Мультисенсорное устройство для распознавания и/или обнаружения запахов типа "электронный нос"

 

Полезная модель относится к области аналитической химии и может быть использована для создания быстродействующих переносных портативных приборов для обнаружения и/или идентификации химических веществ по их запаху в воздухе. Технической задачей предлагаемого решения является повышение чувствительности, селективности и стабильности работы заявляемого устройства. Кроме того, задачей полезной модели является которые могут быть использованы для обнаружения и/или идентификации запахов. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств, путем создания нового типа устройства для высокоэффективного распознавания и/или обнаружения запахов различных веществ, в т.ч. в составе разлияных смесей. Предложено мультисенсорное устройство для распознавания и/или обнаружения запахов типа «Электронный нос», основанное на реакции сенсоров, выраженной в изменении их физических параметров, содержащее аспирационный насос, пневматический коммутатор, фильтр и сенсорный блок, пневматически связанные друг с другом, а также блок регистрации и управления, включающий программное обеспечение для распознавания образов, причем сенсорный блок содержит по крайней мере два сенсора, состоящих из отличающихся друг от друга по чувствительности и селективности полимерных полупроводящих тонкопленочных материалов, при этом для определения реакции сенсоров на запахи используется измерение электропроводности на постоянном токе и/или диэлектрических характеристик сенсоров, а именно электрической емкости и/или диэлектрических потерь. В состав сенсорного блока входят тонкопленочные сенсоры, выполненные из нанопористых полупроводящих полимерных материалов, а также он может содержать нагреватель для регенерации чувствительного материала сенсоров.

Полезная модель относится к области аналитической химии и может быть использована для создания быстродействующих переносных портативных приборов для обнаружения и/или идентификации химических веществ в воздухе.

Необходимость диагностики заболеваний по выдыхаемому воздуху, контроля вредных выбросов на промышленных предприятиях, проверки свежести продуктов питания, сверхраннего обнаружения пожара по запаху летучих веществ, образующихся на стадии нагрева изоляции электрооборудования, задачи экологического мониторинга, задачи ориентации роботов в пространстве и многие другие задачи требуют развития техники обнаружения и/или распознавания запахов веществ. Возросшая угроза терроризма в мире заставляет совершенствовать технические средства обнаружения и измерения концентраций опасных веществ в газовых средах. При этом очень важными являются чувствительность, селективность, стабильность, быстродействие, портативность и низкая стоимость этих средств.

Известно множество различных химических сенсоров с достаточно высокими значениями чувствительности и селективности к различным газам. Для обнаружения и измерения концентрации в воздухе различных газов в технических средствах успешно реализуется принцип «один газ - один сенсор». Как правило, для решения таких задач используются полупроводниковые химические сенсоры, состоящие из оксидов металлов. Однако задача обнаружения и/или идентификации запахов, вообще говоря, не может быть сведена к принципу «один запах - один сенсор», что связано, с одной стороны, со сложностью химического состава компонентов смеси, составляющих запах одного объекта, и с недостаточной изученностью механизма восприятия запахов, а именно механизма трансформации воздействия в электрический сигнал в обонятельном эпителии животных и человека. С другой стороны, количество веществ, из которых изготавливаются сенсоры, несопоставимо меньше, чем количество запахов в окружающем мире. В частности, обычный человек способен различать до 2 тыс. запахов, а специалист-парфюмер способен различать до 10 тыс. запахов. Для решения задачи обнаружения и идентификации запахов в технике реализуется принцип мультисенсорного анализа: «один запах - один отклик набора различных сенсоров». Сенсоры, используемые в мультисенсорном анализе могут быть основаны на измерении: проводимости, прироста массы, характеристик поверхностных акустических волн, оптических параметров. Измерение проводимости наиболее просто технически реализуемо, и основными материалами для решения практических задач в этом случае являются металлооксидные сенсоры и полимерные проводящие сенсоры. Принцип действия металлооксидных сенсоров основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников на основе оксидов олова, цинка, титана, вольфрама, индия, легированных металлами с каталитическими свойствами (палладий, платина) при повышенной температуре (200-400°С) в присутствии анализируемых газов. В качестве активных материалов сенсоров проводимости также используются проводящие полимеры типа полипирролов, тиофенолов, индолов, анилинов или фуранов. При экспонировании таких полимеров в парах веществ в результате адсорбции могут образовываться различные типы связей, меняющие природу электронных уровней, что отражается на эффективности переноса электрона по полимерной цепи и приводит к изменению проводимости полимера.

Известны устройства, использующие мультисенсорный принцип анализа, состоящий в том, что в качестве характеристических признаков запаха вещества используется уникальный отклик массива сенсоров, обладающих различной чувствительностью к данному веществу:

1. Патент РФ 2341789 «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО МУЛЬТИСЕНСОРНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПРИОРИТЕТНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА»,

2. Патент РФ на ПМ 66057 «ХИМИЧЕСКИЙ МУЛЬТИСЕНСОР ДЛЯ АНАЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВОЗДУШНЫХ СРЕД»,

3. Патент РФ на ПМ 51849 «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ЧЕЛОВЕКА ПО ВЫДЫХАЕМОМУ ВОЗДУХУ»,

4. Журнал «Сенсор», 2004, 2, с.29-34, 3, с.41-50 и др.

Недостатком известных устройств является сравнительно низкая чувствительность и селективность мультисенсорных систем регистрации запахов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для мультисенсорного распознавания и/или обнаружения запахов типа «Электронный нос» является мультисенсорное устройство, описанное в патенте Патент РФ 2392614 «СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВХОДЯЩИХ В НЕЕ КОМПОНЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» - (прототип).

Устройство включает мультиэлектродный сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с нагревательными элементами и нанесенным на поверхность подложки газочувствительным металлооксидным слоем, полосковые электроды, расположенные по краям газочувствительного слоя и, по крайней мере, один измерительный электрод, размещенный между полосковыми электродами. При этом полосковые электроды снабжены выводами для подключения к источнику напряжения, а измерительные электроды снабжены выводами для подключения к устройству измерения потенциала. Изобретение обеспечивает возможность распознавания примесей газов, особенно в малых концентрациях, и формирование с помощью групповых технологий микроэлектроники сенсорных устройств на основе металлооксидных слоев с минимизированным влиянием электродов и/или материала электродов, характеризующихся малыми массогабаритными характеристиками и низким энергопотреблением.

Недостатком известного устройства является долговременная нестабильность характеристик сенсоров, вызванная необходимостью нагрева газочувствительного слоя до 400 град.С в процессе работы. При длительном нагреве чувствительный элемент отравляется присутствующими в анализируемом воздухе примесями активных веществ и снижает свои газочувствительные свойства.

Технической задачей полезной модели является повышение чувствительности, селективности и стабильности работы заявляемого устройства. Кроме того, задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств, которые могут быть использованы для обнаружения и/или идентификации запахов.

Техническим результатом является создание прибора, работающего на основе заявленного устройства для высокоэффективного распознавания и/или обнаружения запахов различных веществ, в т.ч. в составе их смесей.

Поставленная задача решается тем, что для регистрации сенсорного сигнала используется не только измерение изменения сопротивления полимерного чувствительного слоя под воздействием запаха веществ, но также и/или измерение диэлектрических характеристик сенсоров, таких как емкость и диэлектрические потери под воздействием запахов различных веществ. Такое комбинированное решение задачи измерения отклика сенсоров на запах веществ позволяет увеличить число информативных признаков сенсорного массива заданной размерности, что приводит к повышению селективности устройства. Измерение двух различных характеристик каждого сенсора в ходе работы приводит к эффективному удвоению размерности массива сенсоров. То есть при использовании предложенной комбинированной регистрации отклика сенсоров можно снизить размерность массива сенсоров, то есть уменьшить количество сенсоров, входящих в устройство, и соответственно, снизить стоимость устройства без ухудшения его характеристик.

Повышение чувствительности заявляемого устройства достигается за счет использования нанопористых материалов в качестве чувствительного слоя. Повышение чувствительности достигается в этом случае за счет повышения удельной поверхности чувствительного слоя сенсоров. При этом происходит увеличение количества адсорбированных молекул на поверхности чувствительного слоя, и возрастание отклика сенсора на внешнее воздействие. С уменьшением размера пор чувствительность устройства возрастает. Существенно при этом наличие открытой пористости нанопористого материала.

Кроме того, повышение чувствительности устройства достигается путем нагревания сенсорного блока при пропускании через него очищенного с помощью фильтра воздуха для улучшения регенерации сенсорной матрицы. Нагревание приводит к удалению адсорбированных на материале внутренней части корпуса сенсорного блока веществ. Эти вещества, включая аэрозольные частицы, попадают на поверхность сенсоров и внутренние части сенсорного блока во время прокачки анализируемой воздушной пробы. Присутствие этих веществ увеличивает флуктуации полезного сигнала. Удаление этих веществ при нагревании стенок сенсорного блока приводит к снижению флуктуаций полезного сигнала, и увеличению, соответственно, отношения сигнал/шум, и таким образом, повышает чувствительность устройства.

Решение задачи повышения долговременной стабильности полимерных резистивных сенсоров достигается за счет работы сенсоров при комнатной температуре. При этом не происходит термоокислительной деградации чувствительного слоя.

На фигуре показана схема заявляемого мультисенсорного устройства типа «Электронный нос», где:

1 - аспирационный насос, 2 - фильтр, 3 - пневматический коммутатор, 4 - сенсорный блок, 5 - блок регистрации и управления

Мультисенсорное устройство типа «Электронный нос» включает в себя систему пробоотбора для доставки газовой пробы из анализируемого воздушного объема к сенсорной матрице. В систему пробоотбора входит система регенерации, предназначенная для восстановления работоспособности сенсорной матрицы после воздействия на нее активных компонентов воздушной среды. В систему регенерации входит фильтр и пневматический коммутатор, который периодически, по команде, приходящей из блока управления и регистрации, переключает поток анализируемого воздуха, поступающий на вход сенсорного блока, пропуская его через фильтр, таким образом очищая его. Мультисенсорное устройство включает в себя также матрицу высокочувствительных полупроводниковых сенсоров - анализаторов состава газовой фазы. Сенсоры в матрице различаются по чувствительности и селективности, число их может колебаться от 2 до нескольких десятков в зависимости от назначения и технических возможностей обработки сигнала. В качестве чувствительных элементов в мультисенсорном устройстве применяются полимерные нанокомпозиты и наноструктурированные материалы, которые по-разному меняют свою электропроводность и/или диэлектрические характеристики, такие, как емкость и диэлектрические потери, под воздействием запахов различных веществ.

Устройство работает следующим образом:

Включают устройство путем включения аспирационного насоса 1 и блока управления и регистрации 5. В начальном состоянии пневматический коммутатор 3 находится в положении, соответствующем пропусканию окружающего воздуха через фильтр 2. Производится запись начального состояния электропроводности и/или диэлектрических характеристик сенсоров. Для распознавания веществ производится "обучение" прибора, т.е. запись отклика сенсорного массива, расположенного в сенсорном блоке 4, при прокачке через него газа, содержащего только пары индивидуального вещества. Для этого пневматический коммутатор 3 периодически пневматически соединяет вход мультисенсорного устройства с источником известного запаха. При последовательной прокачке через устройство паров различных веществ, формируется библиотека откликов, которая хранится в памяти вычислительного устройства, входящего в состав блока регистрации и управления 5. Распознавание запаха производится путем сравнения отклика от анализируемого потока воздуха с откликами от конкретных веществ, имеющихся в библиотеке откликов. В случае, когда найден похожий отклик, устройство выдает сигнал о наличии в анализируемом потоке воздуха, проходящего через устройство, запаха данного вещества. Для этого в состав системы входит программное обеспечение для распознавания образов.

Примером реализации заявляемого устройства служит 4-х сенсорный модуль, включающий сенсоры с чувствительным слоем, состоящим из пленки полипараксилилена толщиной 1 мкм с внедренными в нее наночастицами оксидов олова и титана с различной концентрацией. Чувствительный слой нанесен методом вакуумной соконденсации на подложку из ситалла толщиной 0.5 мм с нанесенной на нее встречно-штырьевой системой электродов, выполненных из никеля, причем и зазор между электродами и ширина электродов составляет 15 мкм. Размер встречно-штырьевой системы электродов составляет 4×4 мм. Сенсоры установлены внутри фторопластового корпуса, причем металлические проводники, припаянные к сенсорам, пропущены через стенку корпуса и с помощью пайки присоединены к печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, закрепленной снаружи корпуса. Блок регистрации включает аналого-цифровой преобразователь, подключенный к персональному компьютеру. Измерение электропроводности проводилось при подаче на каждый сенсор постоянного напряжения 9 В. Регистрация диэлектрических характеристик проводилась с помощью измерителя иммитанса. Измерение емкости проводилось на частоте 1 кГц.

Проверка работоспособности устройства осуществлялась с помощью измерения отклика устройства на пары тестовых жидкостей - этанола и метанола. Для этого трубка, присоединенная ко входу устройства, подносилась к открытой пробирке, содержащей 5 мл жидкости. Запись отклика проводилась в течение 10 секунд, затем в течение 3-х минут проводилась регенерация сенсорной матрицы. Результат измерения представляется в нормированном виде путем деления электропроводности сенсора, измеренной в присутствии паров жидкости i, на электропроводность сенсора во время регенерации 0i, где i=1, 2, 3, 4 - номера сенсора. Аналогично в нормированном виде представляется результат измерения электрической емкости: Ci/C0i. Полученные значения i/0i для паров этанола: 1,3:2,5:3,4:1,1 (для i=1, 2, 3, 4). Полученные значения i/0i для паров метанола: 0,9:0,7:0,45:0,95 (для i=1, 2, 3, 4). Полученные значения Ci0i для паров этанола: 1,1:1,25:1,21:1,1 (для i=1, 2, 3, 4). Полученные значения Сi0i для паров метанола: 1,23:1,21:1,14:1,1 (для i=1, 2, 3, 4). Полученные значения откликов сенсоров на пары этанола и метанола заметно отличаются друг от друга и говорят о том, что возможна идентификация этих веществ как по значениям электропроводности сенсоров, измеренной на постоянном токе, так и по значениям электрической емкости.

Таким образом, предложено мультисенсорное устройство для распознавания и/или обнаружения запахов типа «Электронный нос», которое, благодаря использованию комбинированного метода регистрации электропроводности на постоянном токе и/или диэлектрических характеристик сенсоров, а также использованию нанопористых материалов для сенсоров и возможности регенерации чувствительного материала сенсоров за счет нагрева обеспечивает высокую чувствительность, селективность и стабильность при обнаружении и/или идентификации химических веществ по их запаху в воздухе.

1. Мультисенсорное устройство для распознавания и/или обнаружения запахов типа «Электронный нос», основанное на реакции сенсоров, выраженной в изменении их физических параметров, содержащее аспирационный насос, пневматический коммутатор, фильтр и сенсорный блок, пневматически связанные друг с другом, а также блок регистрации и управления, включающий программное обеспечение для распознавания образов, причем сенсорный блок содержит по крайней мере два сенсора, состоящих из отличающихся друг от друга по чувствительности и селективности полимерных полупроводящих тонкопленочных материалов, отличающееся тем, что для определения реакции сенсоров на запахи используется измерение электропроводности на постоянном токе и/или диэлектрических характеристик сенсоров, а именно электрической емкости и/или диэлектрических потерь.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в состав сенсорного блока входят тонкопленочные сенсоры, выполненные из нанопористых полупроводящих полимерных материалов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сенсорный блок включает нагреватель для регенерации чувствительного материала сенсоров.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам медицинской и бытовой техники, в частности к устройствам для получения аэроионов

Железнодорожные композитные полимерные шпалы относятся к верхнему строению железнодорожного пути, предназначеного служить опорой рельсов, являются основанием для деталей рельсового скрепления, воспринимают от рельсов и скреплений эксплуатационные усилия и передают их на балластный слой и могут найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе, высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности, к выполнению работ по созданию инновационных продуктов в процессе проведения научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ

Техническим результатом работы полезной модели является обеспечение возможности защиты областей топологии кристалла, содержащих конфиденциальные данные от обратного проектирования, путем механического разрушения именно того участка топологии, который содержит конфиденциальную информацию
Наверх