《电子鼻的起源与应用》

经过数亿年的发展，生物进化出了近乎完美的嗅觉系统以躲避威胁、捕获猎物，从而得以生存。早在1.5万年前，人类就利用犬类具有更加优异嗅觉的特点，驯化了犬类辅助捕猎和预防猛兽袭击。此后，人们还利用金丝雀对地下煤矿中的一氧化碳进行检测，利用警犬检测爆炸物、毒品、疾病等。

但是，直接利用生物进行检测存在成本高、生物情绪状态不稳定等缺点，限制了其在实际环境中的应用。因此，人们试图通过模仿生物的嗅觉，开发具有仿生功能的人工嗅觉系统，即电子鼻。

电子鼻是模拟动物嗅觉器官开发的一种高科技产品，气体传感器作为电子鼻的核心元件，通过与待测气体反应将组成和浓度等信息转化为电信号输出，从而实现对环境中有害气体的快速、灵敏、实时检测。常见的气体传感器有半导体型、电化学型和红外气体传感器等，近年来气体传感器的不断发展，也相应的促进了电子鼻技术的成熟与应用。

自新冠疫情出现以来，对居住环境与常用物品消毒成为了所有人的共识。但是，多种消毒水混用造成氯气中毒的事件屡见不鲜，其他有害气体如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等也对人体有严重的危害。如果能及时检测有害气体浓度并报警，就可以避免悲剧的发生。

此外，在食品安全领域， 也需要气体检测来确定海鲜及肉类的新鲜程度。海鲜在腐烂过程中会产生胺类物质，尤其是三甲胺，产生的三甲胺越少，证明海鲜越新鲜。

《电子鼻是如何发挥“嗅觉”》

那么，如何实现有害气体的快速检测呢? 目前，检测气体的方法主要有气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、离子迁移谱法等，这些方法往往具有高灵敏度和低检测限，但是需要复杂的仪器设备和专业的操作技术，成本较高且不能 用于现场监测，在生产和生活中使用存在极大的不便。因此，一个小型便捷、容易操作的现场检测器应运而生。

我们生活中常用的燃气报警器核心就是气体传感器，可以看做是一个比较常见的“电子鼻”应用案例。它里面有一个独特的电阻，当＂闻＂到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化。燃气达到一定浓度、电阻达到一定水平时，报警器就会发出声光报警，提醒人们发生了燃气泄漏。

电子鼻是模拟生物嗅觉开发的电子系统，一般包括采样单元、检测单元和计算单元，在检测单元中，传感器阵列将待测气体的成分和浓度等信息转化为电信号，从而实现对有害气体的监测和报 警。作为电子鼻的核心器件，气体传感器具有体积小、测量方便、成本低、使用时间长、能用于现场监测的特点，在生活和生产中有很高的应用需求。

20世纪60年代，Wilkens和Hartman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了世界上第一个气体检测器，80年代，Persaud等提出了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是电子鼻的雏形。如今，气体传感器迅速发展，在大气质量检测、食品安全检测、工业生产和健康医疗等方面都得到了广泛应用。根据工作原理不同，气体传感器可以分为多个种类，下面就慧闻科技的电子鼻所使用的气体传感器进行简单介绍。

MEMS气体传感器

MEMS型气体传感器是基于MEMS工艺开发的半导体气体传感器，半导体型传感器直接根据电学性能的变化来确定气体浓度，最常用的是电阻型半导体传感器， 1962年，Tetsuro等人利用ZnO薄膜在还原性气体中电阻率迅速变化的性质制成了第一个半导体气体传感器，可以用来检测可燃性气体。

与其他类型的传感器相比，半导体传感器具有操作简单、响应与恢复迅速、成本低廉、易于微型化等特点，在生产和生活中应用广泛，尤其是室内环境中挥发性有机污染物(甲醛、苯等)和还原性气体(甲烷、一氧化碳、胺类气体)的检测。

目前普遍认为，电阻型半导体传感器的传感机理是待测气体与材料上的吸附氧发生氧化还原反应，导致敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与待测气体浓度呈指数关系。常温下空气中的O2吸附在材料表面并作为电子受体，从传感材料的导带中捕获电子变成氧负离子。这些氧负离子的具体形式与温度有关：

导带中的电子被吸附氧捕获后，聍型半导体的电阻增大而p型半导体的电阻减小。当暴露于还原性气体中时，化学吸附氧与待测气体发生氧化还原反应，将捕获的电子释放回导带中，使半导体材料电阻恢复。在气敏传感器中，敏感材料是最关键的部分。电阻型半导体传感器通常采用硅以及III—V主族和 II—VI副族元素化合物，这些金属氧化物导带中存在大量自由电子，表面有大量氧空位，因而具有较强的吸附特性和高反应活性。常用的金属氧化物半导体有ZnO、TiO2、SnO2、In2O3、 Fe2O3、WO3、MoO3等。1991年，Yamazoe证明了纳米金属氧化物对增强气体传感器性能有重要作用之后，开发纳米级传感材料成为了研究热点。

科学家们在形貌和尺寸控制、负载贵金属、形成异质结、光照辅助等方面进行了大量研究。其中，在不同的半导体材料之间设计形成异质结构是提高气体传感性能的有效方法，一方面保证了单一金属氧化物的灵敏度，同时异质结的生成可以有效降低工作温度，大大降低了能耗。

除了两种金属氧化物的复合，使金属氧化物与多元化合物复合形成异质结构也成为了研究热点。由于多元化合物具有较高的自由度和协同作用，在此基础上构建异质结可以更有效地提升气敏性能。与简单的金属氧化物复合相比，这种方法最大限度地发挥了异质结和多元化合物的优势。此外，由于导电聚合物的高导电性和独特的掺杂一反掺杂机理，金属氧化物与导电聚合物的复合在室温传感方面有广大的应用前景：碳纳米材料，包括石墨烯和碳纳米管，具有较大的比表面积，其与金属氧化物复合可以有效提高传感器的灵敏度。

目前为止，半导体传感器已经广泛应用于室内外有毒气体和可燃性气体的检测，如CL2、H2S、 H2等，在日常生活和工业生产中保障人民安全。在食品安全领域，低成本的气体传感器不仅能识别肉类产生的腐败气体，判断新鲜程度，还能检测食品添加剂含量，对产品进行分类，辨别产品是否掺假。

《未来展望》

气体传感器虽然在生活中无处不在，但是大部分人对其缺乏感官认识，很多人都没见过传感器，更不知道其工作原理，因为传感器虽然是感知环境的前哨兵，但是同时也是电器中受保护的核心芯片，因此气体传感器对一般人来说还是具有一定的神秘性。但是通过一些实际应用案例， 如烟雾报警器、醉酒驾驶检测、空净产品等，我们就可以发现，其实气体传感器已经默默的渗透到了我们周边，这些产品就像一个小鼻子帮我们时刻感知周边环境的变化，关注着我们的人身安全。

随着经济的快速发展，同时健康问题越来越得到关注，大气质量、室内空气质量、车内空气质量监控数据则成为人们随时随地想看到的数据，人们对传感器检测性能的要求也越来越高。气体传感器在这一过程中无疑将扮演更加重要的角色。随着MEMS技术的进步，气体传感器也在向微型化、集成化、智能化的方向发展转化，伴随智慧家庭和智能可穿戴设备等潜力市场的成长，必然不断会有新的气体传感器市场出现。可以说，气体传感器及其应用的电子鼻技术在工业和消费两大市场都已经做好了腾飞的准备。