气体传感器及仿生智能嗅觉
气敏反应需要能量的输入，输入的能量可以是热，也可以是光，对应的传感器分别为：热激发传感器和光激发传感器（图1）；这两类气体传感器我们都在研发，其中可见光激发室温柔性气体传感器是我们的特色（图2）。我们将多个传感器集成为传感器阵列，以实现单一器件对多种气体的检测。气体传感器是固态离子学实验室的第三个研究领域，在这一领域，我们具有较大的领先优势。
图1. 热激发传感器阵列芯片和光激发传感器阵列芯片
图2. 在国家自然科学基金的资助下，我们开发了仅在手机屏幕光照射下即可室温工作的透明柔性气体传感器
图2. 在国家自然科学基金的资助下，我们开发了仅在手机屏幕光照射下即可室温工作的透明柔性气体传感器
气体传感器的应用范围很广，在华为的资助下，我们成功研发了可集成于手机的空气质量检测系统（图3）和人体呼吸气体检测系统（通过检测人体呼吸气体来实现某些疾病的预筛查），相关成果有望于近期实现量产，我们与华为的合作还在不断地深入和扩展；在工信部和南方电网的资助下，我们研发了智能手环（图4），其可用于密闭空间的有毒有害气体和易燃易爆气体的监测；在国家重点研发计划项目、宁德时代和南方电网的资助下，我们正在研发电池产气的实时原位监测系统（图5）；在上市公司凯龙高科的资助下，我们正在研发用于发动机尾气检测（重点是柴油发动机尾气）的氮氧化物和氨气传感器（图6）。我们在不断地发掘和扩展气体传感器的应用领域。
图3. 集成于手机的空气质量检测芯片，人们可用手机随时随地检测所处空间的空气质量
图4. 智能手环，其具有以下功能：有毒有害气体检测报警、心率及血氧检测、北斗定位、数据通讯，应用场景有：电力通信、石油化工、冶金、污水处理厂、家居等
图5. 在电池内安装气体传感器模块，对电池产气的气体和浓度进行原位实时监测，并根据气体浓度值与参考值的比较来确定电池故障级别，从而及时预警
图6. 一体化的氮氧化物和氨气传感器
与类脑芯片相结合的气体传感器阵列可以模拟人的嗅觉，帮助人类进行复杂的气氛分析和气味识别。我们研发了一种“感存算一体化”的仿生智能嗅觉系统（图7），该系统由传感器阵列、基于忆阻器的仿生神经元以及仿生突触组成，可以模仿生物嗅觉系统的工作方式，其完全工作在模拟域中，避免了频繁的数据转换与传输，使得人工智能感知系统更加高效。该仿生嗅觉系统展现出了强大的鲁棒性和泛化能力，能够完全识别4种待测挥发性有机化合物（甲醛、乙醇、丙酮和甲苯）。仅采用24个气体训练样本训练该网络，就能够完全识别4种气体的64个测试样本。尽管传感器在获得信号的时候，基线值存在漂移并且受到环境噪声的影响，该脉冲神经网络依然获得了完美的识别结果。采用这样架构的“感存算一体化”的仿生嗅觉系统可高效地完成对不同气体的检测与识别。由于采用事件驱使的脉冲神经网络，因此，该系统具备低功耗的特点，可以集成到终端系统之中。仿生智能嗅觉可用于：智能家居、环境监测、疾病检测、食品腐败监测、室内空气质量监测、战场有毒、有害气体检测等。
图7. 仿生智能嗅觉系统：气体传感器感知环境中的气体分子，并将气体分子的化学信息转变为模拟型电信号；传感信号由模拟信号处理单元作进一步处理，该单元主要包含气体传感器基线动态校准电路以及运算放大电路；经过预处理的传感信号传输至类脑芯片的神经元-突触核心中完成气体/气味识别的任务。
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