人工嗅覺(jué)系統設計初步

　　隨著(zhù)各種氣體的應用，多種有毒有害氣體產(chǎn)物大量生成，對人類(lèi)健康安全構成威脅。各種氣體檢測技術(shù)應運而生，如煤氣液化氣報警、煙霧（火警）報警。特別是自1964年Wilkens和Hatman提出電子鼻的概念以來(lái)，氣體傳感技術(shù)正向更高的層次———電子鼻方向發(fā)展，即具有一定氣體、氣味分辨能力的智能系統［1，2］。因而研究能模擬動(dòng)物嗅覺(jué)系統的人工嗅覺(jué)也就自然成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，該文是筆者在設計人工嗅覺(jué)系統方面所做的一點(diǎn)初步工作。
　　電子鼻技術(shù)目前已廣泛應用于生活和生產(chǎn)活動(dòng)中，如魚(yú)肉新鮮度測定和白酒、煙草等級評定，毒品、炸藥探測等專(zhuān)門(mén)任務(wù)［3］，并取得可喜成果，但是通用型人工嗅覺(jué)的實(shí)現難度很大。難點(diǎn)在于：①在醫學(xué)領(lǐng)域，嗅覺(jué)與視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)相比，研究得最不充分。②嗅覺(jué)系統結構模型相當復雜，尚有許多待探索的結構和機理。③嗅覺(jué)神經(jīng)系統電、化學(xué)信號傳遞和信息處理過(guò)程復雜，可能屬于非線(xiàn)性、非穩態(tài)和混沌過(guò)程。［4］ 
2　嗅覺(jué)系統基本原理
　　目前所知的嗅覺(jué)過(guò)程大致如下［5］（見(jiàn)圖2—1）：在人的鼻道上端存在一個(gè)黃豆大的區域———嗅區，氣味分子與嗅區最外層的粘膜上的纖毛接觸時(shí)，發(fā)生物理吸附，并向粘膜中擴散，同時(shí)發(fā)生化學(xué)作用。被粘膜覆蓋的嗅細胞受到刺激后產(chǎn)生感受電位，經(jīng)嗅神經(jīng)纖維沿細胞軸突到達第一神經(jīng)元（嗅小球），再從嗅小球的輸出端匯入第二神經(jīng)元（僧帽細胞）。在組成嗅束后，把經(jīng)一、二級神經(jīng)元處理后的信號傳遞到大腦皮層有關(guān)區域，經(jīng)大腦的分析處理，產(chǎn)生嗅覺(jué)判斷。 


　　單個(gè)初級嗅覺(jué)神經(jīng)元對各種氣體是交叉敏感的，雖然嗅細胞數量眾多，但種類(lèi)只有14種左右。人類(lèi)靈敏的嗅覺(jué)正是靠數量龐大、相互交叉敏感的細胞陣列以及多級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的信號整合才得以實(shí)現的。僅從嗅小球到大腦皮層，嗅覺(jué)系統的靈敏度就提高了3個(gè)數量級［5］。因此設計人工嗅覺(jué)系統時(shí)，大規模、多種類(lèi)傳感器組成的陣列和模擬人類(lèi)神經(jīng)系統功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是必需考慮的。 
3　傳感器陣列
　　目前使用量最大的是利用體電阻效應的金屬氧化物傳感器，主要是利用粉末冶金方法，在SnO2粉末中參雜Pt和Pd等提高靈敏度和選擇性。工作溫度多在450～550℃，用于可燃氣體現場(chǎng)時(shí)需作防爆處理，此外功耗也較大。筆者采用真空磁控濺射成膜技術(shù)，用平面集成工藝制作集成化的SnO2基納米薄膜傳感器，利用納米尺度薄膜電性能與常規體電導效應的差異，探索將傳感器工作溫度降到多數可燃氣體著(zhù)火點(diǎn)以下的途徑。另外還通過(guò)多種參雜方法提高對不同氣體的選擇性，試驗表明適當參雜后工作溫度可下降100℃左右，目前還在繼續尋找能使工作溫度進(jìn)一步降低的參雜物質(zhì)和工藝。圖3—1為薄膜傳感器示意圖。



　　制作納米薄膜SnO2基氣體傳感器，首先要尋找合適的鍍膜基片，常用的陶瓷基片粗糙度遠大于納米。因此采用拋光耐熱玻璃鍍膜制作，見(jiàn)圖3—1。在玻璃基片正面真空濺射敏感膜SnO2和合金電極，并給每段敏感膜分別采用一定工藝參雜微量Cu2O、ZnO、Al2O3、MgO、ZrO和TiO2等雜質(zhì)，以提高選擇性。玻璃基片背面鍍Ni80Cr20加熱電阻合金薄膜，以及鎳鉻—康銅薄膜熱電偶。試驗表明采用K9玻璃鍍膜優(yōu)越性明顯?？稍?0 mm長(cháng)的玻璃片上平面集成數十個(gè)傳感器，為結構小型化創(chuàng )造了條件。穩定的表面狀態(tài)導致穩定的傳感器性能。拋光的玻璃表面幾乎不需預處理即可鍍出合格鍍層，且結合遠比普通陶瓷表面涂層牢靠?；咨闲纬傻姆蔷B(tài)納米涂層厚薄均勻，這與SiO2基底和SnO2之間點(diǎn)陣錯配度較大，難以形成晶體生長(cháng)有關(guān)。有別于燒結型SnO2基傳感器，非晶態(tài)條件下導電機理與晶態(tài)差異較大，界面化學(xué)特性迥異。體電導受晶界勢壘控制和燒結顆粒間頸部控制以及表面電阻控制，而非晶態(tài)薄膜主要為表面效應，受涂層—基片費米能級和載流子隧道效應影響［6］。燒結型SnO2基傳感器表面上吸附各種氣體分子后，心部電阻改變不大。由于燒結型材料比表面較小，吸附造成的相對電導變化遠小于薄膜型傳感器，薄膜型傳感器可獲得較高的靈敏度，450℃工作溫度下靈敏度S從5～10提高到25左右。
靈敏度定義為：
還原性氣體S＝（Ra－Rg）／Rg＝ΔR／Rg
氧化性氣體S＝（Rg－Ra）／Ra＝ΔR／Ra
　　式中Rg和Ra分別為工作溫度下在被測氣氛和空氣中的電阻值。 
4　人工嗅覺(jué)系統基本結構
人工嗅覺(jué)系統框圖見(jiàn)圖4—1。



4．1　信號調理與采集電路
　　傳感器陣列采用分壓式取樣電路＋加熱元件輸出電路＋單端16路模擬量采集卡（PCL812－PG），板上帶2路模擬量輸出，控制加熱電壓和吸氣泵。陣列規模為16只傳感器。
4．2　模式識別方法與識別結果討論
　　人類(lèi)的嗅覺(jué)過(guò)程是一個(gè)復雜的理化過(guò)程，模擬嗅覺(jué)首先應關(guān)注理化方面的變化。鼻腔能把溫度和濕度調節到理想狀態(tài)來(lái)保證獲得靈敏的響應，目前國內外生產(chǎn)的氣體傳感器均無(wú)測溫結構，該系統用濺射法形成薄膜熱電偶，可將傳感器溫度精確調節，模擬生物嗅覺(jué)系統。
　　人類(lèi)感知一種氣味時(shí)初期的信息很重要，時(shí)間一長(cháng)反而被氣味所“麻痹”。說(shuō)明暫態(tài)信息對于嗅覺(jué)過(guò)程至關(guān)重要。氣體分子量大小不同、偶極矩不同，在動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特征不同。反映這些特征的參數可作為一種“氣味譜”。與光譜僅取決于物質(zhì)種類(lèi)不同，“氣味譜”隨試驗條件而改變，但在一定條件下，經(jīng)過(guò)模式識別系統的學(xué)習，仍可作為識別參數。根據化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)原理，解吸階段（用空氣沖洗）的響應參數也與氣體分子性質(zhì)有關(guān)，也可作為模式識別參數，因此筆者也對這一階段的數據進(jìn)行了特征提取。所有這些識別參數數值經(jīng)過(guò)預處理后成為一種氣味的氣味譜，這里取響應曲線(xiàn)的三次曲線(xiàn)擬合的各次項系數a0～a3為譜參數矢量，將每種氣味中16個(gè)傳感器產(chǎn)生的響應曲線(xiàn)族作為一組。為采用誤差反傳（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行模式識別，人為給定一個(gè)氣體分類(lèi)期望輸出。若干氣味樣本的氣味譜作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )輸入矩陣參數，經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習后進(jìn)行模式識別。筆者研究了3層BP網(wǎng)和自組織特征映射（SOM）網(wǎng)絡(luò )的兩種識別方法。
　　BP網(wǎng)輸入層有16