CN111239233A - 一种人工嗅觉系统的制成方法和人工嗅觉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种人工嗅觉系统的制成方法和人工嗅觉系统，该方法包括：通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；进行第一次刻蚀，制作传感单元；溶解掉光刻胶；浇筑聚二甲基硅氧烷，并进行固化，在完全固化后，将聚二甲基硅氧烷和铜箔从预设的硅板上剥离；对聚二甲基硅氧烷和铜箔进行第二次刻蚀，以为传感材料及摩擦过程提供空间；通过电化学方法在铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物；用电子束蒸发镀膜技术在聚二甲基硅氧烷蒸镀一层铜作为感应电极。基于摩擦发电原理和嗅觉受体的功模拟哺乳动物嗅觉系统，实现了对不同气体分子的识别，无需外接电源即可自身发电，且体积小易携带，可随时随地进行有毒有害气体检测在临床上进行应用。
Description
技术领域
本发明涉及人工嗅觉领域，特别涉及一种人工嗅觉系统的制成方法和人工嗅觉系统。
背景技术
哺乳动物嗅觉系统主要由嗅上皮、嗅球、嗅皮层三部分组成，闻到气味有赖于存在鼻腔最上端的淡黄色嗅上皮内的嗅觉感受器，它们所在区域被鼻甲隆起所掩护，也不处于呼吸气体流通的通道上，所以只有5％-20％的带气味的空气抵达嗅上皮区域，人类嗅上皮面积约1cm2，处于1mm宽的嗅夹缝内有利于气体分子与嗅上皮表面粘膜相接触。嗅感受器为双极细胞，向上突起的一极为嗅树状突，其末端向嗅上皮表面的粘液中伸出纤毛，嗅纤毛长100-150um，嗅纤毛的近端部是发生气味与感受器相互作用的部位，气味分子由粘液扩散到达换能部位，不同气味分子的物理化学性质会与粘膜产生不同相互作用，嗅感受器细胞处的某种气体浓度取决于该气体在粘膜和空气界面的分配比及该气体分子对感受器细胞和粘液的相对亲和程度。嗅感受器向下一极的轴突汇成神经束，通过筛板上的筛孔进入嗅球，嗅球是传递和处理嗅信息的初级中枢，嗅球中有多个嗅小球，嗅小球在嗅球中位置排列固定且气味分子与嗅小球间有固定的对应关系，再经过僧帽细胞，最后分别投射到嗅皮层各区域。
目前，现存在专利方案有：
1.一种气味识别系统，具备：作用阵列部，其包括与气体样本中的气味因素中包含的气味原因物质相互作用的至少两个以上的传感器；传感器数据处理部，其对作用阵列部中与气味因素相互作用的数据进行处理；气味因素信息存储部，其预先存储该气味因素及该气味因素的相互作用图案信息；以及图案识别部，其参照该传感器数据处理部所处理的图案和气味因素信息存储部的信息，基于该相互作用图案识别该气味因素。
2.一种基于机器嗅觉技术的有毒有害气体检测及识别方法，首先通过机器嗅觉系统采集有毒有害气体信息，其次，通过基于特征选择的线性判别方法对有毒有害气体进行分析处理，结合马氏二维距离判别法，最终识别各种有毒有害气体。
3.一种人工嗅觉系统，其包括测试室、信号处理箱、气体收集箱和主机，测试室、信号处理箱和主机依次连接，其中信号处理箱设置于气体收集箱下部，所述气体收集箱内部垂直设有一测试板，测试板上均匀地分布着若干个气敏传感器。
现有人工嗅觉系统包括测试室、信号处理箱、气体收集箱和主机，测试室、信号处理箱和主机依次连接，其中信号处理箱设置于气体收集箱下部，所述气体收集箱内部垂直设有一测试板，测试板上均匀地分布着若干个气敏传感器，该人工嗅觉系统需要测试室、信号处理箱、气体收集箱和主机，测试室、信号处理箱等设备，体积大便携程度低，受限于时间、地点，且外接电源，不能随时随地的进行气体检测，只能在实验室，工厂等特定地点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种人工嗅觉系统的制成方法和人工嗅觉系统，基于摩擦发电原理和嗅觉受体的功能拟采用半导体材料制备的器件模拟哺乳动物嗅觉系统，实现了对不同气体分子的识别，既可以应用在工业生产生活中检测有毒有害气体，又可以应用在临床医学中进行嗅觉替代，解决嗅觉失灵问题；无需外接电源即可自身发电，且体积小易携带，可随时随地进行有毒有害气体检测，并可以制成模拟嗅觉器官器件，在临床上进行应用。
具体的，本发明提出了以下具体的实施例：
本发明实施例提测了一种人工嗅觉系统的制成方法，包括：
步骤1、通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；
步骤2、在步骤1的基础上进行第一次刻蚀，制作传感单元；
步骤3、溶解掉步骤2中的光刻胶；
步骤4、在步骤3的基础上浇筑聚二甲基硅氧烷，并进行固化，在完全固化后，将所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔从预设的硅板上剥离；
步骤5、对所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔进行第二次刻蚀，以为传感材料及摩擦过程提供空间；
步骤6、通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物；
步骤7、用电子束蒸发镀膜技术在所述聚二甲基硅氧烷蒸镀一层铜作为感应电极。
在一个具体的实施例中，所述第一次刻蚀采用的刻蚀液为硫酸铜，刻蚀过程需要通入空气，刻蚀时间为3-7分钟。
在一个具体的实施例中，所述步骤3中的溶解是利用丙酮完成的。
在一个具体的实施例中，浇筑聚二甲基硅氧烷的厚度为80-120微米。
在一个具体的实施例中，所述固化是在真空干燥箱中完成的，固化条件为70-90摄氏度，10-30分钟。
在一个具体的实施例中，第二次刻蚀是通过将聚二甲基硅氧烷和所述铜箔完全进入到刻蚀液中，刻蚀时间为20-40秒。
在一个具体的实施例中，所述通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物中的合成液成分及物质的量浓度分别为：0.09-0.12M/L的吡咯单体和0.18-0.22M/L的掺杂剂；掺杂剂分别为硫酸、硝酸、草酸、樟脑磺酸、盐酸、萘磺酸、十二万基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和铜(II)酞菁-四磺酸四钠盐。
在一个具体的实施例中，所述电化学方法为线性扫描伏安法，其中，高电压1-2V，低电压(-1)-(-2)V，扫描时间15-30分钟，铂网为对电极，标准的Ag/AgCl为参比电极，铜箔为工作电极。
在一个具体的实施例中，步骤7中蒸镀的一层铜厚度为150-250微米。
本发明实施例还提出了一种人工嗅觉系统，所述人工嗅觉系统通过上述任意一种方法制成。
以此，本发明实施例提出了一种人工嗅觉系统的制成方法和人工嗅觉系统，其中该方法包括：步骤1、通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；步骤2、在步骤1的基础上进行第一次刻蚀，制作传感单元；步骤3、溶解掉步骤2中的光刻胶；步骤4、在步骤3的基础上浇筑聚二甲基硅氧烷，并进行固化，在完全固化后，将所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔从预设的硅板上剥离；步骤5、对所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔进行第二次刻蚀，以为传感材料及摩擦过程提供空间；步骤6、通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物；步骤7、用电子束蒸发镀膜技术在所述聚二甲基硅氧烷蒸镀一层铜作为感应电极。基于摩擦发电原理和嗅觉受体的功能拟采用半导体材料制备的器件模拟哺乳动物嗅觉系统，实现了对不同气体分子的识别，既可以应用在工业生产生活中检测有毒有害气体，又可以应用在临床医学中进行嗅觉替代，解决嗅觉失灵问题；无需外接电源即可自身发电，且体积小易携带，可随时随地进行有毒有害气体检测，并可以制成模拟嗅觉器官器件，在临床上进行应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提出的一种人工嗅觉系统的制成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提出的一种人工嗅觉系统的制成方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提出的一种人工嗅觉系统的制成方法中光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；
图4为本发明实施例提出的一种人工嗅觉系统的制成方法中传感单元细节示意图；
图5为本发明实施例提出的一种人工嗅觉系统的制成方法中电化学反应在铜箔上合成聚吡咯的示意图。
具体实施方式
在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
实施例1
本发明实施例1公开了一种人工嗅觉系统的制成方法，如图1-2所示，包括以下步骤：
步骤1、通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；
步骤2、在步骤1的基础上进行第一次刻蚀，制作传感单元；
具体的，所述第一次刻蚀采用的刻蚀液为硫酸铜，刻蚀过程需要通入空气，刻蚀时间为3-7分钟。
步骤3、溶解掉步骤2中的光刻胶；
所述步骤3中的溶解是利用丙酮完成的。
步骤4、在步骤3的基础上浇筑聚二甲基硅氧烷，并进行固化，在完全固化后，将所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔从预设的硅板(原本铜箔是以硅板作为基板)上剥离；
浇筑聚二甲基硅氧烷的厚度为80-120微米。
所述固化是在真空干燥箱中完成的，固化条件为70-90摄氏度，10-30分钟。
步骤5、对所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔进行第二次刻蚀，以为传感材料及摩擦过程提供空间；
第二次刻蚀是通过将聚二甲基硅氧烷和所述铜箔完全进入到刻蚀液中，刻蚀时间为20-40秒。
步骤6、通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物；
所述通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物中的合成液成分及物质的量浓度分别为：0.09-0.12M/L的吡咯单体和0.18-0.22M/L的掺杂剂；掺杂剂分别为硫酸、硝酸、草酸、樟脑磺酸、盐酸、萘磺酸、十二万基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和铜(II)酞菁-四磺酸四钠盐。
所述电化学方法为线性扫描伏安法，其中，高电压1-2V，低电压(-1)-(-2)V，扫描时间15-30分钟，铂网为对电极，标准的Ag/AgCl为参比电极，铜箔为工作电极。
步骤7、用电子束蒸发镀膜技术在所述聚二甲基硅氧烷蒸镀一层铜作为感应电极。
步骤7中蒸镀的一层铜厚度为150-250微米。
在一个具体的应用常见中，本发明专利提出一种新兴的传感机制——自供电气体纳米传感机制。该传感机制通过摩擦电静电感应与化学吸附过程相耦合，通过光刻技术将传感单元缩小到微米级别；产生的感应电流既可以充当驱动电源，又可以被认作传感信号，整个传感过程无需外接电源，解决了目前传统气体传感器受电源限制的问题，避免了由于频繁充放电带来的安全隐患。
该人工嗅觉系统采用高分子有机半导体材料聚吡咯衍生物作为传感材料，采用高分子透明柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为摩擦材料，采用-。此柔性传感器搜集人体运动过程中产生微小的机械能，将其转化为电能进行传感，无需电源模块，随时随地即可检测气体成分及浓度，体积小，质地柔软，易携带，无毒无害，绿色环保，可以制成微型气体传感器替代嗅细胞，增强或重塑人体嗅觉功能。制作流程如图2所示。
第一步是通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案如图3所示，传感单元细节如图4所示。
第二步是第一次刻蚀，制作传感单元。刻蚀液成分为硫酸铜，刻蚀过程需要通入空气，刻蚀时间为5分钟。
第三步是用丙酮溶解掉光刻胶。
第四步是浇筑聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为100微米，之后放入真空干燥箱中固化，固化条件为80摄氏度，20分钟；完全固化后，将聚二甲基硅氧烷/铜箔从硅板上剥离。
第五步是第二次刻蚀，将剥离下来的聚二甲基硅氧烷/铜箔完全进入到刻蚀液中，刻蚀30秒，为传感材料及摩擦过程提供空间。
第六步是通过电化学方法在铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物，如图5所示，合成液成分及物质的量浓度分别为：0.1M/L的吡咯单体和0.2M/L的掺杂剂，掺杂剂分别为硫酸、硝酸、草酸、樟脑磺酸、盐酸、萘磺酸、十二万基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和铜(II)酞菁-四磺酸四钠盐。电化学方法选用线性扫描伏安法，高电压1.5V，低电压-1.5V，扫描时间20分钟。铂网为对电极，标准的Ag/AgCl(银/氯化银)为参比电极，铜箔为工作电极(电沉积电极)，合成细节如图四所示。
第七步是用电子束蒸发镀膜技术蒸镀一层铜作为感应电极，铜层厚度为200微米。
经过掺杂剂掺杂的聚吡咯表面发生改性，当气体通过器件发生化学吸附，使得输出电流发生改变，不同的掺杂剂吸附气体能力不同即输出的电流不同，根据测量的电流大小可以判定气体种类。
本发明中的该人工嗅觉系统采用高分子有机半导体材料聚吡咯衍生物作为传感材料，采用高分子透明柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为摩擦材料，采用铜箔作为静电感应材料。
本发明为自供电装置，无需外接电源，解决了目前传统气体传感器受电源限制的问题。
传感机制为摩擦电静电感应与化学吸附过程相耦合。
光刻技术制作感应气体的电极阵列。
本发明为自驱动装置，自身发电无需外接电源。
简单便携，体积小，不受时间，地点等条件限制。
模拟嗅觉器官，可临床应用于嗅觉替代。
制作成本低，器件所需半导体材料廉价、无毒且常见。
灵敏度较高，可以检测低至(100ppm)浓度的气体。
本发明提出一种新兴的传感机制——自供电气体纳米传感机制。该传感机制通过摩擦电静电感应与化学吸附过程相耦合，通过光刻技术将传感单元缩小到微米级别；产生的感应电流既可以充当驱动电源，又可以被认作传感信号，整个传感过程无需外接电源，解决了目前传统气体传感器受电源限制的问题，避免了由于频繁充放电带来的安全隐患。
该人工嗅觉系统采用高分子有机半导体材料聚吡咯衍生物作为传感材料，采用高分子透明柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为摩擦材料，采用铜箔作为静电感应材料。此柔性传感器搜集人体运动过程中产生微小的机械能，将其转化为电能进行传感，无需电源模块，随时随地即可检测气体成分及浓度，体积小，质地柔软，易携带，无毒无害，绿色环保，可以制成微型气体传感器替代嗅细胞，增强或重塑人体嗅觉功能。
实施例2
本发明实施例2还公开了一种人工嗅觉系统，所述人工嗅觉系统通过实施例1中任意一种方法制成。
以此，本发明实施例提出了一种人工嗅觉系统的制成方法和人工嗅觉系统，其中该方法包括：步骤1、通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；步骤2、在步骤1的基础上进行第一次刻蚀，制作传感单元；步骤3、溶解掉步骤2中的光刻胶；步骤4、在步骤3的基础上浇筑聚二甲基硅氧烷，并进行固化，在完全固化后，将所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔从预设的硅板上剥离；步骤5、对所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔进行第二次刻蚀，以为传感材料及摩擦过程提供空间；步骤6、通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物；步骤7、用电子束蒸发镀膜技术在所述聚二甲基硅氧烷蒸镀一层铜作为感应电极。基于摩擦发电原理和嗅觉受体的功能拟采用半导体材料制备的器件模拟哺乳动物嗅觉系统，实现了对不同气体分子的识别，既可以应用在工业生产生活中检测有毒有害气体，又可以应用在临床医学中进行嗅觉替代，解决嗅觉失灵问题；无需外接电源即可自身发电，且体积小易携带，可随时随地进行有毒有害气体检测，并可以制成模拟嗅觉器官器件，在临床上进行应用。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，包括：
步骤1、通过光刻技术在铜箔上转印传感图案光刻图案；
步骤2、在步骤1的基础上进行第一次刻蚀，制作传感单元；
步骤3、溶解掉步骤2中的光刻胶；
步骤4、在步骤3的基础上浇筑聚二甲基硅氧烷，并进行固化，在完全固化后，将所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔从预设的硅板上剥离；
步骤5、对所述聚二甲基硅氧烷和所述铜箔进行第二次刻蚀，以为传感材料及摩擦过程提供空间；
步骤6、通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物；
步骤7、用电子束蒸发镀膜技术在所述聚二甲基硅氧烷蒸镀一层铜作为感应电极。
2.如权利要求1所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，所述第一次刻蚀采用的刻蚀液为硫酸铜，刻蚀过程需要通入空气，刻蚀时间为3-7分钟。
3.如权利要求1所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，所述步骤3中的溶解是利用丙酮完成的。
4.如权利要求1所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，浇筑聚二甲基硅氧烷的厚度为80-120微米。
5.如权利要求1或4所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，所述固化是在真空干燥箱中完成的，固化条件为70-90摄氏度，10-30分钟。
6.如权利要求1所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，第二次刻蚀是通过将聚二甲基硅氧烷和所述铜箔完全进入到刻蚀液中，刻蚀时间为20-40秒。
7.如权利要求1所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，所述通过电化学方法在所述铜箔表面均匀的合成一层聚吡咯衍生物中的合成液成分及物质的量浓度分别为：0.09-0.12M/L的吡咯单体和0.18-0.22M/L的掺杂剂；掺杂剂分别为硫酸、硝酸、草酸、樟脑磺酸、盐酸、萘磺酸、十二万基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和铜(II)酞菁-四磺酸四钠盐。
8.如权利要求1或7所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，所述电化学方法为线性扫描伏安法，其中，高电压1-2V，低电压(-1)-(-2)V，扫描时间15-30分钟，铂网为对电极，标准的Ag/AgCl为参比电极，铜箔为工作电极。
9.如权利要求1所述的一种人工嗅觉系统的制成方法，其特征在于，步骤7中蒸镀的一层铜厚度为150-250微米。
10.一种人工嗅觉系统，其特征在于，所述人工嗅觉系统通过权利要求1-9中任意一种方法制成。
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