低成本薄膜制造技術(shù) 電子鼻氣味探測(cè)大顯身手

在加拿大阿爾伯塔省路易斯湖召開的復(fù)合材料會(huì)議上，將展示電子鼻技術(shù)。由麻省理工學(xué)院電氣工程師Harry Tuller發(fā)明的這種電子鼻，利用低成本薄膜制造技術(shù)模仿動(dòng)物鼻子，這種技術(shù)綜合了有機(jī)和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)。 

據(jù)Harry Tuller稱，這個(gè)電子鼻不用單獨(dú)的探測(cè)器識(shí)別每種氣味，而是利用一個(gè)傳感器通道陣列來對(duì)各種氣味進(jìn)行大致的分類，如甜味、酸味和辣味。這些氣味的相對(duì)數(shù)量可以確定一個(gè)氣味的特征。Tuller的研究小組利用一種低成本直接寫入技術(shù)來拷貝這種架構(gòu)，以模仿氣味識(shí)別的生物過程。這樣做成的電子鼻利用了惠普的一款實(shí)驗(yàn)性可編程噴墨頭，利用無掩膜光刻在薄膜上面逐面印制探測(cè)器陣列。通過直接把傳感器薄膜寫到一個(gè)石英基底上面，這個(gè)可編程打印頭就能生成可以象鼻子一樣工作的氣味傳感器陣列。但這種電子鼻可以進(jìn)行標(biāo)定，用于探測(cè)有毒氣體的氣味，包括毒物與炸藥發(fā)出的氣味。 

“迄今為止，我們證明了如何通過惠普的可編程噴墨墨盒，利用我們的墨水配方來形成模板，并演示了探測(cè)柴油機(jī)廢氣中的一氧化氮?！甭槭±砉W(xué)院的材料科學(xué)系教授Tuller表示?！盀榱嗽斐鑫覀兊碾娮颖?，我們現(xiàn)在正在研究如何把薄膜傳感器陣列集成到同一個(gè)芯片上面，每個(gè)薄膜傳感器陣列都對(duì)不同種類的氣體敏感?！?nbsp;

據(jù)Tuller介紹，這個(gè)項(xiàng)目能否成功，關(guān)鍵在于使其電子鼻的傳感器墊的表面積最大化。通過使紡織傳感器陣列形成某種結(jié)構(gòu)，研究人員提高了靈敏度，甚至能夠?qū)螌臃肿影l(fā)生反應(yīng)?！皩?shí)驗(yàn)表明，靈敏度與表面積成正比，我們把表面積提高了九倍。具體做法是，首先放一層空洞，空洞是用有機(jī)聚合物做成的薄壁球體。然后在空洞層上面沉積無機(jī)墨水?！盩uller表示?！敖又鴮?duì)其進(jìn)行加熱，把有機(jī)材料燒掉，剩下的就是高度結(jié)構(gòu)化的無機(jī)薄膜。 

在制作第一個(gè)測(cè)試樣本的時(shí)候，研究人員把陶瓷材料碳酸鋇印在石英晶體的上面，然后施加一個(gè)交流電壓，使其以大約10 MHz的頻率共振。當(dāng)石英晶體上面的探測(cè)層吸收一氧化氮?dú)怏w分子之后，共振頻率就會(huì)下降。 

Tuller表示：“甚至一個(gè)單層也能改變它的質(zhì)量，從而改變它的共振頻率。” 

最初的傳感器涂層是碳酸鋇，它對(duì)一氧化氮敏感。但研究人員也試驗(yàn)了其它涂層材料，以檢測(cè)其它化學(xué)物質(zhì)。下一步，研究人員將在同一個(gè)芯片上面制作傳感器陣列，以便象上述電子鼻一樣，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器陣列的獨(dú)特響應(yīng)特征來識(shí)別化學(xué)物質(zhì)。 

Tuller表示：“我們目前正在配制一組墨水，以便我們能夠在諧振器陳列上面形成圖案，每個(gè)諧振器覆蓋一種不同的墨水?！?nbsp;

研究人員也在利用不同的墨水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)墨水吸收氣體之后改變墨水電阻，以便其能夠先是在一個(gè)通用傳感器墊陣列上面形成圖案，然后通過在其上面放置第二層涂料，使其能夠探測(cè)不同的化學(xué)物件組合。每個(gè)傳感器墊上面放置不同的涂料。 

Tuller的實(shí)驗(yàn)室得到了美國國家科學(xué)基金的資助。