UNIST开发“智能电子鼻” 以超低功耗实现气体识别与浓度测量
UNIST研究团队融合纳米技术与深度学习 实现高精度气体检测
功耗低于200微瓦的超低功率运行…效率与经济性同步提升
一种以超低功耗运行的超小型电子鼻已被开发出来。
这一技术为空气质量监测、健康诊断、食品安全、环境保护等多个领域的应用打开了可能性。
蔚山科学技术院（UNIST）机械工程系的 Shin Heungju 教授团队与电气电子工程系的 Kim Jaejun 教授团队，将纳米工艺与深度学习技术相结合，成功实现了一种能够精密测量气体种类和浓度的电子鼻。
此次开发的电子鼻采用纳米尺寸加热器为基础的半导体气体传感器。与一般传感器因高工作温度而消耗大量电力不同，该传感器在不超过 200 微瓦的功率下即可运行。它适用于移动设备和物联网（IoT）装置，并基于半导体工艺制造传感器，生产效率也很高。
通过传感器小型化，降低了传统电子鼻的高功耗。研究团队引入占空比控制技术，使功耗额外最多降低 90%。占空比控制是一种通过周期性地供电与断电，将能量使用最小化的技术。
纳米级加热器可在十万分之一秒内瞬间加热到摄氏 250 度并冷却至室温，因此即便在极短的占空周期下也能顺利完成气体测量。
研究团队还改进了需要多个传感器的传统电子鼻结构，使其可以仅用单一传感器运行。吸附在半导体表面的气体脱附速度比纳米加热器的工作速度慢，因此在快速重复的占空比控制过程中，即便在加热器冷却的短暂时间内，气体反应仍在持续。由此可以在加热器工作与停止期间分别采集不同的信号。通过对这类双重信号采用卷积神经网络（CNN）进行实时分析，便能够准确识别多种气体的种类和浓度。
Shin Heungju 教授表示：“我们得以用单一传感器克服传统电子鼻的局限，因此可以轻松应用于必须实现小型化的移动设备和物联网装置。”
Kim Jaejun 教授解释称：“我们已经能够实现以低功耗运行的超小型气体测量装置，有望在实时无线监测系统等多种应用领域得到利用。”
研究成果发表在纳米技术专业学术期刊《Small》和国际学术期刊《ACS Sensors》上。基于纳米加热器的气体传感器研究发表于 2022 年 9 月，电子鼻技术则于 2024 年 6 月发布，两项成果均被选为封面论文。
本研究获得科学技术信息通信教育部韩国研究财团（National Research Foundation of Korea）、产业通商资源部以及科学技术信息通信部的资助。
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