新型納米傳感器技術的發展及其應用

姚文葦

（陜西學前師范學院物理與電子技術系，陜西西安,710100）

0 引言

在計量測試領域，傳感器總是處于測試系統的最前端，做為信息源頭的傳感器是獲得測試數據的主要工具，任何計量測試系統都離不開它。傳感器已越來越廣泛的應用于工業、農業、國防、航空、航天、醫療衛生和生物工程等，逐漸成為人們獲取自然和生產領域中各種信息的主要途徑與手段。傳感器的廣泛市場應用，對其在低功耗、可靠性、穩定性、低成本、小型化、微型化、復合型、標準化等技術和經濟指標方面提出了更高的要求。傳統的傳感器因其本身材料的限制，已不能適應科技進步的要求。而20 世紀80 年代初發展起來的納米材料，表現出來的特殊性質，如獨特的光學性質（反射、吸收或發光）、良好的擴散性能、熱導和熱容性質以及奇異的力學和磁學上的性質等，為傳感器的發展帶來了新的契機。由納米材料制成的新型傳感器，產品的尺寸會更小、測試精度更高；除此以外因納米技術站在原子尺度的數量級上，從內容上極大地豐富傳感器的理論，在制作過程中提高了傳感器的制造水平，拓寬了傳感器在現實生活中的應用領域。

1 納米材料概述

納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度(1—100nm)范圍內的材料，包括金屬、氧化物、無機化合物和有機化合物等。它是是聯系原子、分子和宏觀體系的中間環節,由微觀向宏觀體系演變過程之間的新一代材料，所以它表現出許多既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的特性，具體表現為以下幾個方面。

1.1 表面效應

納米粒子的表面原子數與總體原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大引起性質上的變化。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，表面懸空鍵增多,化學活性增強，極不穩定，很容易與其他原子結合。金屬納米粒子在空中能夠燃燒，無機納米粒子可以吸附周圍的氣體等等。如要防止與其他原子反應，可采用表面包覆或有意識地控制反應的速率，使其緩慢生成一層極薄而致密的保護層，確保表面穩定化。

1.2 小尺寸效應

由于粒子尺寸的變小，導致表表面原子密度減小，從而導致聲、光、電、磁、熱力學性能以及物理和化學性能發生一系列新的變化稱納米材料的體積效應，亦即小尺寸效應。該效應為其應用開拓了廣闊的新領域。隨著納米材料粒徑變小，其熔點將不斷降低，利用晶粒尺寸變化引起的特性，可以高效的將太陽能轉化為電能和熱能等可以利用的能源。

1.3 量子尺寸效應

當粒子尺寸下降到一定值時，金屬和納米半導體能級附近的電子或分子由于能級產生變化或能隙變寬等現象均稱為量子尺寸效應。金屬或半導體納米微粒的電子態由體相材料的連續能帶過渡到分立能級，當能級間距大于靜磁能、靜電能、光子能量或超導態的凝聚能時，必須考慮量子尺寸效應。量子尺寸效應會導致納米粒子磁、光、聲、電以及超導電性與宏觀特性有著顯著不同。產生量子化能級中的電子的波動性給納米粒子帶來一系列特殊性質，如高的光學非線性，特殊的光電催化性、強氧化性等。利用這些效應可以制作新的微結構量子器件，對這些新的效應的深入開掘和應用，可以給電子工業帶來新的紀元。

2 基于納米材料的新型傳感器

2.1 納米氣敏傳感器

納米氣敏傳感器主要有氣體環境中依靠敏感的金屬氧化物半導體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等敏感材料發生變化構成三類傳感器。目前金屬氧化物主要是以SnO2，ZnO，TiO2，Fe2O3為代表的電導發生變化來制作氣敏傳感器。碳納米管通過吸附性與氣體分子發生相互作用，導致費米能級引起其宏觀電阻發生改變，測量電阻變化來檢測氣體成分。多壁碳納米管可制作兩種類型的傳感器，一種是在平面叉指型電容器上覆蓋一層多壁碳納米管，稱其為電容式傳感器；另外一種是用熱氧化法在Si襯底生成一層彎曲的SiO2槽，然后在SiO2槽上產生多壁碳納米管，稱其為彎曲電阻式傳感器。

2.2 納米電化學生物傳感器

納米電化學生物傳感器是利用納米材料與具有特殊識別能力的分子（酶、DNA等）結合，從而產生容易被檢測出便于傳輸的電化學信號的器件。納米電化學生物傳感器選擇性高，傳遞能力快，特性穩定、生物分子的融合性絕佳，成本低，易于推廣及普及，而且易于進行表面化學修飾。

電化學生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高的優點，兼有不破壞測試體系、細胞傳感器可以用于診斷早期癌癥，將三乙酸纖維素膜固定在人類經脈內皮細胞上，在離子選擇性電極上作為傳感器，癌細胞中VEGF刺激細胞使電極電位產生變化，通過檢測VEGF的濃度變化來判斷癌癥。利用抗原與抗體反應電位的變化，臨床醫學中可以檢測B型肝炎抗原，檢測濃度的范圍為4-800ng/ml,比常規檢測方法更快，更直接。近年來基于蛋白質與納米材料發展新型電化學生物傳感器方面的研究加深，一些關鍵技術的進一步完善，對其理化性質的認識不斷深入，以及其他相關學科的不斷開拓，在臨床檢測、食品安全、環境監測、醫療衛生等領域的應用開辟了新的篇章。生物傳感器在未來一定會發揮更大的作為。

2.3 新型光纖傳感器

光纖傳感器則是一種新興的現代傳感技術，具有尺寸、重量及能耗的減少，防電磁干涉，傳輸安全，安裝方便，傳輸距離遠；還兼具尺寸小和精度高的優點，因而在光學與光電子學科中占有重要地位。光纖傳感器劃分為非功能型和功能型兩大類：前者簡單易行、無需特殊技術,因此已被廣泛研究,并有相當數量進入實用化；后者則要求條件苛刻，多數仍處于研制階段，但因其具有極高靈敏度，屬于高性能傳感類，故仍是新型光纖傳感器成為主要發展方向。

光纖干涉儀與光電混合光雙穩裝置相結合的新型光纖傳感器，充分利用光雙穩開關脈沖計數度量溫度變化，測量精度比基于干涉條紋計數的一般干涉型光纖傳感器的精度約高10～100倍，而且測量精度可調節。諧振式光纖陀螺是基于光學Sagnac效應產生的諧振頻率差來測量旋轉角速率的一種新型光學傳感器，利用信號檢測技術將環境中的各種噪聲利用該原理進行測試，可以有效的將噪音的分貝精確地檢測出來。

2.4 熱成像傳感器

任何物體只要溫度高于絕對零度時，內部原子進行無規則運動，并不斷的輻射出熱紅外能量，將紅外功率信號轉化成電信號并將物體根據信號強弱顯示到屏幕上的過程。該設備的效果優于現在存在的任何熱成像設備。熱成像傳感器靈敏度高、響應速度更快且結構簡單。主要應用各種變電站的熱像、在自動步槍上配備熱成像傳感器及線路板上電子產品的工作狀態，以及在醫療中用來判定腫瘤的位置和范圍。該項技術將產生一系列在成像質量高、速度快、靈敏度高、尺寸小、成本低等特點。

3 結語

我國的傳感器整體水平已跨入世界先進行列，產業形態已開始由生產型向服務型轉變；國防及重點產業安全、重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表實現了自主制造和自主可控，高端產品和服務市場占有率提高到50%以上。現代工業、科學研究以及生活等各個領域對傳感器的廣泛要求，使得傳感器的研究和開發一直十分活躍。利用納米技術制作傳感器，不但尺寸減小、精度提高，而且使傳感器的理論得到豐富，制作水平大大提高，從而極大拓寬了傳感器的應用領域。目前，新型的納米傳感器的廣泛應用于醫療保健衛生、軍事、工業控制和機器人、網絡和通信以及環境監測等。隨著相關技術的成熟，納米傳感器在國防安檢方面的強大優勢逐漸顯現。相信在不久的將來，納米傳感器將用于新一代的軍服和設備，并將用來檢測炭疽和其他的危險氣體等。

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