Ultralow-Power Single-Sensor-Based E-Nose System Powered by Duty Cycling and Deep Learning for Real-Time Gas Identification

电子鼻 占空比 材料科学 温度循环 动力循环 计算机科学 功率(物理) 汽车工程 电压 电气工程 纳米技术 工程类 热的 可靠性(半导体) 气象学 物理 量子力学
作者
Taejung Kim,Yonggi Kim,Wootaek Cho,Jong-Hyun Kwak,Jeonghoon Cho,Youjang Pyeon,Jae Joon Kim,Heungjoo Shin
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:9 (7): 3557-3572 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acssensors.4c00471
摘要

This study presents a novel, ultralow-power single-sensor-based electronic nose (e-nose) system for real-time gas identification, distinguishing itself from conventional sensor-array-based e-nose systems, whose power consumption and cost increase with the number of sensors. Our system employs a single metal oxide semiconductor (MOS) sensor built on a suspended 1D nanoheater, driven by duty cycling─characterized by repeated pulsed power inputs. The sensor's ultrafast thermal response, enabled by its small size, effectively decouples the effects of temperature and surface charge exchange on the MOS nanomaterial's conductivity. This provides distinct sensing signals that alternate between responses coupled with and decoupled from the thermally enhanced conductivity, all within a single time domain during duty cycling. The magnitude and ratio of these dual responses vary depending on the gas type and concentration, facilitating the early stage gas identification of five gas types within 30 s via a convolutional neural network (classification accuracy = 93.9%, concentration regression error = 19.8%). Additionally, the duty-cycling mode significantly reduces power consumption by up to 90%, lowering it to 160 μW to heat the sensor to 250 °C. Manufactured using only wafer-level batch microfabrication processes, this innovative e-nose system promises the facile implementation of battery-driven, long-term, and cost-effective IoT monitoring systems.
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