一文读懂纳米传感器(摘自“传感器技术”)

2018-08-07 18:22:48 66

当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性,为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。


利用纳米技术制作的传感器,尺寸减小、精度提高、性能大大改善,纳米传感器是站在原子尺度上,从而极大地丰富了传感器的理论,推动了传感器的制作水平,拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展。 



纳米传感器

 



纳米是一个长度单位,1纳米是1米的10亿分之一,相当于一根头发直径的8万分之一。纳米科技是指在0.1~100纳米尺度上研究物质的特性、相互作用以及利用这种特性开发相关产品的一门科学技术。


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纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能,是利用电子的波动性来工作的。研究和开发纳米技术的目的,就是要实现对整个微观世界的有效控制。


纳米传感器即是形状大小或者灵敏度达到纳米级,或者传感器与待检测物质或物体之间的相互作用距离是纳米级的。



 

纳米传感器的种类

 



纳米技术传感器主要包括纳米化学和生物传感器、纳米气敏传感器和其他类型的纳米传感器(压力、温度和流量等)



 

纳米化学和生物传感器


纳米技术引入化学和生物传感器领域后,提高了化学和生物传感器的检测性能,并促发了新型的化学和生物传感器。因为具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统,该种传感器的化学和物理性质和其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高,检测的反应时间也得以缩短,并且可以实现高通量的实时检测分析。


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利用纳米材料制成极为灵敏的生物和化学传感器,可以对癌症、心血管疾病等进行早期诊断;利用碳纳米管和其他纳米微结构的化学传感器能够检测氨、氧化氮、过氧化氢、碳氢化合物、挥发性有机化合物以及其他气体,与具有相同功能的其他分析仪相比,它不仅尺寸要小而且价格也便宜。


在纳米生物传感器中,按照材料的不同结构,有纳米颗粒、纳米线、多孔纳米结构和纳米光纤及纳米级微加工器件都获得了成功的应用。



 

纳米气敏传感器


气敏传感器上和敏感气体接触的表面附着了一层纳米涂层作为敏感材料,用于改善传感器的灵敏度和性能。


用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。


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纳米气敏传感器的研究中,主要方向之一是在气体环境中依靠敏感材料的电导发生变化来制作气敏传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒(例如Pt和Pd) ,大大增强了选择性,提高了灵敏度,降低了工作温度。


纳米气体传感器另一个主要方向是用多壁碳纳米管制作气敏传感器。碳纳米管独特的性质及制备工艺得到了广泛的研究,而多壁碳纳米管具有一定的吸附特性,由于吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用,改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变,通过检测其电阻变化来检测气体成分,可用作气敏传感器。



 

其他类型纳米传感器


(1)电阻应变式纳米压力传感器,这种电阻应变式纳米膜压力传感器,测量精度和灵敏度高、体积小、重量轻、安装维护方便,可稳定和可靠的测量压力参数。


(2)利用一些纳米材料的巨磁阻效应,已经研制出了各种纳米磁敏传感器


(3)在光纤传感器基础上发展起来的纳米光纤生物传感器,不但具有光纤传感器的优点,而且由于这种传感器的尺寸只取决于探针的大小,大大减小了测微传感器的体积,响应时间大大缩短,满足了测量要求实现的微创实时动态测量。



 

纳米传感器的特点

 



与传统的传感器相比,纳米传感器由于可以在原子和分子尺度上进行操作,充分利用了纳米材料的反应活性、拉曼光谱效应、催化效率、导电性、强度、硬度、韧性、超强可塑性和超顺磁性等特有性质,因而具有许多显著特点:




 

灵敏度高。


用于探测有毒气体的碳纳米管传感器,利用纳米晶或多孔纳米材料可以增加与毒性气体分子接触的表面积,其灵敏度可以增加几倍。若利用氧化锡、氧化锑、氧化锌的纳米颗粒做成传感器,灵敏度也将大为提高。 研究人员运用碳纳米管与纳米薄膜技术,研制出具有高灵敏度、高稳定性的柔性可穿戴仿生触觉传感器——人造仿生电子皮肤,可对人体不同生理状态进行准确检测和疾病前期诊断。



 

功耗小。


随着微机电技术和微纳材料技术的发展,使得纳米传感器向着超微型化、智能化方向迅速发展,纳米级机器人传感器已经可以通过血液注入的方式进入人体,对人体的生理参数进行实时监测,并有望对于癌变细胞、致病基因进行靶向精确治疗。与传统传感器相比,纳米传感器还可具有自供电能力、从环境中收集光辐射和电磁辐射能量的能力。



 

成本低。


随着纳米材料制备技术的成熟,制造过程的可重复性和批量化生产已不存在太大的问题,纳米传感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化节点的纳米传感器进行大量布撒,可以形成无线纳米传感器网络,这一优势可以使纳米传感器的探测能力大大扩展,为气候监测与环境保护等领域带来革命性的变化。



 

多功能集成。


传统的传感器一般为具有单一功能的传感器,纳米传感器则可以将成千上万的具有不同功能的纳米传感器组成的阵列加工在一个小微型化芯片上,使其具有多功能探测与分析能力,并具有越来越强大的数据处理、存储与分析的能力,若与互联网相连接,还将具备数据远程分析处理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分简便。



纳米传感器的这些特点将使其在构建各类物联网的进程中拥有可观的发展前景和巨大的应用潜力,纳米传感器技术也有望成为推动世界范围内新一轮科技革命、产业革命和军事革命的“颠覆性”技术。




 

纳米传感器的应用领域

 



 

1、在医疗、生物领域的应用


利用纳米技术制成的传感器,可用于疾病的早期诊断、监测和治疗,使各种癌症的早期诊断成为显示。目前,美国科学家已经在实验室环境下实现了对前列腺癌、直肠癌等多种癌症的早期诊断。纳米传感器灵敏度很高,在进行血液检测时,当传感器中预置的某总癌细胞抗体遇到相应的抗原时,传感器中的电流会发生变化,通过这种电流变化可以判断血液中癌细胞的种类和浓度。据专家预测,今后可能有多种纳米传感器集成在一起被植入人体,以用来早期检测各种疾病。

  


 

2、在微电子及信息技术领域的应用


在此应用领域,研究集中在导电聚合物在信息技术领域的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器等。如微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术,是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术,其应用研究主要是将所研究的成果,如微型传感器投入实用,逐步由微型向纳米型发展。

  


 

3、在国防科技上的应用


纳米气体传感器在国防科技上,将其用于地面,空间,飞机,潜艇的内舱,以及各种军用车辆驾驶室中检测有害气体、有毒气体等,必将更加方便、快捷、灵敏,如美国已经研制出纳米军装,军装中的纳米传感器可以感应空气中生化指标的变化,当有害气体或物质指标突然升高时,军装会立即将头盔和其它通气部分的透气口关闭,并释放生化武器的解毒剂,起到预防效果。此外嵌在军装中的纳米生化感应装置可以监视士兵的心率、血压、体内及体表温度等多项重要指标,以及辨识体表流血部位,并使该部位周边的军服膨胀收缩,起到止血带的作用。



 

纳米传感器的应用实例

 


借助声音震动识别细微运动的纳米传感器

一款神奇的蜘蛛侠纳米缝隙传感器,它采用声音导致空气震动,从而识别运动的原理,可以让一名普通人拥有蜘蛛侠般的第六感。一起来看看吧。


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经科学家观察研究发现,蜘蛛的八条腿上的关节位置处都有着一种神奇的感觉器官,与内部神经系统直接联系。而外界环境中的物体一旦发生运动,哪怕是人的一个极其轻微的小动作,都能通过震动引发蜘蛛体内的第六感警报。

 

这套新系统的独特之处在于,传感器间的缝隙间距达到了纳米级别,这也就保证了很高的传感灵敏度。具体说来,研究人员们在粘弹性聚合物表面添加20纳米厚度的铂金层,搭建了传感器框架。通过让表面的铂金变型延展,上下层之间便产生了空隙,暴露出底层的聚合物,研究人员便借助次测量传感器表面的电导系数。


实际实验中,尤其是针对音频的测试,纳米裂缝传感器的表现是优于传统的传声器。在干扰噪音高达92分贝的实验环境中,传感器能够在准确的捕捉到测试人员说出的go、jump、shoot、stop等基本单词,但是普通的传声器甚至不能清晰的录制声音。


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研究人员进行了更加深入的测试。当把传感器配置在小提琴的表面,它能够精确的记录下乐曲中的每一个音符,并且将其“翻译”给外接设备,输出为电子乐曲。另外更有趣的是,将传感器佩戴在手腕处,它还能精确地测量人体的心跳。


除了能够有效排除外界噪声之外,纳米传感器还需要做到能够高精度识别特定频段的声音。例如前文提到的医疗健康中的测量血压、脉搏等功能,需要让传感器对某个人体信号格外的敏感,而不只是单纯的记录声音和震动。


检测蔬果农残物的纳米生物传感器

对蔬果农残担忧,用这种试纸测一测,有无农残,指标多少,便一目了然;甚至一些人体健康指标也可以利用生物传感器,转化为看得见、摸得着的直观呈现。


纳米金材料是纳米传感器的核心材料,被广泛应用于试纸条、试纸盒中,其大小、形状以及自组装行为直接影响到可视化的性能。


传统纳米金合成主要是通过调控反应动力学和热力学,进而调控形貌和大小,但众多实验参数常常会影响纳米金的大量高质量制备。研发人员提出了纳米金的两种新生长模式———智能化合成与非连续性生长模式。

  

超过20种单分散的不同形貌的金纳米粒子,包括球形、方形、棒状、片状、星形、线形以及一些复杂的多级纳米结构。与现有的其他产品相比,这种合成方法确保纳米粒子在大规模制备条件下,仍能保持粒子的高度均匀性。


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此类传感器的应用空间非常广阔,主要集中在一些可视化的试剂盒、试纸条上。目前市面上较为常见的就是验孕试纸, 同时在食品安全领域也可大做文章。

  

如在食品安全领域,普遍的家庭要检测蔬果是否含有毒素,不可能购置大型的仪器,只能通过一些简单的工具去鉴别,因此可以通过裸眼观察到颜色变化的试剂、试纸成为较为理想的工具、方法。


卵巢癌诊断的可弯曲纳米传感器

一种覆盖金纳米颗粒的柔性膜,能够根据妇女的呼吸判断她是否患有卵巢癌。这种可弯曲装置像纸一样薄,收集能力是以前呼吸传感器的几倍,非侵入性且足够便宜,有望作为更加经济有效的方法用于卵巢癌的普遍筛查。


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人体的呼吸,无论是来自健康或患病的人,由数以百计的有机物组成:丙酮,甲醇,丁醇,烃等。而人呼出气体中的分子能够揭示身体内部的变化,如卵巢癌病人的呼吸过程会释放独有混合物质,包括苯乙烯、壬醇、2-乙基己醇、3-庚酮、癸醛、十六烷。


科学家开发了这种针对卵巢癌的纳米传感器。他们首先选择能够与卵巢癌相关的挥发性有机物发生反应的芳香性配体,与金纳米粒子和柔性条状聚酰亚胺薄膜形成集成的交叉反应感应阵列。当患有卵巢癌的病人呼出的气体经过金纳米粒子,其中的特异性挥发性有机物会与阵列上的配体反应,引起可测量的电阻变化。


研究人员将传感器的带状结构弯曲,当传感器的两端向下弯曲形成一个拱形时,金纳米粒子之间的距离变大,有利于与较大的待诊断分子进行相互作用;当传感器恢复成平面,颗粒间的距离变小,较小的待诊断分子能更好地与配体结合。在整个弯曲过程中,记录传感器每个位点的应变,并测量相应的电阻。这种可弯曲传感器在卵巢癌诊断中有高达80% 的正确率。


检测糖尿病的智能纳米传感器

呼吸式装置检测低血糖,这对于糖尿病患者来说是一个不错的消息。


现有的技术主要追踪血糖浓度,但是它不会提醒病人即将到来的低血糖发作。 如果不能检测低血糖,这也是非常危险的情况。儿童和1型糖尿病的老年人的血糖特别容易突然下降。


人体呼吸产生的特殊气味,这种特殊气味由特定的挥发性有机化合物组成,可表征低血糖。开发一种纳米传感器阵列来检测这种气味。将这种阵列内置于一种便携式智能装置中,可将身体信息分享给糖尿病患者和家庭成员等。


患者将气体吹进小装置,其传感器系统会识别病人的低血糖状态,综合以前的跟踪信息从而可以做出判断。


用于危险品检查的纳米传感器

一种对气味分子非常敏感的光学纳米传感器,从而大大减少了物质检测的成本和时间。


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必须依靠大型实验室分析仪和专业警犬来判断变质食物和可疑爆炸物的日子或许很快就要一去不复返了。研究者人员日前开发出一种对气味分子非常敏感的光学纳米传感器,从而大大减少了物质检测的成本和时间。


据悉,这种光学纳米传感器内置的金属有机薄膜能够收集气味分子,然后通过低成本的等离子纳米晶体将所捕获的化学信号放大,就好似微型的镜片一般。它不仅可以检测环境中最常见的二氧化碳,而且对很多其他化学物质也有相当高的灵敏度,能够满足各种目的的检测需要。或许在不久的将来特种队员用这么一小片传感器就能准确识别藏匿的爆炸物,而普通消费者则可以用它来检测购买的食物是否已经变质。


决胜未来智能化战争的纳米传感器

随着纳米科技的迅猛发展,纳米传感器目前已广泛应用在航空航天、军事工程。 纳米传感器的应用将深刻改变未来战争的面貌,成为决胜智能化战争的重要支撑。


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强大的战场感知能力,可以极大促进陆上、空中、水面、水下、太空等作战平台之间的信息融合,生成完整、精确、实时的战场态势图,极大提升针对战场环境、武器装备状态的更加精确的感知能力,还可以对战场人员的生理状态进行实时监测,最大限度地实现宏观战场和微观战场的完全透明。


精准的指挥控制决策能力。现代战争的指挥决策依赖准确的信息情报,纳米传感器不仅具有高灵敏度的探测感知能力,而且内置的微型处理器可以及时分析处理获取的信息,若再与大数据技术、云计算技术相结合,将为指挥控制决策提供不同层次不同领域的信息支撑, 抢占作战行动的先机。目前外军重视开发战场云计算系统,就是要充分利用各类新型传感器的信息获取能力。


敏捷的精确打击能力。未来战争,无人机、无人车、无人艇等无人化作战平台将越来越多地走上战争前台,纳米传感器的大量应用,将使无人化作战平台的侦察、打击能力更加敏捷化、智能化。如纳米传感器用于精确打击导弹的引信,可以显著提高导弹的命中精度,运用微纳米传感器研制的微型惯导器件,可以具有不依赖卫星的精确的导航定位与授时能力,将有效提高现有武器装备的战场突防、战场生存和水下作战能力。


智能化的保障能力。随着物联网时代的到来,军事装备设施也将越来越多地实现网络化智能化监测管理。纳米传感器的应用将使军事物联网拥有强大的感知监测能力,可大幅提高军事装备、设施的全资产可视化水平,对武器装备进行状态监测、故障诊断和维修管理。此外,嵌在军服或数字化士兵系统中的纳米生化传感器可以监视士兵的心率、血压、体温等生理特征,以及辨识体表受伤流血部位,并使该部位军服膨胀或收缩,起到止血带的作用。


不断拓展人的认知能力。战斗力是人、武器以及人与武器的结合,拓展人的认知能力成为战斗力提升的有效途径。近年来,外军通过研发嵌入纳米传感器的生物信息芯片、纳米机器人和脑机接口装置,可以有效提高人的记忆力、反应能力和视觉、听觉灵敏度,提升作战人员的战场感知和快速处置能力。



纳米传感器 在生物、化学、机械、航空、军事等方面获得广泛的应用。有专家指出,到2020年,人类社会进入“后硅器时代”时,纳米传感器将成为主流。所以,加快纳米传感器乃至整个纳米技术的发展,具有重要意义。