西电在《Applied Physics Reviews》发表电子鼻流体力学行为调控研究论文

近日，西安电子科技大学“智能传感”前沿交叉研究中心在用于人工嗅觉的传感器腔室流体行为控制方面取得研究进展，在应用物理领域著名期刊《Applied Physics Reviews》（IF=19.5）上发表题为“Controlling fluidic behavior for ultra-sensitive volatile sensing”的研究论文。

近年来，电子鼻在医疗诊断、环境监测、公共安全和农业等多个领域应用广泛，与传统的分析手段相比具有检测范围广、检测速度快、体积小易携带和操作简单成本低等优点。电子鼻优异的气体识别能力主要依赖于传感器采集的高质量特征信号和数据处理算法，高质量信号特征值的获取除了依赖于性能良好的敏感材料，也与采样系统的结构息息相关，其中腔室的结构更是直接影响内部流场的均匀度，因此设计具有高度均匀浓度场的腔室对于电子鼻的发展来说至关重要。

该工作从传感器特征值的角度出发，通过设计轴对称气体传感器腔体和气体分流装置，解决了传感器在测试腔体中由于位置不同引入的伪特征值问题，对于传感器腔体的结构设计和流体力学行为调控给出了良好的研究范例。先进材料与纳米科技学院硕士研究生朱玉瑾和博士研究生刘天晴为论文的共同第一作者，西安电子科技大学吴巍炜教授、西安电子科技大学空间科学与技术学院胡文文博士、以色列理工学院HossamHaick教授、之江实验室王镝研究员为论文的共同通讯作者，西安电子科技大学为论文第一单位。

（a）腔室分体结构设计图，（b）腔室内部结构实物及传感器位置图

鉴于此，该工作设计了一种小型化仿生腔室，主要由上壳体、分流装置和底座组成，可同时容纳18个传感器。该腔室外观形似花洒，模拟了哺乳动物鼻腔嗅觉区的层流环境，对称的结构设计保证了均匀的流场和浓度场环境，基于层流和稀物质物理场耦合的模拟计算结果表明，当气流到达分流装置后经由底部气孔及侧面凹槽被分散至各个方向，可以直观看到传感器上方流速及压力分布均匀度明显提升。分流装置在本设计中对气流的均匀性起到了重要作用，多孔型分流装置有效降低了腔室中的再循环区和死体积，提高了传感器阵列周围浓度场的均匀性。在实际的湿度传感测试中，传感器阵列上方的浓度分布也呈现均匀的分布情况。理论模拟和湿度测试结果表明该腔室具有均匀的流场和浓度场。

有分流装置（上行）与无分流装置（下行）的腔室中传感器阵列附近的速度分布（a，d），归一化速度箭头（b，e）以及压力分布（c，f）。

（a）传感器阵列上方模拟浓度分布（2s），（b）-（f）传感器阵列上方实际水蒸气浓度分布

最后使用该腔体进行了VOCs动态传感测试，用不同种类的酸掺杂聚苯胺自支撑膜为敏感材料，检测对2-己酮的响应，以反式丁烯二酸掺杂为例，3号和15号分别是内圈和外圈传感器位置，在50-250 ppm的浓度测试范围内，当有分流装置时（Chamber A），内圈和外圈传感器的最大响应度及响应/恢复速度均有明显提高。这表明分流装置对腔室内流体行为起到了良好的调节作用。

反式丁烯二酸掺杂聚苯胺传感器对2-己酮响应特性的比较。（a）3号和（b）15号传感器在不同腔室中的时间-响应恢复曲线图，（c）3号和（15）号传感器在不同腔室中的响应一阶导数变化图，3号传感器（e）响应阶段最大和（g）恢复阶段最小一阶导数直方图，15号传感器（f）响应阶段最大和（h）恢复阶段最小一阶导数直方图。

该工作实现了腔室内流体行为的有效控制，解决了由于腔室中传感器所处的位置不同而引起的测量误差问题，为电子鼻腔室的设计提供了有益的参考，同时也为多物理场耦合模拟设计与实际应用相结合提供了新思路。

据悉，“智能传感”前沿交叉研究中心长期从事人工嗅觉相关研究，在挥发物组学（分析化学与基础医学交叉）、敏感材料设计与制备（材料与化学交叉）、传感腔体设计与制造（力学与仪器科学交叉）、精确中医“闻诊”应用（医学与人工智能）等方面开展了系列研究工作。

论文链接：

https://pubs.aip.org/aip/apr/article/10/2/021408/2891569/Controlling-fluidic-behavior-for-ultra-sensitive?searchresult=1