CN114594141A - 集成电子鼻传感结构及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子鼻技术领域，提供一种集成电子鼻传感结构及其使用方法。集成电子鼻传感结构，包括功能层及与功能层相连接的气敏材料层；功能层能够支撑气敏材料层；气敏材料层包括至少两种气敏材料，且各种气敏材料构成至少一个气敏区域，任意相邻的两个气敏区域电接触；气敏材料的外周侧设有多个电极位点，一部分电极位点用于通电，另一部分电极位点用于采集电信号，以用于基于电阻抗成像，根据电信号计算各个气敏区域的电阻特性参数。使用本发明提供的集成电子鼻传感结构可以在同样的体积内加入更多气敏材料，实现对更多种类气味的检测。同时利用电阻抗成像来对集成后的气敏材料的信息进行采集，使得采集电路能够进一步简化，提高集成度。
Description
技术领域
本发明涉及电子鼻技术领域，尤其涉及一种集成电子鼻传感结构及其使用方法。
背景技术
电子鼻采用电化学手段对气体实施检测，现有技术中的电子鼻有多种气体传感器组合而成，每种气体传感器使用一种特异性气体敏感材料作为传感物质，在接触气体时气体敏感材料的电阻抗发生变化，通过测量其电阻抗的变化可以实现对待测气体的检测。
为了提升电子鼻检测的准确性和所能检测气体的种类，需要增加特性气体传感器的种类，这无疑会增大电子鼻的体积，限制了电子鼻的发展。
发明内容
本发明提供一种集成电子鼻传感结构及其使用方法，用以解决现有技术中提升电子检测准确性和检测气体种类时，会导致电子鼻的体积增大的缺陷，实现保持电子鼻体积不变的前提下，提升电子鼻检测的准确性及增加所能检测气体种类的效果。
本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，包括功能层及设置于所述功能层的气敏材料层；
所述功能层能够支撑所述气敏材料层；
所述气敏材料层包括至少两种气敏材料，且各种所述气敏材料构成至少一个气敏区域，任意相邻的两个所述气敏区域电接触；
所述气敏材料的外周侧设有多个电极位点，其中，一部分所述电极位点用于通电，另一部分所述电极位点用于采集电信号，以用于基于电阻抗成像，根据所述电信号计算各个所述气敏区域的电阻特性参数。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述气敏区域的数量设置为多个，多个所述气敏区域呈阵列排布。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述气敏区域的数量设置为至少两个，并且至少两个所述气敏区域由内向外依次环套设置。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述气敏材料的数量及所述气敏区域的数量均设置为至少三个，并且一个所述气敏区域设置于中心，其余所述气敏区域沿位于中心的所述气敏区域的周向分布。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述功能层包括依次层叠设置的支撑层、加热层和导热绝缘层，所述气敏材料层与所述导热绝缘层相连接。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述支撑层设置为氧化硅层或氮化硅层。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述加热层设置为热电材料层。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述导热绝缘层设置为氧化硅层或氮化硅层。
根据本发明提供的一种集成电子鼻传感结构，所述气体敏感材料包括氧化锡、氧化铜、氧化锌或氧化铁。
本发明还提供一种集成电子鼻传感结构使用方法，基于如上所述的集成电子鼻传感结构实施，所述方法包括：
将所述集成电子鼻传感结构置入待检测环境；
向部分所述电极位点通电，并采集其余部分的所述电极位点的电信号；
基于电阻抗成像，根据所述电信号计算各个所述气敏区域的所述电阻特性参数，并获取所述电阻特性参数的空间分布状态；
基于已知气体的电阻特性参数的空间分布状态，根据获取的所述电阻特性参数的空间分布状态，确定所述待检测环境内气体的种类。
本发明提供的集成电子鼻传感结构，通过在气敏材料层集成不同气敏材料，同时利用电阻抗成像，测量气敏材料层边界处的电信号，重构出气敏材料层的电阻特性参数的空间分布状态，并与已知气体的电阻特性参数的空间分布状态相互印证，就能判断气体的种类。
同时，本发明提供的集成电子鼻传感结构实际上是一个集成有多种气敏材料的传感芯片，实现了单个传感芯片对多种气体的检测，能够提取更丰富的气体指纹特征。并且，集成电子鼻传感结构作为单个传感芯片，使得集成电子鼻传感结构能够采用微纳加工工艺在芯片尺度进行加工，因此在增加气敏材料种类时，仍然可以将总体尺寸控制在单个芯片上，而不是通过增加单一的特性气体传感芯片来实现，进而大大压缩了电子鼻的体积。
因此，当希望检测更多气味时不可避免的需要增加气敏材料的种类时，使用本发明提供的集成电子鼻传感结构可以在同样的体积内加入更多气敏材料，实现对更多种类气味的检测。同时利用电阻抗成像来对集成后的气敏材料的信息进行采集，使得采集电路能够进一步简化，提高集成度。单个电子鼻的尺度可以控制在微米到毫米尺度。
进一步，本发明提供的集成电子鼻传感结构使用方法基于集成电子鼻传感结构实施，因而同时具有了集成电子鼻传感结构的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例中提供的集成电子鼻传感结构的结构示意图；
图2是本发明一些实施例中提供的气敏材料层的结构示意图；
图3是本发明一些实施例中提供的气敏材料层的结构示意图；
图4是本发明一些实施例中提供的气敏材料层的结构示意图；
图5是本发明一些实施例中提供的集成电子鼻传感结构使用方法的流程图。
附图标记：
1、气敏材料层；101、第一气敏区域；102、第二气敏区域；103、第三气敏区域；104、第四气敏区域；105、电极位点；
2、支撑层；3、加热层；4、导热绝缘层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图5描述本发明实施例中提供的集成电子鼻传感结构。
具体来说，集成电子鼻传感结构包括功能层和与功能层相连接的气敏材料层1。
其中，功能层能够支撑气敏材料层1。
气敏材料层1包括至少两种气敏材料。各种气敏材料构成至少一个气敏区域，并且任意相邻的两个气敏区域电接触。需要说明的是，电接触是指相邻的两个气敏区域相互接触，并且可使电流在二者之间通过。
气敏材料层的外周侧设置有多个电极位点105。电极位点150处可以安装电极。其中，一部分电极位点105用于通电，另一部分电极位点105用于采集电信号，以用于基于电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)，根据采集的电信号计算各个气敏区域的电阻特性参数。可选地，电阻特性参数包括电导率、介电常数或阻抗。
现有技术中，EIT是利用体表电极阵列向检测对象施加安全的电激励(电流或电压)，在体表测量响应电信号，并由所测电信号重构出人体内部某个断层结构图像的技术。即，通过导电体发送电流，从表面电极测量中推断出身体部位的电导率、介电常数和阻抗。
于本发明而言，同样可以采用电阻抗成像的原理获取各个气敏区域的电导率、介电常数和阻抗。
具体地，由于不同的气敏材料对不同气体的响应不同，因此在利用集成电子鼻传感结构检测不同的气体时，各个气敏区域的电阻特性参数也会发生相应的变化。向气敏材料层1通入一定的电流或电压，气敏区域的电阻特性参数的不同分布状态会使得在气敏材料层1采集的电信号不同。根据采集到的电信号可以计算出各个气敏区域的电阻特性参数，进而可获取电阻特性参数的分布状态。将获取的电阻特性参数的空间分布状态与已知气体的电阻特性参数的空间分布状态进行比较，即可确定待测气体的种类。
可选地，可向气敏材料层1的一部分电极位点105输入预设电流，并采集另一部分电极位点105的电压，利用采集的电压计算气敏材料层1各个气敏区域的电阻特性参数。
本发明实施例中提供的集成电子鼻传感结构，通过在气敏材料层1集成不同气敏材料，同时利用电阻抗成像，测量气敏材料层1边界处的电信号，以重构出气敏材料层1的电阻特性参数的空间分布状态，并与已知气体的电阻特性参数的空间分布状态相互印证，就能判断气体的种类。
同时，本发明实施例中提供的集成电子鼻传感结构实际上是一个集成有多种气敏材料的传感芯片，实现了单个传感芯片对多种气体的检测，能够提取更丰富的气体指纹特征。并且，集成电子鼻传感结构作为单个传感芯片，使得集成电子鼻传感结构能够采用微纳加工工艺在芯片尺度进行加工，因此在增加气敏材料种类时，仍然可以将总体尺寸控制在单个芯片上，而不是通过增加单一的特性气体传感芯片来实现，进而大大压缩了电子鼻的体积。
因此，当希望检测更多气味时不可避免的需要增加气敏材料的种类时，使用本发明实施例中提供的集成电子鼻传感结构可以在同样的体积内加入更多气敏材料，实现对更多种类气味的检测。同时利用电阻抗成像来对集成后的气敏材料的信息进行采集，使得采集电路能够进一步简化，提高集成度。单个电子鼻的尺度可以控制在微米到毫米尺度。
参考图2所示，在本发明提供一些实施例中，气敏区域的数量设置为多个，多个气敏区域呈阵列排布。
参考图2所示，可选地，气敏材料层1包括三种气敏材料。
第一种气敏材料构成多个第一气敏区域101，第二种气敏材料构成多个第二气敏区域102，第三种气敏材料构成多个第三气敏区域103。
参考图2所示，可选地，在阵列的每一行中，第一气敏区域101、第二气敏区域102和第三气敏区域103交替排布，在阵列的每一列中，第一气敏区域101、第二气敏区域102和第三气敏区域103交替排布。
可选地，第一气敏区域101、第二气敏区域102和第三气敏区域103均设置为多边形结构。可选地，第一气敏区域101、第二气敏区域102和第三气敏区域103三者中至少两者的边数相同，或者第一气敏区域101、第二气敏区域102和第三气敏区域103三者的边数均不同。
参考图3所示，在本发明提供的一些实施例中，气敏区域的数量设置为至少两个，并且至少两个气敏区域由内向外依次环套设置。
参考图3所示，可选地，气敏材料层1包括四种气敏材料。
第一种气敏材料构成第一气敏区域101，第二种气敏材料构成第二气敏区域102，第三种气敏材料构成第三气敏区域103，第四种气敏材料构成第四气敏区域104。参考图3所示，第二气敏区域102环套于第一气敏区域101外侧，第三气敏区域103环套于第二气敏区域102外侧，第四气敏区域104环套于第三气敏区域103外侧。
参考图3所示，可选地，最内层的气敏区域设置为多边形结构或者圆形结构，则外侧的气敏区域也设置为与最内层的气敏区域相对应的形状。
参考图4所示，在本发明提供的一些实施例中，气敏区域的数量设置为至少三个，并且一个气敏区域设置于中心，其余气敏区域沿位于中心的气敏区域的周向分布。
参考图4所示，可选地，气敏材料层1包括三种气敏材料。
第一种气敏材料构成第一气敏区域101，第二种气敏材料构成第二气敏区域102，第三种气敏材料构成第三气敏区域103。并且，第一气敏区域101设置于中心，第二气敏区域102和第三气敏区域103沿第一气敏区域101的周向分布。
例如，第二气敏区域102的数量设置为至少两个，第三气敏区域103的数量设置至少两个，并且第二气敏区域102和第三气敏区域103沿第一气敏区域101的周向交替排布。
参考图4所示，位于中心的气敏区域设置为圆形结构或者多边形结构。
参考图1所示，在本发明提供的一些实施例中，功能层包括由下至上依次层叠设置的支撑层2、加热层3和导热绝缘层4。
其中，支撑层2用于为整个集成电子鼻传感结构提供支撑作用。例如，支撑层2可以设置为氧化硅层或氮化硅层。进一步地，支撑层2可以采用半导体加工工艺制造，并能够起到稳定测量环境的作用。进一步地，支撑层需要视悬空或不悬空起支撑整体结构的作用。
其中，加热层3可以对气敏材料层1进行加热，提高集成电子鼻传感结构的灵敏度和响应速度。
例如，加热层3可以设置为热电材料层，通过向热电材料层通电，使热电材料层产热，进而为气敏材料层1提供热量。热电材料包括铂金或合金。
其中，导热绝缘层4用于使气敏材料层1与加热层3电绝缘，并可进行热传导。例如，导热绝缘层4可以是氧化硅层或氮化硅层。
在发明提供的一些实施例中，气敏材料包括氧化锡、氧化铜、氧化锌或氧化铁。
本发明还提供一种集成电子鼻传感结构使用方法。
具体来说，集成电子鼻传感结构使用方法基于如上所述的集成电子鼻传感结构实施。
参考图5所示，集成电子鼻传感结构使用方法，包括：步骤S100～步骤S300。
步骤S100、将集成电子鼻传感结构置入待检测环境。
待检测环境是指确定有或者可能有待检测气体的环境。
步骤S200、向部分电极位点105通电，并采集其余部分的电极位点105的电信号，基于电阻抗成像，根据电信号计算各个气敏区域的电阻特性参数，并获取电阻特性参数的空间分布状态。
可选地，可向气敏材料层1的一部分电极位点105输入预设电流，并采集另一部分电极位点105的电压，利用采集的电压计算气敏材料层1各个气敏区域的电阻特性参数。根据各个气敏区域的电阻特性参数，即可获取电阻特性参数的空间分布状态。
电阻特性参数包括电导率、介电常数或阻抗。
步骤S300、基于已知气体的电阻特性参数的空间分布状态，根据获取的电阻特性参数的空间分布状态，确定待检测环境内气体的种类。
可选地，可以通过实验等方式，获取已知气体的电阻特性参数的空间分布状态，并且可将各种已知气体的电阻特性参数的空间分布状态建立数据库。然后，将获取的电阻特性参数的空间分布状态与数据库中已知气体的电阻特性参数的空间分布状态进行比较，从而确定待检测气体的种类。
本发明实施例中提供的集成电子鼻传感结构使用方法，基于集成电子鼻传感结构，利用电阻抗成像，测量气敏材料层1边界处的电信号，重构出气敏材料层1的电阻特性参数的空间分布状态，并与已知气体的电阻特性参数的空间分布状态相互印证，就能判断气体的种类。同时利用电阻抗成像来对集成后的气敏材料的信息进行采集，使得采集电路能够进一步简化，提高集成度。单个电子鼻的尺度可以控制在微米到毫米尺度。
同时，本发明实施例中提供的使用方法中，集成电子鼻传感结构实际上是一个集成有多种气敏材料的传感芯片，实现了单个传感芯片对多种气体的检测，能够提取更丰富的气体指纹特征。并且，集成电子鼻传感结构作为单个传感芯片，使得集成电子鼻传感结构得以在芯片尺度进行加工，因此在增加气敏材料种类时，仍然可以将总体尺寸控制在单个芯片上，而不是通过增加单一的特性气体传感芯片来实现，进而大大压缩了电子鼻的体积。
因此，当希望检测更多气味时不可避免的需要增加气敏材料的种类时，使用集成电子鼻传感结构可以在同样的体积内加入更多气敏材料，实现对更多种类气味的检测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种集成电子鼻传感结构，其特征在于，包括功能层及与所述功能层相连接的气敏材料层；
所述功能层能够支撑所述气敏材料层；
所述气敏材料层包括至少两种气敏材料，且各种所述气敏材料构成至少一个气敏区域，任意相邻的两个所述气敏区域电接触；
所述气敏材料的外周侧设有多个电极位点，其中，一部分所述电极位点用于通电，另一部分所述电极位点用于采集电信号，以用于基于电阻抗成像，根据所述电信号计算各个所述气敏区域的电阻特性参数。
2.根据权利要求1所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述气敏区域的数量设置为多个，多个所述气敏区域呈阵列排布。
3.根据权利要求1所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述气敏区域的数量设置为至少两个，并且至少两个所述气敏区域由内向外依次环套设置。
4.根据权利要求1所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述气敏材料的数量及所述气敏区域的数量均设置为至少三个，并且一个所述气敏区域设置于中心，其余所述气敏区域沿位于中心的所述气敏区域的周向分布。
5.根据权利要求1所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述功能层包括依次层叠设置的支撑层、加热层和导热绝缘层，所述气敏材料层与所述导热绝缘层相连接。
6.根据权利要求5所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述支撑层设置为氧化硅层或氮化硅层。
7.根据权利要求5所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述加热层设置为热电材料层。
8.根据权利要求5所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述导热绝缘层设置为氧化硅层或氮化硅层。
9.根据权利要求1所述的集成电子鼻传感结构，其特征在于，所述气体敏感材料包括氧化锡、氧化铜、氧化锌或氧化铁。
10.一种集成电子鼻传感结构使用方法，其特征在于，基于如权利要求1-9任一项所述的集成电子鼻传感结构实施，所述方法包括：
将所述集成电子鼻传感结构置入待检测环境；
向部分所述电极位点通电，并采集其余部分的所述电极位点的电信号；
基于电阻抗成像，根据所述电信号计算各个所述气敏区域的所述电阻特性参数，并获取所述电阻特性参数的空间分布状态；
基于已知气体的电阻特性参数的空间分布状态，根据获取的所述电阻特性参数的空间分布状态，确定所述待检测环境内气体的种类。
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