【正文】 下定義 :“ 電子鼻是由多個(gè)性能彼此重疊的氣敏傳 感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識(shí)別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置 ” 。 （ 5）整理設(shè)計(jì)內(nèi)容，編寫設(shè)計(jì)說明書 現(xiàn)情況 納米電子鼻傳感器簡(jiǎn)介 電子鼻，又稱人工嗅覺系統(tǒng)，是模擬生物嗅覺系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一種智能電子“嗅覺”儀器，電子鼻技術(shù)涉及材料、化學(xué)、傳感器、信息融合、電子技術(shù)、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)以及應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)的一門綜合性技術(shù)。 （ 3）在設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和分析。 （ 1）查閱相關(guān)資料，提出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案。 （ 2）掌握納米電子鼻傳感器制作過程。 18 參考文獻(xiàn) 09 、 模式識(shí)別 02 、 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 01 、 納米電子鼻傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 01 、 納米電子鼻的 工作原理及 框 圖 01 設(shè)計(jì)方案 及實(shí)現(xiàn)情況 01 、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 中北大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 學(xué) 生 姓名 : 周明行 學(xué) 號(hào)： 32 學(xué) 院 : 電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) : 微電子學(xué) 題 目 : 納米電子鼻傳感器設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 譚秋林 職稱 : 副教授 2021 年 6 月 3 日 第 1 頁(yè) 目 錄 課程設(shè)計(jì)目的 01 課程 設(shè)計(jì)內(nèi)容 和 要求 01 、 設(shè)計(jì)要求 01 、 納米電子鼻傳感器簡(jiǎn)介 02 、 氣敏傳感器的設(shè)計(jì) 03 、 信號(hào)處理 15 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 19 第 2 頁(yè) （ 1）學(xué)習(xí)納米電子鼻傳感器的工作原理。 （ 3） 掌握納米電子鼻傳感器信號(hào)的讀取方法。 （ 2）選擇適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)該傳感器。 （ 4）能夠?qū)崿F(xiàn)該氣體傳感器的信號(hào)的正常讀取。主要用來分析、識(shí)別和檢測(cè)揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、復(fù)雜氣味和有毒氣體。 隨后，在 1990年舉行了第一屆電子鼻國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，最大規(guī)模的一屆會(huì)議于 1997 年在美國(guó)的圣地亞哥召開。 納米電子鼻的工作原理及框圖 第 3 頁(yè) 其基本結(jié)構(gòu)主要有三大部分構(gòu)成，分別是氣敏傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理單元和模式識(shí)別單元如圖 氣體 氣體／氣味 氣味 定 性／定量 圖 納米 電子鼻系統(tǒng)組成 框圖 (1)氣敏傳感器陣列，相當(dāng)于初級(jí)嗅覺神經(jīng)元，由具有廣譜響應(yīng)特性的氣敏元件組成。氣敏傳感器陣列可以采用數(shù)個(gè)單獨(dú)的氣敏傳感器組合而成，也可以采用集成工藝制作的專用氣敏傳感器陣列。 (2)信號(hào)預(yù)處理單元，相當(dāng)于二級(jí)嗅覺神經(jīng)元，它對(duì)傳感器陣列的響應(yīng)模式進(jìn)行預(yù)加工，完成特征信號(hào)的提取。目前，在電子鼻系統(tǒng)中采用的模式識(shí)別算法主要有 :主成分分析法、最小二乘法、聚類方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法等。 氣敏 傳感器 模式 識(shí)別 信號(hào) 處理 被測(cè)物理量 溫濕度傳感器 氣敏傳感器陣列 信號(hào)調(diào)理 ADC MCU LED 鍵盤 電平轉(zhuǎn)換接口 PC 第 4 頁(yè) 如圖 各模塊的主要功能如下 ： （ 1）氣敏傳感器陣列 ：主要 由 TGS8XX 系列 3個(gè) 氣敏傳感器 組合成陣列，分別是 TGS825,TGS826 和 TGS832。 （ 2）信號(hào)調(diào)理模塊：主要是將氣敏傳感器電阻的變換轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并設(shè)計(jì)模擬開關(guān)，在控制器控制下分時(shí)選通 3 路傳感器，依次將代表氣味響應(yīng)強(qiáng)度的電壓值送入 AD 轉(zhuǎn)換電路，這樣只需要占用 1個(gè) AD 口，也便于數(shù)據(jù)的打包處理。 （ 3）溫濕度傳感器模塊：在氣敏傳感器陣列外部添置了溫濕度傳感器AM2302，主要是因?yàn)闇貪穸葘?duì)氣敏傳感器陣列輸出信號(hào)有一定的影響，在后期建立數(shù)據(jù)處理時(shí)將環(huán)境的溫濕度作為輸入?yún)⒘繉?duì)識(shí)別模型進(jìn)行校正。 (7） 人機(jī)接口模塊 ： 處理器外部擴(kuò)展了顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤等人機(jī)交互模塊，可以 實(shí)時(shí)顯示 采集信息、 脫離上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行相應(yīng)按鍵操作。 （ 9） MCU 模塊：接收數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過一定的運(yùn)算后輸出所需信號(hào)。目前，已開發(fā)出了氧化物半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)、有機(jī)半導(dǎo)體、石英振子、場(chǎng)效應(yīng)、熱催化、表面聲波、光學(xué)等各種類型的氣敏傳感器 [12]。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。利用這種現(xiàn)象制作 第 5 頁(yè) 的各種半導(dǎo)體氣敏元件早己商品化，其應(yīng) 用領(lǐng)域正日益擴(kuò)大。按加熱方式不同，又分為直熱式和旁熱式兩種結(jié)構(gòu) [14]。 （ 2） SnO2 型氣體傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫附時(shí)間短，可以連續(xù)使用。 （ 4） SnO2 型氣體傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)不需要復(fù)雜的處理設(shè)備，待測(cè)氣體可通過傳感器的阻值變化 ，直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而且，其電阻率變化比較大，信號(hào)調(diào)理電路不需要放大電路就可以實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。 1 敏感機(jī)理分析 167?，F(xiàn)在通常采用以下幾種模型進(jìn)行定性解釋 :表面空間電荷層模型，粒界面勢(shì)壘模型、吸附氣體產(chǎn)生能級(jí)模型和吸收效應(yīng)模型等。對(duì)于 N 型半導(dǎo)體，如果接觸容易接受電子的氣體，空間電荷層寬度增加，勢(shì)壘高度增加，結(jié)果使導(dǎo)電電子減少，電導(dǎo)率 降低。 晶粒界面勢(shì)壘模型認(rèn)為：半導(dǎo)體晶粒接觸界面處存在勢(shì)壘，對(duì)于 N 型半導(dǎo)體，接觸容易接受電子的氣體時(shí)，接觸界面勢(shì)壘高度升高，則電導(dǎo)率降低；如果接觸容易提供電子的氣體時(shí)，勢(shì)壘高度降低，電導(dǎo)率增加 . 吸收效應(yīng)模型認(rèn)為 :對(duì)于半導(dǎo)體晶粒燒結(jié)體，晶粒中部為導(dǎo)電電子均勻分布區(qū)，表面為電子耗盡區(qū) (空間電荷層 )。 第 6 頁(yè) 167。而這些附加能級(jí)是由 Sn02 中的點(diǎn)缺陷造成的。有時(shí)還會(huì)有意無意地向晶體中引入雜質(zhì)原子，例如為了增加 Sn02 的電導(dǎo)，摻入銻 (Sb)，銻原子取代錫原子的位置，形成替位式雜質(zhì)原子 Sbsn。 Sn02 氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件，制備元件的氣敏材料是多孔質(zhì)的 Sn02 燒結(jié)體。 SnO2 的一個(gè)氧空位相當(dāng)于從 02格點(diǎn)處拿走一個(gè)中性原子 O，于是在 Vo處留下兩個(gè)電子，它與附近的錫離子在 Vo處的有效電荷分布之和正好抵消，保 持電中性。 Vo = Vo++ e （ 53） Vo+= Vo2++ e （ 54） 銻原子代替錫原子成為替位式原子時(shí)，由于銻原子可電離成 Sb5+，其化合價(jià)