電子鼻傳感器原理與技術(shù)
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壓電類傳感器的基本特點(diǎn)是，與ＶＯＣ的接觸響應(yīng)形式體現(xiàn)為頻率的變化。它又分為石英晶體微量天平（ＱＣＭ）傳感器和聲表面波（ＳＡＷ）傳感器兩種。壓電類傳感器既可以測(cè)量溫度和質(zhì)量的變化，又可測(cè)量壓力、力和加速度等參數(shù)，但在電子鼻系統(tǒng)中，它們一般只作為質(zhì)變量傳感探測(cè)器使用。ＱＣＭ傳感器是一個(gè)幾毫米直徑的諧振盤(pán)，盤(pán)面敷有聚合物材料，每面有一個(gè)與導(dǎo)線相連的金屬電極，結(jié)構(gòu)如圖２所示。當(dāng)該傳感器受振蕩信號(hào)激勵(lì)時(shí)，便諧振于特征頻率（１０Ｈｚ～３０ＭＨｚ），而一旦氣體分子被吸收到聚合物涂層表面，就增加了該盤(pán)的質(zhì)量，因此降低了諧振頻率，諧振頻率的高低與所吸收的氣體分子質(zhì)量成反比。ＱＣＭ傳感器對(duì)不同氣體的響應(yīng)、選擇性可通過(guò)調(diào)整諧振盤(pán)聚合物涂層來(lái)改變，而減小石英晶體的尺寸和質(zhì)量，并減小聚合物涂層的厚度，則可進(jìn)一步縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。
聲表面波（ＳＡＷ）傳感器與ＱＣＭ傳感器的主要區(qū)別為：（１）瑞利波是經(jīng)ＳＡＷ的表面運(yùn)行，不是像ＱＣＭ一樣通過(guò)其體內(nèi)；（２）ＳＡＷ傳感器工作頻率更高，因此可產(chǎn)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）由于ＳＡＷ是平面器件，所以可用微電子工業(yè)普遍采用的光刻技術(shù)來(lái)制造，而不像ＱＣＭ那樣需要微電子機(jī)械系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）進(jìn)行三維處理，因此批量生產(chǎn)的成本更低。但是，ＳＡＷ傳感器的信噪比遜于ＱＣＭ傳感器，因此在許多情況下，前者的靈敏度要低于后者。
電子鼻傳感器的第三大類是金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)產(chǎn)物（如氫）會(huì)擴(kuò)散通過(guò)ＭＯＳＦＥＴ的控制極來(lái)改變器件的導(dǎo)電物性。如圖３所示，典型的ＭＯＳＦＥＴ結(jié)構(gòu)有一個(gè)Ｐ型襯底和在襯底上擴(kuò)散的兩個(gè)摻雜濃度很高的Ｎ型區(qū)，兩個(gè)Ｎ區(qū)的金屬觸點(diǎn)分別稱為源極和漏極。器件的靈敏度和選擇性可通過(guò)改變金屬接觸劑的類型和厚度以及改變工作溫度來(lái)改變。ＭＯＳＦＥＴ的優(yōu)點(diǎn)之一是可依托ＩＣ制造工藝，批量生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定，主要問(wèn)題是接觸反應(yīng)產(chǎn)物（如氫）必須滲入催化金屬涂層來(lái)影響溝道中的電荷，這就對(duì)芯片的密閉封裝方式提出了更苛刻的要求。ＭＯＳＦＥＴ與導(dǎo)電性傳感器一樣，也存在基準(zhǔn)值漂移問(wèn)題。
第四類實(shí)用的氣味傳感器是光纖傳感器。它對(duì)氣體化合物的響應(yīng)形式是光譜色彩發(fā)生變化。如圖４所示，這種傳感器的主干部分是玻璃纖維，在玻璃纖維的各面敷有很薄的化學(xué)活性材料涂層?；瘜W(xué)活性材料涂層是固定在有機(jī)聚合物矩陣中的熒光染料，當(dāng)與ＶＯＣ接觸時(shí)，來(lái)自外部光源的單頻或窄頻帶光脈沖沿光纖傳播并激勵(lì)活性材料，使其與ＶＯＣ相互作用反應(yīng)。這種反應(yīng)改變了染料的極性，從而改變了熒光發(fā)射光譜。只要對(duì)許多敷有不同染料混合物的光纖器件構(gòu)成的傳感器陣列產(chǎn)生的光譜變化進(jìn)行檢測(cè)分析，就可以確定對(duì)應(yīng)的氣體化合物成分。光纖傳感器有很強(qiáng)的抗噪能力和極高的靈敏度，其靈敏度單位以ｐｐｂ（十億分率）計(jì)，這是其它電子鼻傳感器類型所遠(yuǎn)不及的。目前光纖傳感器的主要缺點(diǎn)是：（１）其設(shè)備控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高，（２）熒光染料受白光化作用影響，使用壽命有限。
評(píng)論