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近年來，電子鼻在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測、公共安全和農業(yè)等多個領域應用廣泛，與傳統(tǒng)的分析手段相比具有檢測范圍廣、檢測速度快、體積小易攜帶和操作簡單成本低等優(yōu)點。電子鼻優(yōu)異的氣體識別能力主要依賴于傳感器采集的高質量特征信號和數(shù)據(jù)處理算法，高質量信號特征值的獲取除了依賴于性能良好的敏感材料，也與采樣系統(tǒng)的結構息息相關，其中腔室的結構更是直接影響內部流場的均勻度，因此設計具有高度均勻濃度場的腔室對于電子鼻的發(fā)展來說至關重要。

該工作從傳感器特征值的角度出發(fā)，通過設計軸對稱氣體傳感器腔體和氣體分流裝置，解決了傳感器在測試腔體中由于位置不同引入的偽特征值問題，對于傳感器腔體的結構設計和流體力學行為調控給出了良好的研究范例。先進材料與納米科技學院碩士研究生朱玉瑾和博士研究生劉天晴為論文的共同第一作者，西安電子科技大學吳巍煒教授、西安電子科技大學空間科學與技術學院胡文文博士、以色列理工學院HossamHaick教授、之江實驗室王鏑研究員為論文的共同通訊作者，西安電子科技大學為論文第一單位。

鑒于此，該工作設計了一種小型化仿生腔室，主要由上殼體、分流裝置和底座組成，可同時容納18個傳感器。該腔室外觀形似花灑，模擬了哺乳動物鼻腔嗅覺區(qū)的層流環(huán)境，對稱的結構設計保證了均勻的流場和濃度場環(huán)境，基于層流和稀物質物理場耦合的模擬計算結果表明，當氣流到達分流裝置后經由底部氣孔及側面凹槽被分散至各個方向，可以直觀看到傳感器上方流速及壓力分布均勻度明顯提升。分流裝置在本設計中對氣流的均勻性起到了重要作用，多孔型分流裝置有效降低了腔室中的再循環(huán)區(qū)和死體積，提高了傳感器陣列周圍濃度場的均勻性。在實際的濕度傳感測試中，傳感器陣列上方的濃度分布也呈現(xiàn)均勻的分布情況。理論模擬和濕度測試結果表明該腔室具有均勻的流場和濃度場。

有分流裝置（上行）與無分流裝置（下行）的腔室中傳感器陣列附近的速度分布（a，d），歸一化速度箭頭（b，e）以及壓力分布（c，f）。

（a）傳感器陣列上方模擬濃度分布（2s），（b）-（f）傳感器陣列上方實際水蒸氣濃度分布

最后使用該腔體進行了VOCs動態(tài)傳感測試，用不同種類的酸摻雜聚苯胺自支撐膜為敏感材料，檢測對2-己酮的響應，以反式丁烯二酸摻雜為例，3號和15號分別是內圈和外圈傳感器位置，在50-250 ppm的濃度測試范圍內，當有分流裝置時（Chamber A），內圈和外圈傳感器的最大響應度及響應/恢復速度均有明顯提高。這表明分流裝置對腔室內流體行為起到了良好的調節(jié)作用。

反式丁烯二酸摻雜聚苯胺傳感器對2-己酮響應特性的比較。（a）3號和（b）15號傳感器在不同腔室中的時間-響應恢復曲線圖，（c）3號和（15）號傳感器在不同腔室中的響應一階導數(shù)變化圖，3號傳感器（e）響應階段最大和（g）恢復階段最小一階導數(shù)直方圖，15號傳感器（f）響應階段最大和（h）恢復階段最小一階導數(shù)直方圖。

該工作實現(xiàn)了腔室內流體行為的有效控制，解決了由于腔室中傳感器所處的位置不同而引起的測量誤差問題，為電子鼻腔室的設計提供了有益的參考，同時也為多物理場耦合模擬設計與實際應用相結合提供了新思路。

據(jù)悉，“智能傳感”前沿交叉研究中心長期從事人工嗅覺相關研究，在揮發(fā)物組學（分析化學與基礎醫(yī)學交叉）、敏感材料設計與制備（材料與化學交叉）、傳感腔體設計與制造（力學與儀器科學交叉）、精確中醫(yī)“聞診”應用（醫(yī)學與人工智能）等方面開展了系列研究工作。