波动增强传感(FES)是一种非常强大的气味和气体传感技术，因此，它可以在控制环境的同时，并在保护健康方面发挥着重要作用。 为此，研究人员对FES技术的最新进展进行了全面的调查，突出潜力和局限性。特别是，研究人员解决了分辨率，测量速度，可重复性，内存，噪声以及其他问题，例如湿度的影响。为了克服这些问题，他们提出了许多技术和指南，还讨论了其解决方案。

 相关论文以题为“     Fluctuation-Enhanced Sensing (FES): A Promising Sensing Technique    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 世界各地都在积极研究空气污染问题。 由于其对健康和全球经济的影响，空气污染是最受关注的问题，尤其是在现代城市中，而且也是脆弱和高度敏感的生态系统，这些生态系统越来越受到城市逆风地区和工业活动的影响。由于人口密度的增加，随之而来的交通工具的增加和全球变暖的加剧，导致气候突变，空气污染已经达到危险的水平。因此，迫切需要监测和控制污染，以保护人类、动物健康和植物生命。努力已经由环境保护机构和政府减少空气污染的影响在社区和最近的进步领域的无线通信技术和数字电子技术引起了空气污染监测的新范式,利用通信和移动的进展。

然而，空气污染问题不仅涉及室外空气;事实上，室内环境污染对健康来说可能比前者更危险。事实上，室内空气中可能含有各种挥发性有机化合物(VOC)，如果暴露在这些化合物中，可能会导致黏液刺激、神经毒性效应和非特异性反应。目前正在开发若干监测技术来研究室内环境，例如气体分布图(GDM)，它可以用来评价环境控制系统的效率和确定污染源。显然，传感器的质量在灵敏度、选择性和快速响应方面起着根本性的作用。经典Taguchi 型半导体气体传感器的工作原理是通过被测气体吸附在传感器表面来改变其电阻，这是一种低成本的解决方案。

 波动增强传感

 波动增强传感(FES)的概念和发展源于对物理系统中微观、随机波动现象的观测，即使在传感领域也是丰富的信息来源。 物理和化学传感技术通常涉及在探测器/传感器中物理量的值的测量。FES最初是为化学和气体传感而提出和发展的，与传统传感方法不同的是，它利用了感觉体改变神经输出的统计数据(脉冲噪声)这一事实，从而以一种完全类似于生物传感的方式工作。重要的是要强调，在FES中，噪声携带着感觉有用的信息。需要注意的是，在过去，FES被用于测量一些物理量，但现有的知识和技术使该技术的应用有些复杂。

 例如，通过测量电阻的约翰逊噪声电压，就可以估计出温度。

图1显示了常用的约翰逊电压噪声测温的原理(图1b)，与传统电阻测温(图1a)和FES(图1b和1c结合)的应用进行了比较。为了用传统电阻器测量温度，必须知道电阻随温度R(T)的变化规律，此外，为了测量电阻的实际值，还需要直流偏置电流。然而，这个电流加热电阻，从而导致T的测量误差。尽管对于传统的约翰逊噪声测温不需要R(T)函数，但是测量电阻R的问题仍然存在，除非它的值与温度无关。

 图1.(一)电阻温度计;R(T)函数和R值必须是已知的，偏置直流电流I，不可避免地加热温度计导致错误;(b)常用的约翰逊噪声测温:SU是电阻上电压波动的功率谱密度，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。与电阻温度计不同，R(T)函数是不需要的，但电阻值R必须是已知的;(c) fluctuation-enhanced绝对温度测量基于约翰逊噪声和第一原则:约翰逊噪声电压和电流测量电路(b和c)。两者的结合测量提供了绝对温度T和电阻r .没有加热发生和初步知识需精确的电流和电压噪声测量系统是可用的。

但是，如果将电压噪声(b)和电流噪声(c)的测量结合起来，研究人员就可以根据约翰逊噪声和第一原理得到绝对测温，这可以看作是FES强大的证据。实际上，当测量约翰逊电压噪声和电流噪声时，研究人员得到两个独立的方程。这样一个系统的解允许导出绝对温度T和电阻R:

式中Su、Si分别为电压、电流波动的功率谱密度PSD, k为玻尔兹曼常数。与其他测量方法相比，必须强调的是，在这种情况下不发生加热，只需要精确的电流和电压测量。这种考虑还表明，无论FES是否简单或便宜，它都是一个非常强大的工具。

 在本文中，研究人员重点关注增强的气体和气味的波动感知，这是当前环境控制和保护健康的一个非常有兴趣的话题。 为了理解将FES作为气体传感技术的原理和原因，让研究人员从观察开始，经典气体传感方法的灵敏度比研究人员在自然界中最好的气体传感系统——狗鼻子(甚至人类的鼻子)——低很多数量级。因此，作为第一步，了解生物鼻子是如何工作的是基本的。生物鼻的工作原理如图2所示。它们含有大量的嗅觉神经元，可以向大脑传递随机的电压峰值。当气味分子被大量神经元吸附时，这些随机尖峰的统计特性就会发生变化。大脑解码统计数据的变化，并将结果与记忆中的气味数据库相匹配。

 图2.生物鼻子波动增强气味感知的工作模式。

 波动增强气体传感的历史概述

大多数化学传感器产生单一输出，例如，Taguchi 传感器的电阻的稳态值，或MOS传感器的稳态电流值。为了根据不同的化学成分生成单独的图案，如电子鼻，需要大量(6-40)不同类型的传感器，这使得该系统在实际应用中昂贵且不可靠。另一方面,fluctuation-enhanced传感(菲斯),如图3所示,通过分析波动而不是直流值,甚至能够从一个传感器产生复杂的模式,这代表了一个很大的优势对其他更传统的传感技术。

 图3.波动增强化学传感原理图。

 结论

 研究人员强调了传统的气体和气味传感技术存在的问题和局限性，并讨论了其发展历史，说明了波动增强传感技术作为一种有效和强大的替代技术。 他们提出了应用FES需要解决的主要实际问题，并提出了可能的解决方案。关于FES的大量文献表明，FES平台已经足够成熟，可以离开基础研究和原型阶段，加入商业传感器系统的研发。研究人员相信，低噪声电子产品的发展将发挥重要作用，能够实现足够低水平的背景噪声。此外，虽然在固定条件下(实验室或室内环境)，相对简单的测量系统可以获得优异的性能，但多功能和可靠的电子鼻的发展需要大量的研发阶段。主要的问题是操作模式、材料的选择、结构(包括接触方法)、灵敏度、选择性、电路、计算能力和能量耗散、便携性和联网。