中心議題：

• 電子鼻構成
• 電子鼻傳感器的基本特點

解決方案：

• 導電性傳感器
• 導電聚合物傳感器
• 金屬氧化矽場效應管傳感器

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來識別氣味的電子係統，它可以在幾小時
、幾天甚至數月的時間內連續地、實時地監測特定位置的氣味狀況。
　　
電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣qi體ti傳chuan感gan器qi陣zhen列lie和he信xin號hao處chu理li係xi統tong三san種zhong功gong能neng器qi件jian組zu成cheng。電dian子zi鼻bi識shi別bie氣qi味wei的de主zhu要yao機ji理li是shi在zai陣zhen列lie中zhong的de每mei個ge傳chuan感gan器qi對dui被bei測ce氣qi體ti都dou有you不bu同tong的de靈ling敏min度du
，例li如ru，一yi號hao氣qi體ti可ke在zai某mou個ge傳chuan感gan器qi上shang產chan生sheng高gao響xiang應ying
，而er對dui其qi他ta傳chuan感gan器qi則ze是shi低di響xiang應ying，同tong樣yang，二er號hao氣qi體ti產chan生sheng高gao響xiang應ying的de傳chuan感gan器qi對dui一yi號hao氣qi體ti則ze不bu敏min感gan

，歸gui根gen結jie底di，整zheng個ge傳chuan感gan器qi陣zhen列lie對dui不bu同tong氣qi體ti的de響xiang應ying圖tu案an是shi不bu同tong的de，正zheng是shi這zhe種zhong區qu別bie
，才cai使shi係xi統tong能neng根gen據ju傳chuan感gan器qi的de響xiang應ying圖tu案an來lai識shi別bie氣qi味wei。
　　
電子鼻的類型很多，其典型的工作程式是：首shou先xian
，利li用yong真zhen空kong泵beng把ba空kong氣qi取qu樣yang吸xi取qu至zhi裝zhuang有you電dian子zi傳chuan感gan器qi陣zhen列lie的de小xiao容rong器qi室shi中zhong。接jie著zhe
，取qu樣yang操cao作zuo單dan元yuan把ba已yi初chu始shi化hua的de傳chuan感gan器qi陣zhen列lie暴bao露lu到dao氣qi味wei體ti中zhong
，當dang揮hui發fa性xing化hua合he物wu(VOC)與傳感器活性材料表麵相接觸時，就產生瞬時響應。這種響應被記錄並傳送到信號處理單元進行分析
，與數據庫中存儲的大量VOC圖案進行比較、鑒別，以確定氣味類型。最後，要用酒精蒸氣“衝洗”傳感器活性材料表麵以去除測畢的氣味混合物。在進入下一輪新的測量之前，傳感器仍要再次實行初始化(即工作之間，每個傳感器都需用幹燥氣或某些其它參考氣體進行清洗
，以達到基準狀態)。被測氣味作用的時間稱為傳感器陣列的“響應時間”
，清除過程和參考氣體作用的初始化過程所花的時間稱為“恢複時間”。
　　
在電子鼻係統中，氣體傳感器陣列是關鍵因素。除基本的氣相色譜(GC)分析法以外，電子鼻傳感器的主要類型還有導電型傳感器、壓電類傳感器、場效應傳感器
、光纖傳感器等。
　　
導電性傳感器的基本特點是，其置於揮發性化合物(VOC)時shi的de響xiang應ying形xing式shi是shi電dian阻zu值zhi發fa生sheng變bian化hua。導dao電dian性xing傳chuan感gan器qi又you分fen為wei金jin屬shu氧yang化hua物wu傳chuan感gan器qi和he聚ju合he物wu傳chuan感gan器qi兩liang大da類lei。金jin屬shu氧yang化hua物wu傳chuan感gan器qi在zai電dian子zi鼻bi係xi統tong中zhong應ying用yong更geng廣guang泛fan，其qi結jie構gou如ru圖tu1所示。此類傳感器中與VOC相接觸的活性材料是錫、鋅、鈦、鎢或銥的氧化物，襯底材料一般是矽、玻璃、塑料
，發生接觸反應需滿足200～400℃的溫度條件，因此在底部設置了加熱器。氧化物材料中用鉑、鈀等貴重金屬攙雜形成兩條金屬接觸電極。與VOC的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)改(gai)變(bian)了(le)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)的(de)導(dao)電(dian)性(xing)，使(shi)兩(liang)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)阻(zu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，這(zhe)種(zhong)電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)可(ke)用(yong)單(dan)臂(bi)電(dian)橋(qiao)或(huo)其(qi)它(ta)電(dian)路(lu)來(lai)測(ce)量(liang)。事(shi)實(shi)上(shang)，一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)總(zong)是(shi)設(she)計(ji)得(de)對(dui)某(mou)些(xie)特(te)定(ding)氣(qi)味(wei)響(xiang)應(ying)最(zui)靈(ling)敏(min)。


該傳感器的靈敏度範圍為5～50ppm。金屬氧化物傳感器的缺點是：
(1)工作溫度較高
；
(2)經長時間工作之後，響應基準值易發生漂移，需要利用信號處理運算來克服；
(3)對氣體混合物中出現的硫化物呈“中毒”反應。

但是，它有很寬的適用範圍和相對低的成本，故依然成為當今廣泛應用的氣體傳感器。
　　
導電聚合物傳感器中，與VOC接觸的活性材料一般是用噻吩、吲哚
、呋(fu)喃(nan)等(deng)成(cheng)分(fen)構(gou)成(cheng)的(de)導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)
，當(dang)氣(qi)體(ti)分(fen)子(zi)與(yu)上(shang)述(shu)聚(ju)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)接(jie)觸(chu)時(shi)會(hui)發(fa)生(sheng)電(dian)離(li)或(huo)共(gong)價(jia)作(zuo)用(yong)
，這(zhe)種(zhong)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)影(ying)響(xiang)了(le)電(dian)子(zi)沿(yan)聚(ju)合(he)物(wu)鏈(lian)的(de)傳(chuan)輸(shu)，即(ji)改(gai)變(bian)了(le)導(dao)電(dian)性(xing)。在(zai)聚(ju)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)中(zhong)，利(li)用(yong)顯(xian)微(wei)組(zu)構(gou)技(ji)術(shu)形(xing)成(cheng)兩(liang)條(tiao)間(jian)隔(ge)10～20μm的(de)電(dian)極(ji)
，通(tong)過(guo)在(zai)兩(liang)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)施(shi)加(jia)交(jiao)變(bian)電(dian)壓(ya)來(lai)使(shi)聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)聚(ju)合(he)化(hua)，改(gai)變(bian)電(dian)壓(ya)掃(sao)描(miao)速(su)率(lv)，並(bing)應(ying)用(yong)一(yi)係(xi)列(lie)聚(ju)合(he)物(wu)前(qian)體(ti)就(jiu)可(ke)產(chan)生(sheng)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)
，使(shi)不(bu)同(tong)的(de)材(cai)料(liao)分(fen)別(bie)對(dui)不(bu)同(tong)的(de)氣(qi)體(ti)呈(cheng)特(te)定(ding)響(xiang)應(ying)。導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)一(yi)般(ban)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)下(xia)工(gong)作(zuo)而(er)無(wu)需(xu)加(jia)熱(re)，因(yin)此(ci)更(geng)容(rong)易(yi)製(zhi)造(zao)，其(qi)電(dian)子(zi)界(jie)麵(mian)更(geng)為(wei)直(zhi)接(jie)，從(cong)而(er)在(zai)便(bian)攜(xie)式(shi)儀(yi)器(qi)應(ying)用(yong)中(zhong)有(you)更(geng)大(da)優(you)勢(shi)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)探(tan)測(ce)氣(qi)味(wei)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)可(ke)達(da)到(dao)0.1ppm
，比金屬氧化物傳感器更高，但一般在10～100ppm範圍之內。
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目前導電聚合物傳感器的主要缺陷是：
(1)活性材料電聚合過程較為困難和費時；
(2)與VOC接觸響應存在隨時間發生飄移的現象；
(3)對濕度極為敏感，這種敏感性易掩蓋和幹擾對VOC的正常響應。

另外，某些氣體會穿透聚合物材料整體，從而減慢了將VOC從聚合物中去除的過程，即延緩了傳感器的恢複時間。
　　
壓電類傳感器的基本特點是，與VOC的接觸響應形式體現為頻率的變化。它又分為石英晶體微量天平(QCM)傳感器和聲表麵波(SAW)傳感器兩種。壓電類傳感器既可以測量溫度和質量的變化，又可測量壓力、力和加速度等參數，但在電子鼻係統中，它們一般隻作為質變量傳感探測器使用。QCM傳感器是一個幾毫米直徑的諧振盤，盤麵敷有聚合物材料

，每麵有一個與導線相連的金屬電極，結構如圖2所示。當該傳感器受振蕩信號激勵時，便諧振於特征頻率(10Hz～30MHz)，而er一yi旦dan氣qi體ti分fen子zi被bei吸xi收shou到dao聚ju合he物wu塗tu層ceng表biao麵mian

，就jiu增zeng加jia了le該gai盤pan的de質zhi量liang
，因yin此ci降jiang低di了le諧xie振zhen頻pin率lv

，諧xie振zhen頻pin率lv的de高gao低di與yu所suo吸xi收shou的de氣qi體ti分fen子zi質zhi量liang成cheng反fan比bi。QCM傳感器對不同氣體的響應、選xuan擇ze性xing可ke通tong過guo調tiao整zheng諧xie振zhen盤pan聚ju合he物wu塗tu層ceng來lai改gai變bian，而er減jian小xiao石shi英ying晶jing體ti的de尺chi寸cun和he質zhi量liang
，並bing減jian小xiao聚ju合he物wu塗tu層ceng的de厚hou度du，則ze可ke進jin一yi步bu縮suo短duan傳chuan感gan器qi的de響xiang應ying時shi間jian和he恢hui複fu時shi間jian。


聲表麵波(SAW)傳感器與QCM傳感器的主要區別為：
(1)瑞利波是經SAW的表麵運行，不是像QCM一樣通過其體內；
(2)SAW傳感器工作頻率更高，因此可產生更大的頻率變化。QCM的典型工作頻率僅是10MHz，而SAW器件則在幾百MHz；(4)由於SAW是平麵器件，所以可用微電子工業普遍采用的光刻技術來製造，而不像QCM那樣需要微電子機械係統(MEMS)進行三維處理


，因此批量生產的成本更低。但是，SAW傳感器的信噪比遜於QCM傳感器，因此在許多情況下

，前者的靈敏度要低於後者。
　　
電子鼻傳感器的第三大類是金屬氧化矽場效應管傳感器(MOSFET)。其工作原理是：VOC與催化金屬材料相接觸所生成的反應產物(如氫)會擴散通過MOSFET的控製極來改變器件的導電物性。如圖3所示，典型的MOSFET結構有一個P型襯底和在襯底上擴散的兩個摻雜濃度很高的N型區，兩個N區的金屬觸點分別稱為源極和漏極。器件的靈敏度和選擇性可通過改變金屬接觸劑的類型和厚度以及改變工作溫度來改變。MOSFET的優點之一是可依托IC製造工藝，批量生產、質量穩定，主要問題是接觸反應產物(如氫)必須滲入催化金屬塗層來影響溝道中的電荷，這就對芯片的密閉封裝方式提出了更苛刻的要求。MOSFET與導電性傳感器一樣，也存在基準值漂移問題。


第四類實用的氣味傳感器是光纖傳感器。它對氣體化合物的響應形式是光譜色彩發生變化。如圖4所(suo)示(shi)
，這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)主(zhu)幹(gan)部(bu)分(fen)是(shi)玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)
，在(zai)玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)的(de)各(ge)麵(mian)敷(fu)有(you)很(hen)薄(bo)的(de)化(hua)學(xue)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)塗(tu)層(ceng)。化(hua)學(xue)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)塗(tu)層(ceng)是(shi)固(gu)定(ding)在(zai)有(you)機(ji)聚(ju)合(he)物(wu)矩(ju)陣(zhen)中(zhong)的(de)熒(ying)光(guang)染(ran)料(liao)，當(dang)與(yu)VOC接觸時，來自外部光源的單頻或窄頻帶光脈衝沿光纖傳播並激勵活性材料
，使其與VOC相xiang互hu作zuo用yong反fan應ying。這zhe種zhong反fan應ying改gai變bian了le染ran料liao的de極ji性xing，從cong而er改gai變bian了le熒ying光guang發fa射she光guang譜pu。隻zhi要yao對dui許xu多duo敷fu有you不bu同tong染ran料liao混hun合he物wu的de光guang纖xian器qi件jian構gou成cheng的de傳chuan感gan器qi陣zhen列lie產chan生sheng的de光guang譜pu變bian化hua進jin行xing檢jian測ce分fen析xi
，就jiu可ke以yi確que定ding對dui應ying的de氣qi體ti化hua合he物wu成cheng分fen。光guang纖xian傳chuan感gan器qi有you很hen強qiang的de抗kang噪zao能neng力li和he極ji高gao的de靈ling敏min度du，其qi靈ling敏min度du單dan位wei以yippb(十億分率)計，這是其它電子鼻傳感器類型所遠不及的。

目前光纖傳感器的主要缺點是：
(1)其設備控製係統較複雜，成本較高，
(2)熒光染料受白光化作用影響
，使用壽命有限。