電子鼻氣味識別傳感器的應(yīng)用設(shè)計
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壓電類傳感器的基本特點是，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量溫度和質(zhì)量的變化，又可測量壓力、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)變量傳感探測器使用。QCM傳感器是一個幾毫米直徑的諧振盤，盤面敷有聚合物材料，每面有一個與導(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激勵時，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傳感器對不同氣體的響應(yīng)、選擇性可通過調(diào)整諧振盤聚合物涂層來改變，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，則可進一步縮短傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間。
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的表面運行，不是像QCM一樣通過其體內(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)來制造，而不像QCM那樣需要微電子機械系統(tǒng)(MEMS)進行三維處理，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)會擴散通過MOSFET的控制極來改變器件的導(dǎo)電物性。如圖3所示，典型的MOSFET結(jié)構(gòu)有一個P型襯底和在襯底上擴散的兩個摻雜濃度很高的N型區(qū)，兩個N區(qū)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(yōu)點之一是可依托IC制造工藝，批量生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定，主要問題是接觸反應(yīng)產(chǎn)物(如氫)必須滲入催化金屬涂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(dǎo)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(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聚合物矩陣中的熒光染料，當(dāng)與VOC接觸時，來自外部光源的單頻或窄頻帶光脈沖沿光纖傳播并激勵活性材料，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)生的光譜變化進行檢測分析，就可以確定對應(yīng)的氣體化合物成分。光纖傳感器有很強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，這是其它電子鼻傳感器類型所遠不及的。
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