《气味传感器：嗅觉科技的新前沿》

一、气味传感器的概述

什么是气味传感器
气味传感器是一种测量气味强弱并以数字表示的测量装置。传统上，气味评估是由经验丰富的专家如感官小组成员和气味评估员进行的，而气味传感器则代表人类执行此评估并以数字方式显示。
气味传感器主要基于化学反应原理或电化学原理工作，能够感知和检测周围空气中的气味、气体和挥发性有机化合物（VOC）。它通常应用在多个领域，例如在食品和化妆品研发及质量控制领域，测量物体散发的整体气味而非单个气体成分，具体应用包括原材料接收检验、产品运输检验和食品新鲜度测量等；在环境气味测量领域，当气味强度有问题时使用，可用于管理工作环境和测量除臭设备的有效性；在燃气、火灾等异常监测领域，用于安全管理目的，此外，出于医疗诊断的目的，正在开发的传感器可通过检测癌症患者自有的呼出气体成分来检测疾病的存在。
气味传感器主要有两种类型：半导体型和晶体振荡器型。半导体型气味传感器长期以来一直被用作气体传感器，当气味分子吸附到半导体表面时，会发生表面反应，半导体的电阻值发生变化，该机制根据电阻的变化来检测气味。半导体气味传感器有氧化物半导体型和有机半导体型两种，有机半导体型使用聚吡咯或聚乙炔作为半导体膜，可以识别有机化合物产生的气味，但价格昂贵。石英晶体气味传感器的结构是在振荡器的表面附着模仿人类嗅觉细胞的称为脂质膜的敏感膜，当气味分子吸附到敏感膜上时，由于质量负载效应，振荡器的谐振频率降低，该机构通过测定减少量来测定加臭剂的浓度，尤其擅长识别有机气味剂，如威士忌、清酒、咖啡、香水等。

二、气味传感器的工作原理

1. 半导体型气味传感器

半导体气味传感器长期以来一直被用作气体传感器。当气味分子吸附到半导体表面时，会发生表面反应，导致半导体的电阻值发生变化，根据电阻的变化来检测气味。半导体气味传感器主要包括氧化物半导体型和有机半导体型。
（1）氧化物半导体型
当传感器元件被加热到高温时，空气中的氧气会将传感器内部的电子吸引到表面并吸附，从而固定电子，使电流难以流动。当具有还原电位的气味成分到达半导体表面时，它们会与氧气发生反应并被去除，从而使传感器内的电子能够自由移动，使电流更容易流动。例如，便携式气味传感器 POLFA 就是使用金属氧化物半导体型气体传感器，其测量值（PF 值）是通过读取此时的电压差来获得的，并利用计算公式显示气味的强度。
（2）有机半导体型
在有机半导体方法中，使用聚吡咯或聚乙炔作为半导体膜。有机半导体类型可以识别有机化合物产生的气味，但价格昂贵。如 “高精准分子识别有机半导体光电双模智能嗅觉传感器” 项目启动，以中国科学院上海微系统与信息技术研究所为牵头单位，该项目将进一步推动有机半导体型气味传感器的发展。日本 Aroma Bit 开发全球最小 CMOS 半导体气味成像传感器，也是有机半导体型气味传感器的创新成果，其传感区面积仅为 1.2 mm x 1.2 mm，并配备了外围驱动和 A/D 转换电路，能够在仅为 1.2 mm x 1.2 mm 传感区面积内配置 100 个气味受体膜，实现了高集成度和高气味分辨率。
此外，2019 年开发了一种可以连接到智能手机的小型气味传感器，该气味传感器的特点是使用由涂有敏感膜的 PZT（锆钛酸铅）压电薄膜制成的检测元件来检测气味，为每个检测元件准备了 20 种具有不同敏感膜的检测元件，并将它们安装在单个传感器芯片上，通过将数值数据与每种气味的模式进行比较来识别气味，智能手机充当分析平台，分析检测到的气味的类型和强度，并将分析结果显示在智能手机上。

2. 石英晶体气味传感器

石英晶体气味传感器的结构是在振荡器的表面附着模仿人类嗅觉细胞的称为脂质膜的敏感膜，当气味分子吸附到敏感膜上时，由于质量负载效应，振荡器的谐振频率降低，通过测定减少量来测定加臭剂的浓度。
石英晶体气味传感器特别擅长识别有机气味剂，如威士忌、清酒、咖啡、香水等。其敏感膜的涂膜装置采用惰性气体为中介气体，不与敏感膜溶液发生反应，实现对石英晶体敏感膜厚度细微变化的控制，敏感膜均匀性极大提高，且涂膜过程易于控制。例如，一种石英晶体气味传感器敏感膜的涂膜装置，包括惰性气体储存瓶、带有橡胶塞的敏感膜溶液储存瓶、进气管、出气管、超声波发生装置、载物台、夹持夹、固定架等。超声波发生装置将敏感膜溶液雾化，惰性气体经进气管进入，形成混合气体，混合气体通过出气管排出，均匀的喷洒在石英晶体的表面，溶质最后沉积下来形成薄膜，厚度通过控制通气时间来实现。
一种石英晶体气味传感器敏感膜的超声波制备装置，包括超声波发生装置、涂膜装置、供气装置、石英晶体夹持悬挂装置和固定架。超声波发生装置将敏感膜溶液雾化，供气装置产生的惰性气体经进气管进入，形成混合气体，混合气体通过出气管排出，均匀的喷洒在石英晶体的表面，溶质最后沉积下来形成薄膜，厚度通过控制通气时间来实现。惰性气体的流量可以观察空气流量计感知，通过减压阀改变流量大小可以实现成膜时间和均匀性的改变。

三、气味传感器的类型

根据工作原理和敏感材料的不同，主要分为半导体型、晶体振荡器型以及基于微机电系统（MEMS）的新型传感器等。

半导体型气味传感器

半导体型气味传感器长期以来一直被用作气体传感器。当气味分子吸附到半导体表面时，会发生表面反应，导致半导体的电阻值发生变化，根据电阻的变化来检测气味。半导体气味传感器主要包括氧化物半导体型和有机半导体型。
氧化物半导体型：当传感器元件被加热到高温时，空气中的氧气会将传感器内部的电子吸引到表面并吸附，从而固定电子，使电流难以流动。当具有还原电位的气味成分到达半导体表面时，它们会与氧气发生反应并被去除，从而使传感器内的电子能够自由移动，使电流更容易流动。例如，便携式气味传感器 POLFA 就是使用金属氧化物半导体型气体传感器，其测量值（PF 值）是通过读取此时的电压差来获得的，并利用计算公式显示气味的强度。
有机半导体型：在有机半导体方法中，使用聚吡咯或聚乙炔作为半导体膜。有机半导体类型可以识别有机化合物产生的气味，但价格昂贵。如 “高精准分子识别有机半导体光电双模智能嗅觉传感器” 项目启动，以中国科学院上海微系统与信息技术研究所为牵头单位，该项目将进一步推动有机半导体型气味传感器的发展。日本 Aroma Bit 开发全球最小 CMOS 半导体气味成像传感器，也是有机半导体型气味传感器的创新成果，其传感区面积仅为 1.2 mm x 1.2 mm，并配备了外围驱动和 A/D 转换电路，能够在仅为 1.2 mm x 1.2 mm 传感区面积内配置 100 个气味受体膜，实现了高集成度和高气味分辨率。
此外，2019 年开发了一种可以连接到智能手机的小型气味传感器，该气味传感器的特点是使用由涂有敏感膜的 PZT（锆钛酸铅）压电薄膜制成的检测元件来检测气味，为每个检测元件准备了 20 种具有不同敏感膜的检测元件，并将它们安装在单个传感器芯片上，通过将数值数据与每种气味的模式进行比较来识别气味，智能手机充当分析平台，分析检测到的气味的类型和强度，并将分析结果显示在智能手机上。

晶体振荡器型气味传感器

石英晶体气味传感器的结构是在振荡器的表面附着模仿人类嗅觉细胞的称为脂质膜的敏感膜，当气味分子吸附到敏感膜上时，由于质量负载效应，振荡器的谐振频率降低，通过测定减少量来测定加臭剂的浓度。
石英晶体气味传感器特别擅长识别有机气味剂，如威士忌、清酒、咖啡、香水等。其敏感膜的涂膜装置采用惰性气体为中介气体，不与敏感膜溶液发生反应，实现对石英晶体敏感膜厚度细微变化的控制，敏感膜均匀性极大提高，且涂膜过程易于控制。例如，一种石英晶体气味传感器敏感膜的涂膜装置，包括惰性气体储存瓶、带有橡胶塞的敏感膜溶液储存瓶、进气管、出气管、超声波发生装置、载物台、夹持夹、固定架等。超声波发生装置将敏感膜溶液雾化，惰性气体经进气管进入，形成混合气体，混合气体通过出气管排出，均匀的喷洒在石英晶体的表面，溶质最后沉积下来形成薄膜，厚度通过控制通气时间来实现。
一种石英晶体气味传感器敏感膜的超声波制备装置，包括超声波发生装置、涂膜装置、供气装置、石英晶体夹持悬挂装置和固定架。超声波发生装置将敏感膜溶液雾化，供气装置产生的惰性气体经进气管进入，形成混合气体，混合气体通过出气管排出，均匀的喷洒在石英晶体的表面，溶质最后沉积下来形成薄膜，厚度通过控制通气时间来实现。惰性气体的流量可以观察空气流量计感知，通过减压阀改变流量大小可以实现成膜时间和均匀性的改变。
东芝通过在晶体振荡器上均匀地涂布一种容易吸附特定气味的金属有机骨架（MOF），实现了体积只有传统分析仪几十分之一的小型化、低成本、且具备高灵敏度检测性能的传感器，用于检测自来水水源和自来水中产生的霉味，成功地检测到大气中浓度为 0.2ppbv（100 亿分之 2）的 2 - 甲基异冰片。

MEMS 新型传感器

MEMS 传感器在气味检测方面也展现出独特的优势。例如，太阳诱电开发了高浓度端采用 QCM 型，较低浓度端采用 MEMS 半导体型，另外还准备有 FBAR 型转换器的气味传感器，为实现高灵敏度感应提供了多种选择。
在口气探测中，MEMS 传感器也有广泛应用。口腔异味的主要罪魁祸首是革兰氏阴性厌氧菌，它的代谢产物引起了口腔异味。MEMS 传感器通过内部气体选择性极强的敏感材料与特征气体相互作用，将特征气体浓度转换成相应电信号传输至芯片，芯片数据处理单元将采集到的信号值与芯片内部设定的特征气体浓度阈值进行比对，通过判断病人口腔特征气体浓度是否超出阈值范围来确定病人是否患有相关疾病。具有体积小、功耗小、探测灵敏度高、气体选择性好、使用寿命长等优点。
此外，中国科学院上海微系统与信息技术研究所与多单位合作研发出一款 “触嗅一体仿生智能机械手”，通过将具有高灵敏度和稳定性的硅基压力和气体传感器集成在机械手上，即可通过触摸物体来获取可靠的触觉 - 嗅觉信息。其中的嗅觉传感器是一种基于半导体原理的气体传感器，采用 MEMS 技术，将一组传感器排列在一起组成传感器组合阵列，可同时识别多种气体和气味，并将气味通过人工智能算法和大数据的处理后变成嗅觉数字信号，比传统意义上的传感器更小、功耗更低。

四、气味传感器的应用领域

1. 食品、化妆品研发及质量控制

气味传感器在食品、化妆品研发及质量控制领域发挥着重要作用。它能够测量物体散发的整体气味，这对于确保产品的质量和安全性至关重要。在原材料接收检验环节，气味传感器可以快速检测原材料是否存在异味，从而判断其是否符合质量标准。例如，在食品行业中，通过检测原材料的气味，可以及时发现变质或受污染的食材，避免其进入生产环节。在产品运输检验方面，气味传感器可以监测产品在运输过程中是否受到外界因素的影响而产生异味，确保产品在到达消费者手中时保持良好的品质。此外，气味传感器还可用于食品新鲜度测量。随着食品储存时间的延长，其气味会发生变化，通过气味传感器可以准确地判断食品的新鲜程度，为消费者提供可靠的食品质量信息。

2. 环境气味测量

气味传感器在环境气味测量方面也有着广泛的应用。它可以用于管理工作环境，确保员工在舒适、安全的环境中工作。例如，在一些工厂或车间中，可能会产生有害气体或异味，通过气味传感器可以实时监测环境中的气味强度，一旦超过安全标准，即可采取相应的措施进行处理，保障员工的健康。此外，气味传感器还可用于测量除臭设备的有效性。在污水处理厂、垃圾处理场等场所，通常会安装除臭设备，通过气味传感器可以检测除臭设备是否正常运行，以及其除臭效果是否达到预期目标。同时，气味传感器还可监测空气中的有害气体和污染物。随着工业化进程的加快，空气中的有害气体和污染物日益增多，对人类健康和环境造成了严重威胁。气味传感器可以快速检测出空气中的有害气体，如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等，为环境保护和人类健康提供有力的支持。

3. 燃气、火灾等异常监测

气味传感器在燃气、火灾等异常监测领域发挥着重要的安全保障作用。一方面，它可以用于安全管理目的，及时检测出燃气泄漏等危险情况，避免发生爆炸等重大事故。例如，在家庭、工厂、商场等场所安装气味传感器，可以实时监测空气中的燃气浓度，一旦超过安全标准，传感器会立即发出警报，提醒人们采取相应的措施。另一方面，气味传感器在医疗诊断领域也有着广阔的发展前景。目前，正在开发通过检测癌症患者呼出气体成分来检测疾病的传感器。癌症患者的呼出气体中可能含有特定的标志物，通过气味传感器可以检测这些标志物，为癌症的早期诊断提供一种新的方法。此外，气味传感器还可应用于火灾探测。例如，应用于火灾探测的气味分析技术及其算法，通过与 BP 神经网络算法的分析比较，认为 RBF 神经网络算法比 BP 神经网络算法在数据处理方面更加迅速和准确，因此 RBF 神经网络算法在火灾的实时探测方面具有更好的发展潜力，而基于 RBF 神经网络的气味分析技术在火灾探测方面表现出广阔的应用前景。

4. 消费电子产品

气味传感器在消费电子产品领域的应用也越来越广泛。它可以应用在具有口气检测、异味检测功能的消费类电子产品上，为人们的生活带来便利。例如，汉威科技生产的气味传感器适用于各种具有口气检测和异味检测功能的消费类电子产品，同时也可用于智能家电和智慧家居产品。在智能家电领域，气味传感器可以集成到空气净化器、冰箱等产品中，实时监测室内空气的质量，当检测到异味时，自动启动净化功能，为用户提供清新的空气环境。在智慧家居领域，气味传感器可以与智能家居系统连接，实现智能化的环境监测和控制。例如，在智慧城市、智慧公厕等气味检测业务中，气味传感器可以实时监测环境中的气味强度，为城市管理和公共服务提供有力的支持。随着居民对生活质量要求的提高，相信此类传感器未来应用场景会更加广阔。

五、目前最先进的气味传感器技术

1. 中科微感的技术

中科微感的传感器产品由完全国内自主研发生产设计的 MEMS 气体传感器、MEMS 气体传感阵列模组、MEMS 智能气味识别模块和 MEMS 智能气味芯片组成。2022 年，中科微感的单一 MEMS 气体传感器解决了一致性问题，与市场上其他公司的同类产品相比，拥有膜层薄、检测准、尺寸小、温度低、功耗低、预热短、寿命长等优势。
中科微感将神经网络算法从计算机端直接移植到硬件端，并集成主流的 AI 算法，让传感器能够对一些特定的场景进行采集分析，从而解决传统半导体传感器或电化学传感器的干扰性问题。在这个过程中，公司也将持续保持产品的低成本优势。
现阶段，中科微感的单一 MEMS 气体传感器主要面向粮仓、储能等传统市场，并进一步开发玩具、3C、冰箱、空调以及宠物等新应用场景。在智慧医疗领域，去年中科微感通过与中科院某附属医院合作，利用自研的新型电导型 MEMS 气体传感器组成传感器阵列，能够实现对肾脏病情的检测和分析。同时，公司还积极与医院合作，计划今年开展糖尿病、肠胃疾病等疾病无创气味辅助检测的研究。在幽门螺杆菌检测方面，今年中科微感也已通过传感器模组实现了阳性和阴性的快速检测，未来公司会通过与供应链合作，将这项技术以低成本和便携式电子设备的产品形态来推广，无需再依赖贵重的大型医疗设备和专人操作。
目前中科微感的最新一代 MEMS 基气味传感器已经实现量产，硬件产品性能达到国际先进水平，并已进入客户产品验证阶段。同时，公司已与国内多领域龙头企业达成合作意向，部分产品已实现销售，加速进入家居端市场，而面向科研院所的智能仪器检测设备也已经拓展了十余家客户。面向医疗领域，中科微感将与相关医院合作，积极推进并筹建医疗气味数字化实验室。此外，公司还将在今年推出面向储能领域的检测模块。
今年，中科微感将建立气味数字化技术与应用开发平台，面向研究端（如科研院所）和应用端（如医院），通过设立开放课题的方式来加强研发合作，例如围绕气味数字化的材料、软硬件及器械结构式开发等技术，从而构建更丰富和完善的技术与应用平台。
值得一提的是，今年 3 月 30 日，中科微感将在深圳展会上展示由多传感器组成的气味识别模组，实现气体传感器对人鼻的高精准替代，加速推动市场认知。

2. Osmo 的技术

Osmo 在数字嗅觉领域取得重大突破，成功利用人工智能技术实现气味的远程传送。Osmo 公司采用先进传感器捕捉气味，并通过气相色谱质谱仪（GC/MS）进行分析。随后，数据传输至专门设计的分子打印机，该打印机能精确合成与原始气味相匹配的化学物质。
此次技术升级的关键在于 AI 技术的应用，实现了气味传送过程的完全自动化。以往需要人工参与的过程，现在通过 AI 模型即可完成。Osmo 已成功利用这项技术合成了 “新鲜的夏季李子” 气味，标志着其技术的高度成熟和应用潜力。
这项技术为食品、香水行业以及虚拟现实（VR）与增强现实（AR）领域带来了新的可能性。未来，这些行业的生产力将得到极大提升，气味的创造与体验方式或将发生变革。Osmo 的技术在香水制造、食品科学、心理治疗和环境监测等领域具有广泛的应用潜力。此外，结合社交媒体和在线购物，消费者将能远程 “闻” 到产品气味，提升购物体验。

六、气味传感器的发展历程

1. 早期探索

气味传感器的发展最早可追溯到 19 世纪末，当时人们就开始对具有高灵敏度和选择性的化学气敏传感器进行探索。1961 年，Moncrieff 制成了一种机械式的气味检测装置，其可以检测简单气体成分。1964 年，Wilkens 和 Hatman 研制出了世界上第一个 “电子鼻” 系统，其原理是利用气味在电极上的氧化 - 还原反应。次年，Buck 等人利用气味调制电导和 Dravieks 等人利用气味调制接触电位研制了另一种仿生嗅觉装置。1967 年，日本 Figaro 公司率先将金属氧化物半导体气敏传感器商品化。

2. 发展停滞与复苏

由于当时气敏传感器发展技术的限制，不能形成传感器阵列对气味进行检测，使得开展仿生嗅觉技术研究推迟了 20 多年。20 年后，由智能化学传感器阵列系统组成的用于气味分类的电子鼻概念出现在英国 Warwick 大学 Persaud 等人（1982 年）和日本日立公司的 Ikegami（1985 年、1987 年）的文章中。而电子鼻这个术语约在 20 世纪 80 年代晚期出现，当时它被专用于 1987 年的一个会议。随后 1989 年北大西洋公约组织关于化学传感器信息处理的高级专题讨论会则专门针对人工智能嗅觉及其系统设计这个专题。第一次致力于电子鼻的专题会议是在 1990 年进行的。1994 年，英国 Warwick 大学的 Gardner 和 SouthamPton 大学的 Bartlet 使用了 “电子鼻” 这一术语并给出了定义。从此，不仅对电子鼻的性能、标准、设计和相关技术做了广泛的研究，而且相关应用及仪器化也有了一定数量的报道。人工嗅觉技术走向实用最明显的标志是商品化、样机化仪器的出现。目前国外已有人工嗅觉装置，如由法国制造的嗅觉模拟装置 Fox2000，它包含一个由 12 个金属氧化物传感器组成的阵列，其中每个传感器都有特定的性能和用途。

3. 人体气味识别系统的研发

西班牙马德里理工大学的学者正在研究利用人体散发出的特有味道进行身份识别验证。手机和平板正在逐渐告别安全性较低的账户密码时代，转入人体特征身份识别时代。每一个人都有与众不同的气味，根据气味识别出一个人的身份的技术的准确率超过了 85%。
西班牙 Llia 系统公司曾经研发出用于探测人体气味的传感器，可以探测到人体气味中微小的变化要素。马德里理工大学的 “生物识别、生物信号和安全研究小组”，在西班牙一家技术咨询公司 Llia 的帮助之下，正在开发人体气味识别验证系统。研究人员希望利用 Llia 公司研发的传感器，进一步深度开发，从而实现身份识别。未来，这种识别系统，还可以用于机场安检环节或是边境出入境检查。
对于人体气味识别而言，最大的难点是民众是否愿意提供自己的气味特征数据。指纹识别验证技术使用较为普遍，因为指纹数据相对容易获得。在手机和平板上，人体特征验证技术，将会很快淘汰落后的密码验证技术，从而极大提高个人隐私的安全性。