人工嗅覺系統(tǒng)設(shè)計初步

　　隨著各種氣體的應(yīng)用，多種有毒有害氣體產(chǎn)物大量生成，對人類健康安全構(gòu)成威脅。各種氣體檢測技術(shù)應(yīng)運而生，如煤氣液化氣報警、煙霧（火警）報警。特別是自1964年Wilkens和Hatman提出電子鼻的概念以來，氣體傳感技術(shù)正向更高的層次———電子鼻方向發(fā)展，即具有一定氣體、氣味分辨能力的智能系統(tǒng)［1，2］。因而研究能模擬動物嗅覺系統(tǒng)的人工嗅覺也就自然成為該領(lǐng)域研究的熱點，該文是筆者在設(shè)計人工嗅覺系統(tǒng)方面所做的一點初步工作。
　　電子鼻技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)活動中，如魚肉新鮮度測定和白酒、煙草等級評定，毒品、炸藥探測等專門任務(wù)［3］，并取得可喜成果，但是通用型人工嗅覺的實現(xiàn)難度很大。難點在于：①在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，嗅覺與視覺、聽覺相比，研究得最不充分。②嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型相當(dāng)復(fù)雜，尚有許多待探索的結(jié)構(gòu)和機理。③嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)電、化學(xué)信號傳遞和信息處理過程復(fù)雜，可能屬于非線性、非穩(wěn)態(tài)和混沌過程。［4］ 
2　嗅覺系統(tǒng)基本原理
　　目前所知的嗅覺過程大致如下［5］（見圖2—1）：在人的鼻道上端存在一個黃豆大的區(qū)域———嗅區(qū)，氣味分子與嗅區(qū)最外層的粘膜上的纖毛接觸時，發(fā)生物理吸附，并向粘膜中擴散，同時發(fā)生化學(xué)作用。被粘膜覆蓋的嗅細胞受到刺激后產(chǎn)生感受電位，經(jīng)嗅神經(jīng)纖維沿細胞軸突到達第一神經(jīng)元（嗅小球），再從嗅小球的輸出端匯入第二神經(jīng)元（僧帽細胞）。在組成嗅束后，把經(jīng)一、二級神經(jīng)元處理后的信號傳遞到大腦皮層有關(guān)區(qū)域，經(jīng)大腦的分析處理，產(chǎn)生嗅覺判斷。 


　　單個初級嗅覺神經(jīng)元對各種氣體是交叉敏感的，雖然嗅細胞數(shù)量眾多，但種類只有14種左右。人類靈敏的嗅覺正是靠數(shù)量龐大、相互交叉敏感的細胞陣列以及多級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號整合才得以實現(xiàn)的。僅從嗅小球到大腦皮層，嗅覺系統(tǒng)的靈敏度就提高了3個數(shù)量級［5］。因此設(shè)計人工嗅覺系統(tǒng)時，大規(guī)模、多種類傳感器組成的陣列和模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是必需考慮的。 
3　傳感器陣列
　　目前使用量最大的是利用體電阻效應(yīng)的金屬氧化物傳感器，主要是利用粉末冶金方法，在SnO2粉末中參雜Pt和Pd等提高靈敏度和選擇性。工作溫度多在450～550℃，用于可燃氣體現(xiàn)場時需作防爆處理，此外功耗也較大。筆者采用真空磁控濺射成膜技術(shù)，用平面集成工藝制作集成化的SnO2基納米薄膜傳感器，利用納米尺度薄膜電性能與常規(guī)體電導(dǎo)效應(yīng)的差異，探索將傳感器工作溫度降到多數(shù)可燃氣體著火點以下的途徑。另外還通過多種參雜方法提高對不同氣體的選擇性，試驗表明適當(dāng)參雜后工作溫度可下降100℃左右，目前還在繼續(xù)尋找能使工作溫度進一步降低的參雜物質(zhì)和工藝。圖3—1為薄膜傳感器示意圖。



　　制作納米薄膜SnO2基氣體傳感器，首先要尋找合適的鍍膜基片，常用的陶瓷基片粗糙度遠大于納米。因此采用拋光耐熱玻璃鍍膜制作，見圖3—1。在玻璃基片正面真空濺射敏感膜SnO2和合金電極，并給每段敏感膜分別采用一定工藝參雜微量Cu2O、ZnO、Al2O3、MgO、ZrO和TiO2等雜質(zhì)，以提高選擇性。玻璃基片背面鍍Ni80Cr20加熱電阻合金薄膜，以及鎳鉻—康銅薄膜熱電偶。試驗表明采用K9玻璃鍍膜優(yōu)越性明顯?？稍?0 mm長的玻璃片上平面集成數(shù)十個傳感器，為結(jié)構(gòu)小型化創(chuàng)造了條件。穩(wěn)定的表面狀態(tài)導(dǎo)致穩(wěn)定的傳感器性能。拋光的玻璃表面幾乎不需預(yù)處理即可鍍出合格鍍層，且結(jié)合遠比普通陶瓷表面涂層牢靠。基底上形成的非晶態(tài)納米涂層厚薄均勻，這與SiO2基底和SnO2之間點陣錯配度較大，難以形成晶體生長有關(guān)。有別于燒結(jié)型SnO2基傳感器，非晶態(tài)條件下導(dǎo)電機理與晶態(tài)差異較大，界面化學(xué)特性迥異。體電導(dǎo)受晶界勢壘控制和燒結(jié)顆粒間頸部控制以及表面電阻控制，而非晶態(tài)薄膜主要為表面效應(yīng)，受涂層—基片費米能級和載流子隧道效應(yīng)影響［6］。燒結(jié)型SnO2基傳感器表面上吸附各種氣體分子后，心部電阻改變不大。由于燒結(jié)型材料比表面較小，吸附造成的相對電導(dǎo)變化遠小于薄膜型傳感器，薄膜型傳感器可獲得較高的靈敏度，450℃工作溫度下靈敏度S從5～10提高到25左右。
靈敏度定義為：
還原性氣體S＝（Ra－Rg）／Rg＝ΔR／Rg
氧化性氣體S＝（Rg－Ra）／Ra＝ΔR／Ra
　　式中Rg和Ra分別為工作溫度下在被測氣氛和空氣中的電阻值。 
4　人工嗅覺系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
人工嗅覺系統(tǒng)框圖見圖4—1。



4．1　信號調(diào)理與采集電路
　　傳感器陣列采用分壓式取樣電路＋加熱元件輸出電路＋單端16路模擬量采集卡（PCL812－PG），板上帶2路模擬量輸出，控制加熱電壓和吸氣泵。陣列規(guī)模為16只傳感器。
4．2　模式識別方法與識別結(jié)果討論
　　人類的嗅覺過程是一個復(fù)雜的理化過程，模擬嗅覺首先應(yīng)關(guān)注理化方面的變化。鼻腔能把溫度和濕度調(diào)節(jié)到理想狀態(tài)來保證獲得靈敏的響應(yīng)，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的氣體傳感器均無測溫結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)用濺射法形成薄膜熱電偶，可將傳感器溫度精確調(diào)節(jié)，模擬生物嗅覺系統(tǒng)。
　　人類感知一種氣味時初期的信息很重要，時間一長反而被氣味所“麻痹”。說明暫態(tài)信息對于嗅覺過程至關(guān)重要。氣體分子量大小不同、偶極矩不同，在動態(tài)吸附過程中的動力學(xué)特征不同。反映這些特征的參數(shù)可作為一種“氣味譜”。與光譜僅取決于物質(zhì)種類不同，“氣味譜”隨試驗條件而改變，但在一定條件下，經(jīng)過模式識別系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，仍可作為識別參數(shù)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理，解吸階段（用空氣沖洗）的響應(yīng)參數(shù)也與氣體分子性質(zhì)有關(guān)，也可作為模式識別參數(shù)，因此筆者也對這一階段的數(shù)據(jù)進行了特征提取。所有這些識別參數(shù)數(shù)值經(jīng)過預(yù)處理后成為一種氣味的氣味譜，這里取響應(yīng)曲線的三次曲線擬合的各次項系數(shù)a0～a3為譜參數(shù)矢量，將每種氣味中16個傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)曲線族作為一組。為采用誤差反傳（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行模式識別，人為給定一個氣體分類期望輸出。若干氣味樣本的氣味譜作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入矩陣參數(shù)，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后進行模式識別。筆者研究了3層BP網(wǎng)和自組織特征映射（SOM）網(wǎng)絡(luò)的兩種識別方法。
　　BP網(wǎng)輸入層有16