2013年4月1日，谷歌发布气味搜索技术，在搜索框中输入关键词，点击“闻一闻”，手机、电脑等就会散发出相关物体的气味，在不少人看来，这仅仅是愚人节的玩笑罢了。最近霍尼韦尔公司开发出了一种供手机使用的嗅觉传感器，可让手机也具有分辨气味的功能，那么这个传感器是如何实现这一功能的呢？


嗅觉传感器的原理
　　在很多用户的眼中，让电子设备获得嗅觉，这是一件非常科幻的事情。嗅觉传感器又被称为“电子鼻”，主要是通过气敏效应来实现对气味的分辨。1931年布劳尔发现Cu20的电导率会随着水蒸气的吸附而改变以来，人们相机发现了ZnO、Nb205等材料都具有吸附气敏效应，并成功研制出了一大批功能各异的传感器。
　　这些传感器一般是把氧化气敏材料在高温下烧结成多孔性具有很强气体吸附能力的半导体陶瓷小片，之后将这些半导体陶瓷小片装在传感器的一端作为探头或者安放在绝缘片上，制作成薄膜。当这个传感器或者薄膜靠近某一区域时，待测气体就会吸附在半导体氧化物表面，发生反应，产生电子等载流子的迁移，使元件的电阻发生变化，这样传感器就能测出该区域的气体状况。不过在很长时间之内，一种嗅觉传感器只能嗅出一种气味。直到1982年佩尔绍德等人在《自然》杂志上第一次提出以阵列思想来识别几种简单气体，真正意义上的嗅觉传感器才终于出现。


检测天然气用的半导体气敏元件


小贴士：什么是气敏效应
　　气敏效应又被称为嗅敏效应。某些半导材料表面吸附（有物理吸附，化学吸附或和物理化学吸附）某种气体可以引起表面能态发生改变，从而导致材料电导率变化的现象。利用此效应就可制成气敏传感器，常用材料有二氧化锡、氧化铁系、五氧化二钒系、二氧化锆系、氧化镍系、氧化钴系及稀土过渡金属氧化物系等。


嗅觉传感器的结构
　　实际上，嗅觉传感器应该被称为人工嗅觉系统更贴切，嗅觉传感器的灵感来源于生物嗅觉，是对其结构和功能的模仿，一般由三个系统组成，分别为气敏传感器阵列、信息采集电路和模式识别算法。与人类的嗅觉系统相对应，嗅觉传感器内部的气敏传感器阵列相当于鼻腔上的嗅上皮；敏感的化学传感器则相当于对多种气味分子敏感的嗅神经元，其作用都是将气味的化学信息转换为电信息；模式识别算法，特别是人工神经网络方法，则在一定程度上模拟了大脑皮层信息编码、处理和存储等过程。
　　嗅觉传感器的工作流程是挥发性气味与多个气敏传感器反应，将样品的化学信号转换成电信号，然后经过一系列信号调理、基线校准等预处理过程，获取该样品所对应的综合“指纹”信息，再从中提取合适的特征输入到特定的模式识别算法，最终完成对样品的定性或定量辨识。这个过程与人类大脑的工作方式非常类似，即鼻子吸入的气味需要与大脑中存储的记忆进行比对，才能判断出这种气味代表什么。
　　嗅觉传感器的“大脑”就是数据库，首先将测试结果录入到数据库中，然后与已经存在的数据进行对比，数据库的规模决定了嗅觉传感器对气味的识别能力和准确度。举个例子，啤酒的气味由700多种不同的分子组成。科技人员要为啤酒生产行业的产品质量检验工序开发计算机气味识别系统，就必须搞清700多种气味分子的结构和组合、合格产品以及不合格产品的分子特性，并将其数字化后储存在计算机里；高分辨率的气味传感器可将采集到的产品气味传给系统分析比较，最后由系统作出鉴定。


小型化不容易

    既然嗅觉传感器发展了这么久，那么为什么迟迟不能应用到消费电子产品上呢？无法小型化一直是个大问题。嗅觉传感器主要依靠气敏效应来实现气味分辨，之前没有一个通用的传感器，常规做法是在传感器内部针对每一种气体，分别设置一个传感器。这就使得嗅觉传感器越灵敏所包含的传感器就越多，嗅觉传感器的体积也就越大，根本无法应用在手机之类的消费电子设备上。科研人员也尝试过缩小嗅觉传感器的体积，遗憾的是，这些晶片级的元件只能在真空状态下才能有效隔离与分析样本，真空泵部分一直无法攻克。真空泵就好比我们的鼻孔，将气味吸进“鼻孔”，才能准确辨别气味的味道。有了它，电子传感装置就有了灵敏的嗅觉。不过之前用于嗅觉传感器的真空泵，最小的也有砖头那么大，把它装进你的手机里，恐怕手机体积重回到“大哥大”时代也未必能行。不过，在2013年10月霍尼韦尔借助微机电系统制造技术，突破了真空泵的小型化障碍，为能嗅出几乎任何化学物质的手持式嗅探器应用开启了大门。