一、嗅觉传感器的神秘面纱

（一）什么是嗅觉传感器
嗅觉传感器是一种能够通过分析呼吸中的化合物或气体分子来识别个体身份、检测特定气味的新型设备。它就像一个神奇的“人造鼻子”，能够捕捉并分析我们呼出气体中的微小成分，从而为我们提供独特的身份识别方式。
以日本研究人员开发的嗅觉传感器为例，其平均准确率接近 98%，可通过人体呼出气体中的化合物来识别不同个体。研究团队首先分析了人体呼出气体的成分，并确定其中的 28 种化合物可用于生物特征识别。然后团队开发出一个“16 通道”嗅觉传感器，每个通道可以识别特定范围的化合物。传感器会将数据传递到机器学习系统中，经过成分分析，系统会针对每个个体生成不同的配置文件。
在这个信息和技术的时代，生物识别认证是保护宝贵资产的重要方式。从常见的指纹、掌纹、声音和面部识别，到不太常见的耳朵和手指静脉，机器可使用各种生物识别方法来识别一个人。而人类气味作为一种新的生物识别技术，使用个人独特的化学成分来确认“你是谁”。
嗅觉传感器的工作原理与传统的生物识别技术有所不同。传统的生物识别技术依赖于每个人的身体独特性，但它们并不是万无一失的。身体特征可能会被复制，甚至会因受伤而受损。而嗅觉传感器则通过分析人体呼出气体中的化合物，利用每个人独特的化学成分来进行身份识别。
例如，研究人员发现皮肤中挥发性化合物的浓度可能低至万亿分之几，而呼出的化合物浓度可高达百万分之几。因此，研究小组转而研究是否可用人类呼吸来代替皮肤产生的化合物进行生物识别。
此外，嗅觉传感器的应用前景也非常广阔。目前的研究表明，增加更多传感器并收集更多数据，可克服现有技术的一些障碍。例如，在医疗界，一种多通道传感器阵列的构建，很可能发挥更大的作用。未来，或许我们的手机就可以通过呼气解锁，满大街都能见到对着手机“吹气”的景象。

二、嗅觉传感器的工作原理

（一）传统嗅觉传感器工作原理
传统的嗅觉传感器系统通常由交叉敏感的化学传感器阵列和适当的计算机模式识别算法组成。其工作原理主要包括以下几个步骤：
1.气味分子被机器嗅觉系统中的传感器阵列吸附，产生电信号。
◦气味分子通过物理或化学方式与传感器阵列相互作用，引发传感器内部的物理或化学变化，从而产生电信号。这些传感器各自对特定气体具有相对较高的敏感性，由一些不同敏感对象的传感器构成的阵列可以测得被测样品挥发性成分的整体信息。常用传感器按材料可分为金属氧化物型半导体传感器、导电聚合物传感器、质量传感器、光纤气体传感器等。
2.生成的信号经各种方法加工处理与传输。
◦信号预处理方法应根据实际使用的传感器类型、模式识别方法和识别任务选取。通常认为嗅觉模拟系统中某一传感器对气味的响应为一时变信号，由多个传感器组成的阵列对气味的响应是多维状态空间的一个矢量。气味传感器阵列对气味的响应灵敏度部分取决于传感器的质量，此外，测试环境和信号处理方式也有十分重要的作用。
3.将处理后的信号经计算机模式识别系统做出判断。
◦在机器嗅觉中，模式识别技术是对预处理之后的信号再进行适当的处理，获得气体组成成分和浓度的信息。通过计算机模式识别系统对处理后的信号进行分类、识别和预测，实现对气味的检测和判断。
（二）新型人工神经形态嗅觉传感器系统工作原理
新型人工神经形态嗅觉传感器系统主要由信号转换器以及信号指示器组成。
4.该系统主要由信号转换器以及信号指示器组成。
◦信号转换器由单壁碳纳米管（CNT）神经晶体管和 CNT 负载晶体管组成。在 CNT 神经晶体管中，CNT 通道直接暴露于环境气氛中以进行反应，而 CNT 负载晶体管的表面则使用 SU - 8 光刻胶进行钝化，以阻止与环境气体分子的相互作用。CNT 神经晶体管和负载晶体管连接形成信号转换器，并连接到气体指示器的输入端。
5.信号转换器主要是由单壁碳纳米管（CNT）神经晶体管和 CNT 负载晶体管组成，CNT 通道直接暴露于环境气氛中以进行反应，而 CNT 负载晶体管的表面则使用 SU - 8 光刻胶进行钝化。
◦这种设计使得 CNT 神经晶体管能够直接与环境中的气体分子相互作用，而 CNT 负载晶体管则通过表面钝化避免了与环境气体分子的不必要反应，从而提高了系统的稳定性和可靠性。
6.受到生物嗅觉系统呼吸冲模式的启发，将气体刺激以脉冲形式提供给 CNT 神经晶体管，随着对气体的重复刺激，CNT 神经晶体管的输出电流水平可以实现逐渐提高并保持稳定。
◦借鉴生物嗅觉系统的呼吸冲模式，将气体刺激以脉冲形式提供给 CNT 神经晶体管。随着对气体的重复刺激，CNT 神经晶体管的输出电流水平逐渐提高并保持稳定。这是因为 CNT 是 P 型半导体，当暴露于 NO₂气氛时导致空穴累积层厚度增加，从而使得 CNT 电阻降低，电流增大。而记忆特性归因于极性 NO₂分子在 CNT 表面的化学吸附，导致 CNT 表面能带结构中的能带弯曲，以及在没有外部能量供应的情况下，气体分子不易脱附。此外，当继续暴露于 NO₂气体后，CNT 表面更多的电子被捕获，形成更宽的空穴积累区域，并进一步导致带弯曲，从而增强 CNT 层的导电性。
7.在神经形态嗅觉系统中，稳态是通过周期性光学稳态信号（OHS）实现的，该信号通过 UV 照射 CNT 神经晶体管，吸附的 NO₂分子通过吸收光子的能量实现脱附。
◦在神经形态嗅觉系统中，稳态的实现是通过周期性光学稳态信号（OHS）。当 CNT 神经晶体管吸附了 NO₂分子后，通过 UV 照射 CNT 神经晶体管，吸附的 NO₂分子吸收光子的能量并释放电子，导致空穴累积层厚度减小，从而使电阻升高输出电流减小，实现神经形态气体传感器的恢复。在反复或过度暴露于有毒气体环境的情况下，由于气体刺激导致的 CNT 神经晶体管增强的兴奋性传导大于光学稳态信号导致的抑制性传导，CNT 神经晶体管可以自动通过信号转换器向气体指示器发送动作电位，当超过阈值水平的动作电位被提供给气体指示器时，则信号指示器以可见光的形式向外报警。当消除或显著减少有毒气体的暴露时，这种警报信号可以因稳态信号而自动停止。
（三）碳纳米管须状触嗅觉多模态融合传感器工作原理
8.触觉传感器工作原理
◦触觉传感器能够感应到压力、振动、纹理等物理刺激，通过电阻、电容或压电效应的变化来实现。碳纳米管 CNT 具有极高的灵敏度和机械强度，可以作为触觉传感器的活性材料，通过其电阻的变化检测微小的力或形变。
◦触觉传感器的工作原理主要涉及将物理接触力转换为电信号的过程。目前主流的技术和工作机制主要有以下几种：
▪压阻效应：利用碳纳米管的高导电性和良好的机械性能，通过其与其他材料（如聚偏二氟乙烯 PVDF）的复合，形成具有高灵敏度的压阻传感元件。当外部施加压力时，这种结构能够通过有效改变其电阻值，从而产生可测量的电信号。
▪压电效应：基于 PVDF 或类似材料的压电薄膜，在受到压力时会产生电荷分布的变化，从而产生电压信号。这种传感器具有高灵敏度和良好的温度稳定性，适用于需要精确测量微小压力的应用场景。
▪电容式传感器：通过改变传感器表面的微观结构（如纳米锥体阵列）来调节其电容值，当传感器表面与外界物体接触时，其电容值会发生变化，这种变化可以被检测并转换为电信号。这种传感器适合于需要高灵敏度和快速响应的应用，如微弱压力的检测。
9.嗅觉传感器工作原理
◦嗅觉传感器的工作原理主要是基于仿生嗅觉系统机制，生物嗅觉系统能够通过嗅上皮与气味分子结合，将外界的气味刺激通过嗅球传递到大脑嗅觉皮层，具有较高的灵敏度和特异性。
◦目前研究发现，生物嗅觉系统能够通过嗅上皮与气味分子结合，将外界的气味刺激通过嗅球传递到大脑嗅觉皮层，具有较高的灵敏度和特异性。嗅觉传感器的工作原理主要是基于仿生嗅觉系统机制，通过模拟生物嗅觉系统的工作方式，实现对气味的检测和识别。具体来说，嗅觉传感器通常由敏感材料和转换器组成。敏感材料能够吸附气体分子并产生物理或化学变化，而转换器将这些变化转换成电信号或光信号，从而实现对气体的检测。

三、嗅觉传感器的发展现状

（一）电子鼻行业发展现状
10.电子鼻定义及发展历程
◦电子鼻作为一种模拟生物嗅觉系统的高科技设备，其发展历程源远流长。最早可追溯到19世纪末，1964年Wilkens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应对嗅觉过程进行了电子模拟，这是电子鼻的最早报道。随后，1965年Buck等利用金属和半导体电导的变化对气体进行测量，Dravieks等则利用接触电势的变化实现气体测量。然而，真正意义上的电子鼻概念直到1982年由英国Warwick大学的Persuad和Dodd模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理提出，当时他们的电子鼻系统包括气敏传感器阵列和模式识别系统两部分，其中传感器阵列部分由三个半导体气敏传感器组成，可分辨桉树脑、玫瑰油、丁香牙油等挥发性化学物质的气味。但在此后的5年，电子鼻研究并未引起国际学术界的广泛重视。直到1987年，英国Warwick大学召开的第八届欧洲化学传感研究组织年会成为电子鼻研究的转机，以Gardner为首的Warwick大学气敏传感研究小组发表了传感器在气体测量方面应用的论文，重点提出模式识别的概念，引起学术界广泛兴趣。1989年，北大西洋公约研究组织专门召开化学传感器信息处理高级专题讨论会，致力于人工嗅觉及其系统设计这两个专题。1990年举行了第一届电子鼻国际学术会议，1994年Gardner发表关于电子鼻的综述性文章，正式提出“电子鼻”的概念，标志着电子鼻技术进入成熟发展阶段。历经二十余年的发展，目前对于电子鼻的研究主要集中在传感器及电子鼻硬件的设计、模式识别及其理论、电子鼻在多个领域的应用等方面。
11.电子鼻行业上中下游
◦电子鼻的上游行业主要包括传感器制造业和数据处理与分析软件行业。传感器作为电子鼻的核心部件，其性能和精度直接决定电子鼻的性能。目前传感器制造业的发展水平、技术创新能力和产品质量对电子鼻行业的发展起着至关重要的作用。数据处理与分析软件能够对电子鼻收集到的数据进行处理和分析，提取出有用的信息。在下游应用方面，电子鼻广泛应用于食品与饮料工业、环境监测、医疗健康、农业、化工等多个领域。例如，在食品与饮料工业中，电子鼻可用于食品腐败鉴别、品质控制等；在环境监测领域，可对环境空气质量、水质及土壤污染等进行实时监控；在医疗健康领域，可用于医学诊断等。
12.我国电子鼻行业市场规模
◦国内电子鼻行业经过多年快速发展，已达到相当高的市场化水平。随着气敏传感器技术与信息处理技术的不断革新升级，电子鼻产品将更加贴合各领域的实际需求。预计未来会出现更多针对不同应用场景设计的电子鼻装置，甚至可能实现一款全能型电子鼻产品，能够应对各种复杂情境、解决多元化问题。近年来，中国电子鼻产业产量和需求量均呈现稳步增长态势。2022年，中国电子鼻的总产量达到约10.18万台，同期国内市场需求约为8.72万台。在各类电子鼻产品中，金属氧化物型电子鼻以其独特的技术优势和广泛的应用领域占据主导地位，市场份额占比高达60.20%。
13.电子鼻行业政策
◦国家在环保、食品安全、医疗健康以及工业智能化等领域出台了一系列有利于电子鼻技术应用和推广的政策。在环境监测领域，《中华人民共和国环境保护法》及其相关实施条例强调对环境空气质量、水质及土壤污染等实时监控的需求，为电子鼻技术在环境检测方面提供了广阔市场空间。在食品安全方面，《中华人民共和国食品安全法》鼓励采用先进的快速检测技术和设备，确保食品质量和安全，促使电子鼻作为非破坏性、高效便捷的检测工具在食品腐败鉴别、品质控制等方面得到广泛应用。
（二）仿生嗅觉导航传感器发展现状
福建物构所黄伟国研究员团队和中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋健副研究员合作，通过模拟骆驼鼻子的结构，开发了一种具有神经形态的电容式湿度传感器。该传感器利用聚合物交联网络多孔结构与两性离子湿度响应的协同效应，具有灵敏度高（~600）、响应速度快（24s-1）、迟滞时间短、耐用性强等特点。在经历水、盐溶液、高低温（-20℃ - 60℃）、3000次循环形变和重压（2000kg）等外界条件影响后，传感信号几乎不变。它可以模拟骆驼鼻子快速区分新鲜、陈旧和枯萎的叶子，还可实时监测高温工业废气的湿度水平，并具有出色的接触式和非接触式皮肤湿度感测特性，为实现无接触人机交互输入提供了新思路。此外，该传感器表现出典型的神经突触行为，如配对脉冲易化等，使其具有可调的记忆、学习和遗忘功能。基于此，研究人员制备了一个由四个湿度传感器和一个集成数显屏幕组成的水源位置分析系统，通过对时空两个维度的水分含量梯度变化分析，实现了跟踪和定位开阔场地中的水源位置，成功地模拟出类似于骆驼的寻水行为，为下一代智能仿生嗅觉导航传感器提供了通用的设计原则。
（三）超灵敏石墨烯智能嗅觉传感器发展现状
邬建敏教授课题组在智能嗅觉传感器领域耕耘十多年，通过高分子聚电解质阳离子PDDA对rGO进行插层，扩展了rGO层间距进而提升气体可及性，提出了金属基材料模拟嗅觉受体的新思路，得到了一系列高灵敏、低噪音的气敏材料，并采用微纳工艺技术构建了石墨烯嗅觉传感器。该传感器可在常温下检测ppb浓度的痕量有机气体和无机气体，实现超低功耗及超灵敏检测。在丙酮、异戊二烯、NO和NH₃的测试中，表现了优异的气敏性能，对NO和NH₃的检测下限可以分别达到低至6和16 ppb（3δ/S），且对HP患者中潜在的呼气组分的LOD（检出限）达到HP呼气检测所需最低浓度。以传感器的响应值和相应恢复t₅0作为特征值，通过降维分析可以有效地将丙酮、异戊二烯、NO、NH₃四种典型特征气体划分到四个象限中。此外，阵列传感器对CO、NO₂、H₂S也具有高灵敏响应特征。研究团队基于石墨烯嗅觉传感器开发了超灵敏石墨烯嗅觉系统工程化研究，收集了225例临床呼气样本进行测试分析，结果显示该系统在HP感染的免标记筛查中具有重大潜力，未来可广泛应用于基层医疗卫生机构，随着二代阵列石墨烯嗅觉传感器的推出，嗅觉系统将更加小型化，使得居家自检成为可能。

四、嗅觉传感器的应用领域

（一）国家战略资源安全领域
清华大学未来实验室的嗅觉计算组在国家战略资源安全领域围绕国家重要战略资源进行监测识别。通过研发敏感材料、设计传感器及相关硬件，并结合人工智能算法，实现对国家战略资源的精准监控，保障国家战略资源安全。例如，利用嗅觉传感器对特定的气体分子进行检测，能够及时发现资源的异常情况，为国家资源的合理利用和保护提供有力支持。
（二）环境与工业安全监测领域
14.环境污染监测：嗅觉传感器可广泛用于环境污染的长期监测。如在空气质量监测方面，能够检测空气中的有害气体和挥发性有机化合物，为评估空气质量、预防环境污染提供重要依据。智慧社区中，通过安装在城管执法车上的传感器，每 10 秒回传一次包括空气质量在内的数据，帮助找出城市环境问题的发生规律和原因。
15.化学品泄漏监测：在化工等行业中，嗅觉传感器能够实时监测有毒气体的浓度，一旦发生化学品泄漏，能够及时发出警报，预防泄漏事故的发生。
16.易燃易爆品/走私品监测：对于易燃易爆品和走私品，嗅觉传感器凭借其高灵敏度和长期可靠性，能够实现快速识别和长期监测，为维护工业安全和社会稳定发挥重要作用。
（三）医疗康养与智慧家居领域
17.医疗辅助诊疗与长期监测：运用嗅觉感知与计算技术对口腔、呼出气、排泄物等气味进行识别和追踪，可以作为重要的辅助诊疗和长期监测手段。例如，通过检测人体呼出气体中的代谢产物，辅助诊断糖尿病、肝病等疾病；对口腔气味进行精准识别，实现对口气质量的客观评估与口腔健康状态的监测，为口腔医学和健康管理领域带来突破。
18.智慧烹饪：探索利用人工嗅觉与嗅觉计算技术准确辨识食材烹饪过程挥发出的特定风味物质，为自动化烹饪系统的发展提供新途径，提升食品口感和品质，为烹饪家电行业带来创新和便利。
19.空气质量监测：嗅觉传感器可以检测室内空气中的有害气体和挥发性有机化合物，确保居住环境的安全和舒适。
20.家电异味检测：对家电运行过程中产生的异味进行检测，及时发现问题，提高家电的使用体验。
（四）无线局放嗅觉传感器在电力领域的应用
无线局放嗅觉传感器在局放监测传感器的原有监测技术基础上集成嗅觉、SF₆等检测功能，综合应用于高中低压开关柜智能、安全、在线监测，促进电网整体运行安全。它能够准确感知并有效定位柜内复杂器件的局部放电现象，被广泛应用于开关柜、GIS、断路器、变电站、变压器等设备（场所）。通过对局部放电产生的电磁波、超声波、热辐射等信号的检测，及时发现潜在的绝缘缺陷，为设备的维护和检修提供准确依据。
（五）智能嗅觉传感系统在物联网领域的应用
北芯传感科技研发的半导体式气体传感器包括甲烷传感器、voc 传感器、氨气传感器、co 传感器和甲醛传感器等，可广泛适用于新风系统、车载检测仪、手持设备和空气净化器等领域。搭建了基于 NB - IOT，LORA 的物联网感知系统，为 IoT 时代提供完善的解决方案。该系统由带 LORA/NB 功能的智能传感器终端、LORA/NB 网关、云服务器和手机 APP 组成，能够实时检测目标环境气体浓度、温湿度等信息，当异常情况发生时会实时发送报警数据，用户可以通过多种方式连接云服务器，得到检测数据并进行及时有效的处理。

五、未来嗅觉传感器的发展趋势

（一）更高精度的传感器
未来，嗅觉技术将不断追求更高精度和更灵敏的传感器。随着科技的进步，新型材料和先进制造技术的应用将使得传感器能够检测更多种类的气味。目前，虽然已有多种类型的嗅觉传感器，但在一些复杂的应用场景中，其检测能力仍有待提高。例如，在医疗诊断领域，对于某些早期疾病的检测，需要传感器能够精确识别出极其微弱的气味变化。未来的嗅觉传感器将通过优化敏感材料、改进传感器结构等方式，提高气味辨别度，从而在医疗诊断、食品检测和环境监测等领域更加可靠。在食品检测中，能够准确识别食品中的异味或变质物质，确保产品的质量和安全性；在环境监测中，可灵敏地检测大气中的污染物，如 VOCs（挥发性有机化合物）和甲醛，为维护空气质量提供有力支持。
（二）快速的数据分析和处理
传感器技术的不断进步，对嗅觉技术产品的数据分析和处理能力提出了更高要求。未来的嗅觉技术产品需要更快速的数据分析和处理能力，以实现实时或接近实时的气味分析。随着数据量的不断增加，传统的数据分析方法可能无法满足需求。因此，需要开发更强大的算法和计算能力，例如人工智能和机器学习技术的应用，能够快速准确地处理大量的气味数据。在医疗领域，实时的气味分析可以为医生提供更及时的诊断信息，提高治疗的成功率；在环境监测中，能够迅速响应有害气体的变化，提前发出预警，保障环境安全。
（三）多模态感知
未来的嗅觉技术将与其他感官技术整合，实现多模态感知，为虚拟现实、增强现实和娱乐体验提供更丰富的感官体验。例如，将嗅觉技术与视觉和听觉技术相结合，在虚拟现实游戏中，玩家不仅可以看到逼真的画面、听到生动的音效，还能闻到各种场景中的气味，增强游戏的沉浸感。在娱乐行业，电影院和沉浸式娱乐设备通过释放合成气味，与视觉和听觉效果同步，为观众带来更加身临其境的体验。此外，多模态感知在医疗保健领域也具有潜在应用价值，例如通过结合嗅觉、视觉和听觉等多种感官刺激，帮助患者进行康复治疗。
（四）微型化和便携性
未来的嗅觉技术产品将趋向于更小巧、便携和嵌入式的设计。随着微纳技术的发展，传感器的尺寸将不断缩小，使其更容易集成到移动设备、可穿戴技术和智能家居中。例如，未来的手机可能内置微型嗅觉传感器，通过检测用户呼出的气体，实现身份识别或健康监测功能。在可穿戴技术方面，智能手表或手环可以配备嗅觉传感器，实时监测用户周围的环境质量。在智能家居领域，空气净化器、智能冰箱等设备可以集成嗅觉传感器，检测室内空气的有害气体和挥发性有机化合物，确保居住环境的安全和舒适。
（五）医疗保健应用的增长
随着人们对医疗保健的需求不断增加，未来的嗅觉技术将在医疗诊断和监测领域发挥更大的作用。例如，在早期癌症检测中，嗅觉传感器可以通过检测患者呼出气体中的特定挥发性有机化合物，为癌症的早期发现提供线索。在糖尿病管理方面，传感器可以检测皮肤表面的挥发性有机化合物，实时监测血糖水平，帮助患者更好地控制疾病。此外，在神经疾病的诊断中，嗅觉传感器也有望成为一种新的检测手段。通过分析患者的嗅觉功能变化，医生可以更早地发现神经疾病的迹象，为治疗争取时间。
（六）个性化体验
未来嗅觉技术将更多地用于个性化体验。在虚拟购物中，通过释放特定香味来增强消费者的感官感受，使购物体验更加真实和有趣。例如，在购买香水或化妆品时，消费者可以通过虚拟现实设备闻到不同产品的气味，更好地选择适合自己的商品。在虚拟旅游中，也可以根据不同的景点释放相应的气味，让用户仿佛身临其境。此外，在智能家居中，根据用户的喜好和需求，释放特定的香味，营造舒适的居住环境。例如，在早晨可以释放清新的花香，让人精神焕发；在晚上可以释放舒缓的薰衣草香，帮助用户放松身心。
（七）可持续性和环保
嗅觉技术的发展将更加关注环保方面。例如，用于监测污染物和提高环境空气质量的技术将得到进一步发展。嗅觉传感器可以实时检测空气中的有害气体和化学物质，为环境监测提供重要的数据支持。在工业领域，嗅觉传感器可以监测工厂排放的废气，确保符合环保标准。此外，一些嗅觉技术产品还可以用于可持续发展目的，如检测空气质量和有害气体排放，支持环保努力。通过这些技术的应用，可以更好地保护环境，实现可持续发展。
（八）开源平台和标准
未来的嗅觉技术发展可能会涉及开源平台和标准的制定。开源平台可以促进不同研究机构和企业之间的合作，加速技术创新。通过共享技术和数据，各方可以共同解决技术难题，提高嗅觉传感器的性能和可靠性。标准的制定则有助于确保不同厂家生产的嗅觉技术产品具有互操作性，方便用户在不同设备之间进行数据交换和使用。这将进一步推动嗅觉技术的广泛应用和发展，为各个领域带来更多的创新和改善。