中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
痕量氣體的檢測與識別對于保障化工安全和人類健康具有重要意義?；贛EMS技術(shù)的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氣體傳感器因其制備工藝簡單、體積小巧、使用壽命持久、電子兼容性好等特點，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。MOS氣體傳感器通過檢測目標氣體引起的電導(dǎo)率變化實現(xiàn)傳感，非常適合構(gòu)建高度集成的傳感系統(tǒng)。然而，這類傳感器存在高功耗和選擇性差等缺陷，限制了其在便攜式電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的實際應(yīng)用。
近期，廣東工業(yè)大學(xué)李明杰副教授團隊提出一種低功耗電子鼻系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于雙模式微加熱器的MOS氣體傳感器，利用脈沖加熱模式（PHM），成功解決了傳統(tǒng)MOS氣體傳感器高功耗和選擇性受限的難題。這項研究為開發(fā)低功耗、高性能的電子鼻系統(tǒng)以及具有氣體識別功能的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開辟了新途徑。相關(guān)研究成果以“Pulse-driven MEMS gas sensor combined with machine learning for selective gas identification”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
這項研究提出的MOS氣體傳感器采用晶圓級工藝制造，在懸浮式MEMS微加熱器上集成二氧化錫（SnO?）納米片，獨特的微型化絕熱結(jié)構(gòu)使其可在20毫秒內(nèi)快速升溫，有效解耦了溫度、物理吸附和電荷交換對傳感材料電導(dǎo)率的影響，從而在單一時域內(nèi)可交替產(chǎn)生雙重氣敏特征。這種設(shè)計策略擺脫了對復(fù)雜多傳感器陣列的依賴，基于單一傳感器即可精準識別多種氣體，并降低了功耗。
圖1 本研究提出的MOS氣體傳感器的集成結(jié)構(gòu)與性能表征
圖2 脈沖加熱下的氣體瞬態(tài)響應(yīng)曲線
圖3 氣體響應(yīng)與擴散特性的對比分析
研究團隊利用該MOS氣體傳感器特有的動態(tài)雙信號響應(yīng)特性，結(jié)合機器學(xué)習(xí)（ML）算法驗證其對多種氣體的響應(yīng)特性?；诿}沖溫度傳感器的瞬態(tài)信號，結(jié)合熱誘導(dǎo)響應(yīng)特征耦合與解耦的擴展數(shù)據(jù)集，通過主成分分析（PCA）和機器學(xué)習(xí)算法（包括線性判別分析、k近鄰算法、支持向量機和隨機森林），研究團隊構(gòu)建了高精度氣體識別模型。實驗數(shù)據(jù)顯示，基于氣體擴散動力學(xué)和表面反應(yīng)特征的瞬態(tài)響應(yīng)分析，該模型對氫氣（H?）、一氧化碳（CO）和氨氣（NH?）三種氣體的識別準確率達到了100%。
圖4 基于機器學(xué)習(xí)的多模態(tài)氣體響應(yīng)分析與識別
這項研究提出的低功耗電子鼻系統(tǒng)采用重復(fù)脈沖功率輸入驅(qū)動單一MOS氣體傳感器，為傳統(tǒng)基于傳感器陣列的方法提供了可行替代方案。研究團隊表示，未來計劃將MOS氣體傳感器與可編程模擬/數(shù)字電路集成，通過嵌入式時序和算法代碼驅(qū)動實現(xiàn)傳感器功能配置（包括脈沖加熱電壓生成、信號采集、數(shù)據(jù)處理和識別結(jié)果輸出等）。通過在處理器中集成機器學(xué)習(xí)分類算法，這種基于單一傳感器的電子鼻系統(tǒng)，未來有望在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測、食品腐敗檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00934-2
