姚文葦

（陜西學(xué)前師范學(xué)院物理與電子技術(shù)系，陜西西安,710100）

0 引言

在計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，傳感器總是處于測(cè)試系統(tǒng)的最前端，做為信息源頭的傳感器是獲得測(cè)試數(shù)據(jù)的主要工具，任何計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)都離不開(kāi)它。傳感器已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、航空、航天、醫(yī)療衛(wèi)生和生物工程等，逐漸成為人們獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中各種信息的主要途徑與手段。傳感器的廣泛市場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)其在低功耗、可靠性、穩(wěn)定性、低成本、小型化、微型化、復(fù)合型、標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)的傳感器因其本身材料的限制，已不能適應(yīng)科技進(jìn)步的要求。而20 世紀(jì)80 年代初發(fā)展起來(lái)的納米材料，表現(xiàn)出來(lái)的特殊性質(zhì)，如獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)（反射、吸收或發(fā)光）、良好的擴(kuò)散性能、熱導(dǎo)和熱容性質(zhì)以及奇異的力學(xué)和磁學(xué)上的性質(zhì)等，為傳感器的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。由納米材料制成的新型傳感器，產(chǎn)品的尺寸會(huì)更小、測(cè)試精度更高；除此以外因納米技術(shù)站在原子尺度的數(shù)量級(jí)上，從內(nèi)容上極大地豐富傳感器的理論，在制作過(guò)程中提高了傳感器的制造水平，拓寬了傳感器在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)的材料，包括金屬、氧化物、無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物等。它是是聯(lián)系原子、分子和宏觀體系的中間環(huán)節(jié),由微觀向宏觀體系演變過(guò)程之間的新一代材料，所以它表現(xiàn)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(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

1.1 表面效應(yīng)

納米粒子的表面原子數(shù)與總體原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大引起性質(zhì)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(xué)活性增強(qiáng)，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。金屬納米粒子在空中能夠燃燒，無(wú)機(jī)納米粒子可以吸附周?chē)臍怏w等等。如要防止與其他原子反應(yīng)，可采用表面包覆或有意識(shí)地控制反應(yīng)的速率，使其緩慢生成一層極薄而致密的保護(hù)層，確保表面穩(wěn)定化。

1.2 小尺寸效應(yīng)

由于粒子尺寸的變小，導(dǎo)致表表面原子密度減小，從而導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)性能以及物理和化學(xué)性能發(fā)生一系列新的變化稱(chēng)納米材料的體積效應(yīng)，亦即小尺寸效應(yīng)。該效應(yīng)為其應(yīng)用開(kāi)拓了廣闊的新領(lǐng)域。隨著納米材料粒徑變小，其熔點(diǎn)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能等可以利用的能源。

1.3 量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸下降到一定值時(shí)，金屬和納米半導(dǎo)體能級(jí)附近的電子或分子由于能級(jí)產(chǎn)生變化或能隙變寬等現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體納米微粒的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶過(guò)渡到分立能級(jí)，當(dāng)能級(jí)間距大于靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，必須考慮量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致納米粒子磁、光、聲、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著不同。產(chǎn)生量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性給納米粒子帶來(lái)一系列特殊性質(zhì)，如高的光學(xué)非線性，特殊的光電催化性、強(qiáng)氧化性等。利用這些效應(yīng)可以制作新的微結(jié)構(gòu)量子器件，對(duì)這些新的效應(yīng)的深入開(kāi)掘和應(yīng)用，可以給電子工業(yè)帶來(lái)新的紀(jì)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(huán)境中依靠敏感的金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等敏感材料發(fā)生變化構(gòu)成三類(lèi)傳感器。目前金屬氧化物主要是以SnO2，ZnO，TiO2，F(xiàn)e2O3為代表的電導(dǎo)發(fā)生變化來(lái)制作氣敏傳感器。碳納米管通過(guò)吸附性與氣體分子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)引起其宏觀電阻發(fā)生改變，測(cè)量電阻變化來(lái)檢測(cè)氣體成分。多壁碳納米管可制作兩種類(lèi)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(chēng)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(chǎn)生多壁碳納米管，稱(chēng)其為彎曲電阻式傳感器。

2.2 納米電化學(xué)生物傳感器

納米電化學(xué)生物傳感器是利用納米材料與具有特殊識(shí)別能力的分子（酶、DNA等）結(jié)合，從而產(chǎn)生容易被檢測(cè)出便于傳輸?shù)碾娀瘜W(xué)信號(hào)的器件。納米電化學(xué)生物傳感器選擇性高，傳遞能力快，特性穩(wěn)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(jìn)行表面化學(xué)修飾。

電化學(xué)生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，兼有不破壞測(cè)試體系、細(xì)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(lèi)經(jīng)脈內(nèi)皮細(xì)胞上，在離子選擇性電極上作為傳感器，癌細(xì)胞中VEGF刺激細(xì)胞使電極電位產(chǎn)生變化，通過(guò)檢測(cè)VEGF的濃度變化來(lái)判斷癌癥。利用抗原與抗體反應(yīng)電位的變化，臨床醫(yī)學(xué)中可以檢測(cè)B型肝炎抗原，檢測(cè)濃度的范圍為4-800ng/ml,比常規(guī)檢測(cè)方法更快，更直接。近年來(lái)基于蛋白質(zhì)與納米材料發(fā)展新型電化學(xué)生物傳感器方面的研究加深，一些關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步完善，對(duì)其理化性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深入，以及其他相關(guān)學(xué)科的不斷開(kāi)拓，在臨床檢測(cè)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新的篇章。生物傳感器在未來(lái)一定會(huì)發(fā)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(xiàn)代傳感技術(shù)，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(yuǎn)；還兼具尺寸小和精度高的優(yōu)點(diǎn)，因而在光學(xué)與光電子學(xué)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(lèi)：前者簡(jiǎn)單易行、無(wú)需特殊技術(shù),因此已被廣泛研究,并有相當(dāng)數(shù)量進(jìn)入實(shí)用化；后者則要求條件苛刻，多數(shù)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(lèi)，故仍是新型光纖傳感器成為主要發(fā)展方向。

光纖干涉儀與光電混合光雙穩(wěn)裝置相結(jié)合的新型光纖傳感器，充分利用光雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)脈沖計(jì)數(shù)度量溫度變化，測(cè)量精度比基于干涉條紋計(jì)數(shù)的一般干涉型光纖傳感器的精度約高10～100倍，而且測(cè)量精度可調(diào)節(jié)。諧振式光纖陀螺是基于光學(xué)Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的諧振頻率差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率的一種新型光學(xué)傳感器，利用信號(hào)檢測(cè)技術(shù)將環(huán)境中的各種噪聲利用該原理進(jìn)行測(cè)試，可以有效的將噪音的分貝精確地檢測(cè)出來(lái)。

2.4 熱成像傳感器

任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，內(nèi)部原子進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并不斷的輻射出熱紅外能量，將紅外功率信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并將物體根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱顯示到屏幕上的過(guò)程。該設(shè)備的效果優(yōu)于現(xiàn)在存在的任何熱成像設(shè)備。熱成像傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度更快且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。主要應(yīng)用各種變電站的熱像、在自動(dòng)步槍上配備熱成像傳感器及線路板上電子產(chǎn)品的工作狀態(tài)，以及在醫(yī)療中用來(lái)判定腫瘤的位置和范圍。該項(xiàng)技術(shù)將產(chǎn)生一系列在成像質(zhì)量高、速度快、靈敏度高、尺寸小、成本低等特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的傳感器整體水平已跨入世界先進(jìn)行列，產(chǎn)業(yè)形態(tài)已開(kāi)始由生產(chǎn)型向服務(wù)型轉(zhuǎn)變；國(guó)防及重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)安全、重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表實(shí)現(xiàn)了自主制造和自主可控，高端產(chǎn)品和服務(wù)市場(chǎng)占有率提高到50%以上?，F(xiàn)代工業(yè)、科學(xué)研究以及生活等各個(gè)領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯膹V泛要求，使得傳感器的研究和開(kāi)發(fā)一直十分活躍。利用納米技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域。目前，新型的納米傳感器的廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健衛(wèi)生、軍事、工業(yè)控制和機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)和通信以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，納米傳感器在國(guó)防安檢方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。相信在不久的將來(lái)，納米傳感器將用于新一代的軍服和設(shè)備，并將用來(lái)檢測(cè)炭疽和其他的危險(xiǎn)氣體等。

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