一文讀懂納米傳感器（摘自“傳感器技術(shù)”）

當(dāng)今科技的發(fā)展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)忍匦?，為納米科技和納米材料的應(yīng)用提供了廣闊的空間。

利用納米技術(shù)制作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，納米傳感器是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動(dòng)了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。納米傳感器現(xiàn)已在生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事等領(lǐng)域獲得廣泛的發(fā)展。 

納米傳感器

納米是一個(gè)長度單位，1納米是1米的10億分之一，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的8萬分之一。納米科技是指在0.1~100納米尺度上研究物質(zhì)的特性、相互作用以及利用這種特性開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的一門科學(xué)技術(shù)。

納米技術(shù)研究的是以控制單個(gè)原子、分子來實(shí)現(xiàn)設(shè)備特定的功能,是利用電子的波動(dòng)性來工作的。研究和開發(fā)納米技術(shù)的目的，就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微觀世界的有效控制。

納米傳感器即是形狀大小或者靈敏度達(dá)到納米級(jí)，或者傳感器與待檢測(cè)物質(zhì)或物體之間的相互作用距離是納米級(jí)的。

納米技術(shù)傳感器主要包括納米化學(xué)和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量等）

納米技術(shù)引入化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域后，提高了化學(xué)和生物傳感器的檢測(cè)性能，并促發(fā)了新型的化學(xué)和生物傳感器。因?yàn)榫哂辛藖單⒚椎某叽?、換能器、探針或者納米微系統(tǒng)，該種傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)和其對(duì)生物分子或者細(xì)胞的檢測(cè)靈敏度大幅提高，檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間也得以縮短，并且可以實(shí)現(xiàn)高通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析。

利用納米材料制成極為靈敏的生物和化學(xué)傳感器，可以對(duì)癌癥、心血管疾病等進(jìn)行早期診斷；利用碳納米管和其他納米微結(jié)構(gòu)的化學(xué)傳感器能夠檢測(cè)氨、氧化氮、過氧化氫、碳?xì)浠衔?、揮發(fā)性有機(jī)化合物以及其他氣體，與具有相同功能的其他分析儀相比，它不僅尺寸要小而且價(jià)格也便宜。

在納米生物傳感器中,按照材料的不同結(jié)構(gòu)，有納米顆粒、納米線、多孔納米結(jié)構(gòu)和納米光纖及納米級(jí)微加工器件都獲得了成功的應(yīng)用。

氣敏傳感器上和敏感氣體接觸的表面附著了一層納米涂層作為敏感材料，用于改善傳感器的靈敏度和性能。

用零維的金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構(gòu)成氣敏傳感器。

納米氣敏傳感器的研究中，主要方向之一是在氣體環(huán)境中依靠敏感材料的電導(dǎo)發(fā)生變化來制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒(例如Pt和Pd) ，大大增強(qiáng)了選擇性，提高了靈敏度，降低了工作溫度。

納米氣體傳感器另一個(gè)主要方向是用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管獨(dú)特的性質(zhì)及制備工藝得到了廣泛的研究，而多壁碳納米管具有一定的吸附特性，由于吸附的氣體分子與碳納米管發(fā)生相互作用，改變其費(fèi)米能級(jí)引起其宏觀電阻發(fā)生較大改變，通過檢測(cè)其電阻變化來檢測(cè)氣體成分，可用作氣敏傳感器。

（1）電阻應(yīng)變式納米壓力傳感器，這種電阻應(yīng)變式納米膜壓力傳感器,測(cè)量精度和靈敏度高、體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便,可穩(wěn)定和可靠的測(cè)量壓力參數(shù)。

（2）利用一些納米材料的巨磁阻效應(yīng),已經(jīng)研制出了各種納米磁敏傳感器

（3）在光纖傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的納米光纖生物傳感器，不但具有光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且由于這種傳感器的尺寸只取決于探針的大小，大大減小了測(cè)微傳感器的體積，響應(yīng)時(shí)間大大縮短，滿足了測(cè)量要求實(shí)現(xiàn)的微創(chuàng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

用于探測(cè)有毒氣體的碳納米管傳感器，利用納米晶或多孔納米材料可以增加與毒性氣體分子接觸的表面積，其靈敏度可以增加幾倍。若利用氧化錫、氧化銻、氧化鋅的納米顆粒做成傳感器，靈敏度也將大為提高。 研究人員運(yùn)用碳納米管與納米薄膜技術(shù)，研制出具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的柔性可穿戴仿生觸覺傳感器——人造仿生電子皮膚，可對(duì)人體不同生理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和疾病前期診斷。

隨著微機(jī)電技術(shù)和微納材料技術(shù)的發(fā)展，使得納米傳感器向著超微型化、智能化方向迅速發(fā)展，納米級(jí)機(jī)器人傳感器已經(jīng)可以通過血液注入的方式進(jìn)入人體，對(duì)人體的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并有望對(duì)于癌變細(xì)胞、致病基因進(jìn)行靶向精確治療。與傳統(tǒng)傳感器相比，納米傳感器還可具有自供電能力、從環(huán)境中收集光輻射和電磁輻射能量的能力。

隨著納米材料制備技術(shù)的成熟，制造過程的可重復(fù)性和批量化生產(chǎn)已不存在太大的問題，納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化節(jié)點(diǎn)的納米傳感器進(jìn)行大量布撒，可以形成無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)，這一優(yōu)勢(shì)可以使納米傳感器的探測(cè)能力大大擴(kuò)展，為氣候監(jiān)測(cè)與環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域帶來革命性的變化。

傳統(tǒng)的傳感器一般為具有單一功能的傳感器，納米傳感器則可以將成千上萬的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個(gè)小微型化芯片上，使其具有多功能探測(cè)與分析能力，并具有越來越強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與分析的能力，若與互聯(lián)網(wǎng)相連接，還將具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析處理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分簡便。

利用納米技術(shù)制成的傳感器，可用于疾病的早期診斷、監(jiān)測(cè)和治療，使各種癌癥的早期診斷成為顯示。目前，美國科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)前列腺癌、直腸癌等多種癌癥的早期診斷。納米傳感器靈敏度很高，在進(jìn)行血液檢測(cè)時(shí)，當(dāng)傳感器中預(yù)置的某總癌細(xì)胞抗體遇到相應(yīng)的抗原時(shí)，傳感器中的電流會(huì)發(fā)生變化，通過這種電流變化可以判斷血液中癌細(xì)胞的種類和濃度。據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后可能有多種納米傳感器集成在一起被植入人體，以用來早期檢測(cè)各種疾病。

在此應(yīng)用領(lǐng)域，研究集中在導(dǎo)電聚合物在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用、納米電子元器件FET二極管、用于感應(yīng)器的電子序列、納米傳感器等。如微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)，其應(yīng)用研究主要是將所研究的成果，如微型傳感器投入實(shí)用，逐步由微型向納米型發(fā)展。

納米氣體傳感器在國防科技上，將其用于地面，空間，飛機(jī)，潛艇的內(nèi)艙，以及各種軍用車輛駕駛室中檢測(cè)有害氣體、有毒氣體等，必將更加方便、快捷、靈敏，如美國已經(jīng)研制出納米軍裝，軍裝中的納米傳感器可以感應(yīng)空氣中生化指標(biāo)的變化，當(dāng)有害氣體或物質(zhì)指標(biāo)突然升高時(shí)，軍裝會(huì)立即將頭盔和其它通氣部分的透氣口關(guān)閉，并釋放生化武器的解毒劑，起到預(yù)防效果。此外嵌在軍裝中的納米生化感應(yīng)裝置可以監(jiān)視士兵的心率、血壓、體內(nèi)及體表溫度等多項(xiàng)重要指標(biāo)，以及辨識(shí)體表流血部位，并使該部位周邊的軍服膨脹收縮，起到止血帶的作用。

一款神奇的蜘蛛俠納米縫隙傳感器，它采用聲音導(dǎo)致空氣震動(dòng)，從而識(shí)別運(yùn)動(dòng)的原理，可以讓一名普通人擁有蜘蛛俠般的第六感。一起來看看吧。

經(jīng)科學(xué)家觀察研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛的八條腿上的關(guān)節(jié)位置處都有著一種神奇的感覺器官，與內(nèi)部神經(jīng)系統(tǒng)直接聯(lián)系。而外界環(huán)境中的物體一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，哪怕是人的一個(gè)極其輕微的小動(dòng)作，都能通過震動(dòng)引發(fā)蜘蛛體內(nèi)的第六感警報(bào)。

這套新系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于，傳感器間的縫隙間距達(dá)到了納米級(jí)別，這也就保證了很高的傳感靈敏度。具體說來，研究人員們?cè)谡硰椥跃酆衔锉砻嫣砑?0納米厚度的鉑金層，搭建了傳感器框架。通過讓表面的鉑金變型延展，上下層之間便產(chǎn)生了空隙，暴露出底層的聚合物，研究人員便借助次測(cè)量傳感器表面的電導(dǎo)系數(shù)。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，尤其是針對(duì)音頻的測(cè)試，納米裂縫傳感器的表現(xiàn)是優(yōu)于傳統(tǒng)的傳聲器。在干擾噪音高達(dá)92分貝的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，傳感器能夠在準(zhǔn)確的捕捉到測(cè)試人員說出的go、jump、shoot、stop等基本單詞，但是普通的傳聲器甚至不能清晰的錄制聲音。

研究人員進(jìn)行了更加深入的測(cè)試。當(dāng)把傳感器配置在小提琴的表面，它能夠精確的記錄下樂曲中的每一個(gè)音符，并且將其“翻譯”給外接設(shè)備，輸出為電子樂曲。另外更有趣的是，將傳感器佩戴在手腕處，它還能精確地測(cè)量人體的心跳。

除了能夠有效排除外界噪聲之外，納米傳感器還需要做到能夠高精度識(shí)別特定頻段的聲音。例如前文提到的醫(yī)療健康中的測(cè)量血壓、脈搏等功能，需要讓傳感器對(duì)某個(gè)人體信號(hào)格外的敏感，而不只是單純的記錄聲音和震動(dòng)。

對(duì)蔬果農(nóng)殘擔(dān)憂，用這種試紙測(cè)一測(cè)，有無農(nóng)殘，指標(biāo)多少，便一目了然；甚至一些人體健康指標(biāo)也可以利用生物傳感器，轉(zhuǎn)化為看得見、摸得著的直觀呈現(xiàn)。

納米金材料是納米傳感器的核心材料，被廣泛應(yīng)用于試紙條、試紙盒中，其大小、形狀以及自組裝行為直接影響到可視化的性能。

傳統(tǒng)納米金合成主要是通過調(diào)控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，進(jìn)而調(diào)控形貌和大小，但眾多實(shí)驗(yàn)參數(shù)常常會(huì)影響納米金的大量高質(zhì)量制備。研發(fā)人員提出了納米金的兩種新生長模式———智能化合成與非連續(xù)性生長模式。

超過20種單分散的不同形貌的金納米粒子，包括球形、方形、棒狀、片狀、星形、線形以及一些復(fù)雜的多級(jí)納米結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有的其他產(chǎn)品相比，這種合成方法確保納米粒子在大規(guī)模制備條件下，仍能保持粒子的高度均勻性。

此類傳感器的應(yīng)用空間非常廣闊，主要集中在一些可視化的試劑盒、試紙條上。目前市面上較為常見的就是驗(yàn)孕試紙， 同時(shí)在食品安全領(lǐng)域也可大做文章。

如在食品安全領(lǐng)域，普遍的家庭要檢測(cè)蔬果是否含有毒素，不可能購置大型的儀器，只能通過一些簡單的工具去鑒別，因此可以通過裸眼觀察到顏色變化的試劑、試紙成為較為理想的工具、方法。

一種覆蓋金納米顆粒的柔性膜，能夠根據(jù)婦女的呼吸判斷她是否患有卵巢癌。這種可彎曲裝置像紙一樣薄，收集能力是以前呼吸傳感器的幾倍，非侵入性且足夠便宜，有望作為更加經(jīng)濟(jì)有效的方法用于卵巢癌的普遍篩查。

人體的呼吸，無論是來自健康或患病的人，由數(shù)以百計(jì)的有機(jī)物組成：丙酮，甲醇，丁醇，烴等。而人呼出氣體中的分子能夠揭示身體內(nèi)部的變化，如卵巢癌病人的呼吸過程會(huì)釋放獨(dú)有混合物質(zhì)，包括苯乙烯、壬醇、2-乙基己醇、3-庚酮、癸醛、十六烷。

科學(xué)家開發(fā)了這種針對(duì)卵巢癌的納米傳感器。他們首先選擇能夠與卵巢癌相關(guān)的揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)的芳香性配體，與金納米粒子和柔性條狀聚酰亞胺薄膜形成集成的交叉反應(yīng)感應(yīng)陣列。當(dāng)患有卵巢癌的病人呼出的氣體經(jīng)過金納米粒子，其中的特異性揮發(fā)性有機(jī)物會(huì)與陣列上的配體反應(yīng)，引起可測(cè)量的電阻變化。

研究人員將傳感器的帶狀結(jié)構(gòu)彎曲，當(dāng)傳感器的兩端向下彎曲形成一個(gè)拱形時(shí)，金納米粒子之間的距離變大，有利于與較大的待診斷分子進(jìn)行相互作用；當(dāng)傳感器恢復(fù)成平面，顆粒間的距離變小，較小的待診斷分子能更好地與配體結(jié)合。在整個(gè)彎曲過程中，記錄傳感器每個(gè)位點(diǎn)的應(yīng)變，并測(cè)量相應(yīng)的電阻。這種可彎曲傳感器在卵巢癌診斷中有高達(dá)80% 的正確率。

呼吸式裝置檢測(cè)低血糖，這對(duì)于糖尿病患者來說是一個(gè)不錯(cuò)的消息。

現(xiàn)有的技術(shù)主要追蹤血糖濃度，但是它不會(huì)提醒病人即將到來的低血糖發(fā)作。 如果不能檢測(cè)低血糖，這也是非常危險(xiǎn)的情況。兒童和1型糖尿病的老年人的血糖特別容易突然下降。

人體呼吸產(chǎn)生的特殊氣味，這種特殊氣味由特定的揮發(fā)性有機(jī)化合物組成，可表征低血糖。開發(fā)一種納米傳感器陣列來檢測(cè)這種氣味。將這種陣列內(nèi)置于一種便攜式智能裝置中，可將身體信息分享給糖尿病患者和家庭成員等。

患者將氣體吹進(jìn)小裝置，其傳感器系統(tǒng)會(huì)識(shí)別病人的低血糖狀態(tài)，綜合以前的跟蹤信息從而可以做出判斷。

一種對(duì)氣味分子非常敏感的光學(xué)納米傳感器，從而大大減少了物質(zhì)檢測(cè)的成本和時(shí)間。

必須依靠大型實(shí)驗(yàn)室分析儀和專業(yè)警犬來判斷變質(zhì)食物和可疑爆炸物的日子或許很快就要一去不復(fù)返了。研究者人員日前開發(fā)出一種對(duì)氣味分子非常敏感的光學(xué)納米傳感器，從而大大減少了物質(zhì)檢測(cè)的成本和時(shí)間。

據(jù)悉，這種光學(xué)納米傳感器內(nèi)置的金屬有機(jī)薄膜能夠收集氣味分子，然后通過低成本的等離子納米晶體將所捕獲的化學(xué)信號(hào)放大，就好似微型的鏡片一般。它不僅可以檢測(cè)環(huán)境中最常見的二氧化碳，而且對(duì)很多其他化學(xué)物質(zhì)也有相當(dāng)高的靈敏度，能夠滿足各種目的的檢測(cè)需要。或許在不久的將來特種隊(duì)員用這么一小片傳感器就能準(zhǔn)確識(shí)別藏匿的爆炸物，而普通消費(fèi)者則可以用它來檢測(cè)購買的食物是否已經(jīng)變質(zhì)。

隨著納米科技的迅猛發(fā)展，納米傳感器目前已廣泛應(yīng)用在航空航天、軍事工程。 納米傳感器的應(yīng)用將深刻改變未來戰(zhàn)爭(zhēng)的面貌，成為決勝智能化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支撐。

強(qiáng)大的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力，可以極大促進(jìn)陸上、空中、水面、水下、太空等作戰(zhàn)平臺(tái)之間的信息融合，生成完整、精確、實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，極大提升針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、武器裝備狀態(tài)的更加精確的感知能力，還可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)人員的生理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最大限度地實(shí)現(xiàn)宏觀戰(zhàn)場(chǎng)和微觀戰(zhàn)場(chǎng)的完全透明。

精準(zhǔn)的指揮控制決策能力。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的指揮決策依賴準(zhǔn)確的信息情報(bào)，納米傳感器不僅具有高靈敏度的探測(cè)感知能力，而且內(nèi)置的微型處理器可以及時(shí)分析處理獲取的信息，若再與大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，將為指揮控制決策提供不同層次不同領(lǐng)域的信息支撐， 搶占作戰(zhàn)行動(dòng)的先機(jī)。目前外軍重視開發(fā)戰(zhàn)場(chǎng)云計(jì)算系統(tǒng)，就是要充分利用各類新型傳感器的信息獲取能力。

敏捷的精確打擊能力。未來戰(zhàn)爭(zhēng)，無人機(jī)、無人車、無人艇等無人化作戰(zhàn)平臺(tái)將越來越多地走上戰(zhàn)爭(zhēng)前臺(tái)，納米傳感器的大量應(yīng)用，將使無人化作戰(zhàn)平臺(tái)的偵察、打擊能力更加敏捷化、智能化。如納米傳感器用于精確打擊導(dǎo)彈的引信，可以顯著提高導(dǎo)彈的命中精度，運(yùn)用微納米傳感器研制的微型慣導(dǎo)器件，可以具有不依賴衛(wèi)星的精確的導(dǎo)航定位與授時(shí)能力，將有效提高現(xiàn)有武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)突防、戰(zhàn)場(chǎng)生存和水下作戰(zhàn)能力。

智能化的保障能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，軍事裝備設(shè)施也將越來越多地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能化監(jiān)測(cè)管理。納米傳感器的應(yīng)用將使軍事物聯(lián)網(wǎng)擁有強(qiáng)大的感知監(jiān)測(cè)能力，可大幅提高軍事裝備、設(shè)施的全資產(chǎn)可視化水平，對(duì)武器裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和維修管理。此外，嵌在軍服或數(shù)字化士兵系統(tǒng)中的納米生化傳感器可以監(jiān)視士兵的心率、血壓、體溫等生理特征，以及辨識(shí)體表受傷流血部位，并使該部位軍服膨脹或收縮，起到止血帶的作用。

不斷拓展人的認(rèn)知能力。戰(zhàn)斗力是人、武器以及人與武器的結(jié)合，拓展人的認(rèn)知能力成為戰(zhàn)斗力提升的有效途徑。近年來，外軍通過研發(fā)嵌入納米傳感器的生物信息芯片、納米機(jī)器人和腦機(jī)接口裝置，可以有效提高人的記憶力、反應(yīng)能力和視覺、聽覺靈敏度，提升作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)場(chǎng)感知和快速處置能力。