca scientifica

La precisione della misura ottenuta grazie ai sensori elettrochimici è un fattore critico per il progresso delle conoscenze scientifiche. Da un attento esame di fattori quali i livelli di glucosio, i ricercatori possono ottenere informazioni estremamente utili su malattie croniche come il diabete. Le conoscenze acquisite possono migliorare la comprensione di tali patologie e accelerare l’innovazione, a tutto vantaggio di una percentuale significativa della popolazione umana.

Per l’utente finale, sfruttando i benefici di soluzioni come la combinazione tra CEM102 e RSL-15 di onsemi, è possibile sviluppare dispositivi di edge computing (in grado di eseguire l’elaborazione alla periferia della rete) più piccoli, connessi in maniera migliore, caratterizzati da una maggiore durata e più accessibili, che soddisfano al meglio le esigenze delle persone che devono effettuare il monitoraggio continuo del glucosio. In questo modo, i progettisti possono creare soluzioni caratterizzate da un maggiore impatto, in quanto aiutano gli utenti a gestire in modo più efficace l’assunzione di glucosio, ridurre al minimo i rischi legati al diabete e acquisire un quadro più completo relativo alla propria salute.

Oltre  a ciò, onsemi e le sue soluzioni elettrochimiche offrono opportunità di collaborazione con istituzioni accademiche e laboratori di ricerca, promuovendo l’instaurarsi di un contesto favorevole all’esplorazione di nuove opportunità e alla sperimentazione rigorosa. Grazie a collaborazioni di questo tipo, i ricercatori possono incentivare l’innovazione e ampliare le frontiere delle conoscenze scientifiche.

Considerazioni conclusive

In un settore in continua evoluzione come quello dell’elettronica, le aziende richiedono soluzioni innovative che non solo ridefiniscano le aspettative, ma consentano anche di ridurre il time-to-market e aumentare la flessibilità per consentirne l’impiego in nuove applicazioni. Grazie alla sua soluzione combinata, formata dall’abbinamento di CEM102 e RSL15, onsemi contribuisce a raggiungere questo obiettivo, garantendo alle aziende non solo un vantaggio competitivo, ma dando loro l’opportunità di migliorare il benessere delle persone.

Dalla assistenza sanitaria a distanza al monitoraggio ambientale, fino ad arrivare alla sicurezza industriale, i sensori elettrochimici sono in grado di soddisfare le esigenze di una vasta gamma di applicazioni e hanno un impatto significativo sulla società nel suo complesso. Tuttavia, il potenziale di questa versatilità supera di gran lunga le applicazioni attuali. Attraverso il supporto alla produzione e alla collaborazione, i sensori elettrochimici possono contribuire a far progredire la ricerca e a migliorare le conoscenze in campo medico e non solo. Il continuo sviluppo di tecnologie smart, abbinato a quello di tecnologie complementari come l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico, contribuirà a far aumentare l’influenza dei sensori elettrochimici sulla vita delle persone, favorendo la nascita di innovazioni e contribuendo all’individuazione di soluzioni efficaci di molte problematiche di portata globale che si trascinano da svariati anni.

[1]

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

[2]

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