将片上程序升温脱附式MEMS气体传感器集成到U盘式检测终端，形成便携式U盘酒驾检测仪。该检测仪的电源模块使用Type-C口连接外部电源为整体供电，MCU调控各个模块稳定运行，温度控制模块控制叠层式传感器中吸脱附膜与气敏膜的温度，使用温度调控技术实现高选择性。检测仪可以使用USB串口通讯与蓝牙无线通讯，使用多种通讯方式的目的是能够以多种方式调控U盘终端，将数字信号以字符串或图表的方式可视化，能够更加直观的观察当前传感器工作状态与功能测试异常情况，同时也方便后期维护。U盘检测仪的实物图如图所示。App与器件之间的交互流程：手机App通过蓝牙与器件相连接，MEMS传感器产生信号后，单片机控制各个模块将信号进行处理，发送给手机App。手机App则与用户进行直接交互，控制U盘检测终端的功能启停。在测试过程中，手机界面出现弹窗为用户提供使用说明，同时会播报语音提示用户测试进程。

                                     图  U盘式酒驾检测仪的硬件设计及实物

        App使用流程及检测仪整体实物图如下图所示，终端分为外壳与PCB板两部分，使用Type-C接口为各个模块进行供电，通过蓝牙模块与手机进行通信。为了提高便携性，终端设计非常小巧，器件尺寸为43*25*10 mm，比市面上的酒精检测器要小得多，能够方便的装在口袋或手提包中。

图 U盘式酒驾检测仪的App使用流程图及整体实物图

        下图为App界面及人体呼气实测示意图，检测流程及信号处理方式同前节，手机与器件通过蓝牙进行连接后开始接收数据，将数据进行解包后使用滚动折线图实时显示当前传感器温度及传感器电阻。点击“开始测试”按钮后器件开始检测，检测结果将显示在App界面下方，结果单位默认为mg/100 ml（血液浓度单位），点击选择“气体浓度”和“血液浓度”选项能够进行单位转换。

                                                                  图 U盘式酒驾检测仪的App界面及呼气测试示意图

        相对于常规MOS气体传感器的相对零点（无目标气体时的电阻值），基于片上程序升温脱附式气体传感器具有更稳定的零点。下图为传感元件的电阻与乙醇浓度的关系，当乙醇浓度为零时，其电阻为R空气，即基准电阻值，是个相对的零点，与材料的特性、环境因素、老化效应等有密切关联。图（b）为连续四天内于空气环境下记录的传感元件电阻，显然基准电阻受环境影响素的影响非常大，将其带入图（a）中的拟合曲线，计算得出四天内传感元件在空气下输出的乙醇浓度非常大（19.10 ppm），相关数据值如表所示。

表 四天内传感器的空气电阻及空气下的脱附峰位高度对应输出的乙醇浓度

图 传感器的零点稳定性：（a）传感元件对不同浓度乙醇的电阻响应，（b）传感元件在四天内的空气电阻值，

（c）传感器对不同浓度乙醇的脱附峰位高度，（d）四天内空气下的脱附峰位高度

通过测试1000次传感器对40 ppm乙醇的响应来评估重复性，六周内每周测试一次传感器对40 ppm乙醇的响应来评估长期稳定性，结果如下图（a）和（b）所示。传感器在第1次和第1000次以及第一周和第六周对乙醇的脱附峰位高度及峰位对应的特征温度记录在下表中，最大偏差分别为5.6%和2.2%，表明基于片上程序升温脱附式的气体传感器具有优异的可重复性及长期稳定性。

图 感器对40 ppm的重复性和长期稳定性：（a）重复性，（b）长期稳定性

表 传感器对40 ppm的脱附峰位高度及偏差

    下面考察U盘式检测仪的实测性能，为了更好地体现传感器的实测能力，采购了一款商用酒驾检测仪（中安检测，ZM-2100）进行测试对比，包括酒后检测的灵敏度对比，以及抽烟的烟气干扰对比。

        下图为U盘式酒驾检测仪与商用产品的酒后实测数据（纵坐标为换算后对的血液中乙醇浓度），样本一至六为不同人员，分别饮1000~2500 ml啤酒（雪花：勇闯天涯），以及50~250 ml白酒（二十年白云边，兼香型），测试起点为饮酒1 h后，以尽可能确保乙醇进入血液。如图（a，b）和（d，e），无论是饮白酒还是啤酒，商用酒驾检测仪对样本人员的吹气检测结果几乎均显示为0 mg/100 ml，仅对样本二在酒后2 h内的呼气中检测出乙醇。而U盘式检测仪对不同检测样本均显示出一定的血液酒精浓度，且随着时间的推移逐渐降低，表明样本人员体内酒精被逐渐代谢，对于样本三和样本六，两种检测仪输出的值相当，如图（c）和（f）。表明商用检测仪可能对于低浓度酒精环境设置了屏蔽效应，如当检测结果小于10 mg/100 ml时显示值为零，猜测目的是为了屏蔽小分子等气体的干扰。

图  U盘式酒驾检测仪与商用产品对不同饮酒量人员样本的实测数据

（a）饮1000 ml啤酒，（b）饮2000 ml啤酒，（c）饮2500 ml啤酒

（d）饮50 ml白酒，（e）饮150 ml白酒，（f）饮250 ml白酒

 下图为烟气抗干扰的对比实验及结果，首先将两款检测仪按照标准调试至待测状态，随后样本人员（未食任何含酒精的食物）分别对其进行吹烟气测试。商用检测仪在吹烟后显示酒驾（血液浓度标记为34 mg/100 ml），而U盘式检测仪显示未饮酒（血液浓度标记为0 mg/100 ml）。从App界面的原始电阻响应曲线可以看出，饮酒后吹气时传感器出现明显的脱附峰位信号，而未饮酒仅吹烟时传感器未出现该信号。虽然在吹气阶段传感器出现了电阻响应，这是由于烟气可部分穿过吸脱附元件扩散至传感元件从而造成响应。而程序升温脱附阶段无脱附信号产生，说明在该温度调制参数下，吸脱附元件几乎不吸附烟气。以上结果表明，相较于商用酒驾检测仪，所开发的U盘式检测仪表现出极具竞争力的乙醇高选择性检出能力。

图  U盘式酒驾检测仪与商用产品的抗烟气对比