低成本薄膜制造技术 电子鼻气味探测大显身手

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    在加拿大阿尔伯塔省路易斯湖召开的复合材料会议上，将展示电子鼻技术。由麻省理工学院电气工程师Harry Tuller发明的这种电子鼻，利用低成本薄膜制造技术模仿动物鼻子，这种技术综合了有机和无机材料的优点。 

    据Harry Tuller称，这个电子鼻不用单独的探测器识别每种气味，而是利用一个传感器通道阵列来对各种气味进行大致的分类，如甜味、酸味和辣味。这些气味的相对数量可以确定一个气味的特征。Tuller的研究小组利用一种低成本直接写入技术来拷贝这种架构，以模仿气味识别的生物过程。这样做成的电子鼻利用了惠普的一款实验性可编程喷墨头，利用无掩膜光刻在薄膜上面逐面印制探测器阵列。通过直接把传感器薄膜写到一个石英基底上面，这个可编程打印头就能生成可以象鼻子一样工作的气味传感器阵列。但这种电子鼻可以进行标定，用于探测有毒气体的气味，包括毒物与炸药发出的气味。 

    “迄今为止，我们证明了如何通过惠普的可编程喷墨墨盒，利用我们的墨水配方来形成模板，并演示了探测柴油机废气中的一氧化氮。”麻省理工学院的材料科学系教授Tuller表示。“为了造出我们的电子鼻，我们现在正在研究如何把薄膜传感器阵列集成到同一个芯片上面，每个薄膜传感器阵列都对不同种类的气体敏感。” 

    据Tuller介绍，这个项目能否成功，关键在于使其电子鼻的传感器垫的表面积最大化。通过使纺织传感器阵列形成某种结构，研究人员提高了灵敏度，甚至能够对单层分子发生反应。“实验表明，灵敏度与表面积成正比，我们把表面积提高了九倍。具体做法是，首先放一层空洞，空洞是用有机聚合物做成的薄壁球体。然后在空洞层上面沉积无机墨水。”Tuller表示。“接着对其进行加热，把有机材料烧掉，剩下的就是高度结构化的无机薄膜。 

    在制作第一个测试样本的时候，研究人员把陶瓷材料碳酸钡印在石英晶体的上面，然后施加一个交流电压，使其以大约10 MHz的频率共振。当石英晶体上面的探测层吸收一氧化氮气体分子之后，共振频率就会下降。 

    Tuller表示：“甚至一个单层也能改变它的质量，从而改变它的共振频率。” 

    最初的传感器涂层是碳酸钡，它对一氧化氮敏感。但研究人员也试验了其它涂层材料，以检测其它化学物质。下一步，研究人员将在同一个芯片上面制作传感器阵列，以便象上述电子鼻一样，可以根据标准的传感器阵列的独特响应特征来识别化学物质。 

    Tuller表示：“我们目前正在配制一组墨水，以便我们能够在谐振器陈列上面形成图案，每个谐振器覆盖一种不同的墨水。” 

    研究人员也在利用不同的墨水进行实验，当墨水吸收气体之后改变墨水电阻，以便其能够先是在一个通用传感器垫阵列上面形成图案，然后通过在其上面放置第二层涂料，使其能够探测不同的化学物件组合。每个传感器垫上面放置不同的涂料。 

    Tuller的实验室得到了美国国家科学基金的资助。