新型纳米传感器技术的发展及其应用

姚文苇

（陕西学前师范学院物理与电子技术系，陕西西安,710100）

0 引言

在计量测试领域，传感器总是处于测试系统的最前端，做为信息源头的传感器是获得测试数据的主要工具，任何计量测试系统都离不开它。传感器已越来越广泛的应用于工业、农业、国防、航空、航天、医疗卫生和生物工程等，逐渐成为人们获取自然和生产领域中各种信息的主要途径与手段。传感器的广泛市场应用，对其在低功耗、可靠性、稳定性、低成本、小型化、微型化、复合型、标准化等技术和经济指标方面提出了更高的要求。传统的传感器因其本身材料的限制，已不能适应科技进步的要求。而20 世纪80 年代初发展起来的纳米材料，表现出来的特殊性质，如独特的光学性质（反射、吸收或发光）、良好的扩散性能、热导和热容性质以及奇异的力学和磁学上的性质等，为传感器的发展带来了新的契机。由纳米材料制成的新型传感器，产品的尺寸会更小、测试精度更高；除此以外因纳米技术站在原子尺度的数量级上，从内容上极大地丰富传感器的理论，在制作过程中提高了传感器的制造水平，拓宽了传感器在现实生活中的应用领域。

1 纳米材料概述

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1—100nm)范围内的材料，包括金属、氧化物、无机化合物和有机化合物等。它是是联系原子、分子和宏观体系的中间环节,由微观向宏观体系演变过程之间的新一代材料，所以它表现出许多既不同于微观粒子又不同于宏观物体的特性，具体表现为以下几个方面。

1.1 表面效应

纳米粒子的表面原子数与总体原子数之比随粒径的变小而急剧增大引起性质上的变化。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，表面悬空键增多,化学活性增强，极不稳定，很容易与其他原子结合。金属纳米粒子在空中能够燃烧，无机纳米粒子可以吸附周围的气体等等。如要防止与其他原子反应，可采用表面包覆或有意识地控制反应的速率，使其缓慢生成一层极薄而致密的保护层，确保表面稳定化。

1.2 小尺寸效应

由于粒子尺寸的变小，导致表表面原子密度减小，从而导致声、光、电、磁、热力学性能以及物理和化学性能发生一系列新的变化称纳米材料的体积效应，亦即小尺寸效应。该效应为其应用开拓了广阔的新领域。随着纳米材料粒径变小，其熔点将不断降低，利用晶粒尺寸变化引起的特性，可以高效的将太阳能转化为电能和热能等可以利用的能源。

1.3 量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到一定值时，金属和纳米半导体能级附近的电子或分子由于能级产生变化或能隙变宽等现象均称为量子尺寸效应。金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立能级，当能级间距大于静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。产生量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质，如高的光学非线性，特殊的光电催化性、强氧化性等。利用这些效应可以制作新的微结构量子器件，对这些新的效应的深入开掘和应用，可以给电子工业带来新的纪元。

2 基于纳米材料的新型传感器

2.1 纳米气敏传感器

纳米气敏传感器主要有气体环境中依靠敏感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敏感材料发生变化构成三类传感器。目前金属氧化物主要是以SnO2，ZnO，TiO2，Fe2O3为代表的电导发生变化来制作气敏传感器。碳纳米管通过吸附性与气体分子发生相互作用，导致费米能级引起其宏观电阻发生改变，测量电阻变化来检测气体成分。多壁碳纳米管可制作两种类型的传感器，一种是在平面叉指型电容器上覆盖一层多壁碳纳米管，称其为电容式传感器；另外一种是用热氧化法在Si衬底生成一层弯曲的SiO2槽，然后在SiO2槽上产生多壁碳纳米管，称其为弯曲电阻式传感器。

2.2 纳米电化学生物传感器

纳米电化学生物传感器是利用纳米材料与具有特殊识别能力的分子（酶、DNA等）结合，从而产生容易被检测出便于传输的电化学信号的器件。纳米电化学生物传感器选择性高，传递能力快，特性稳定、生物分子的融合性绝佳，成本低，易于推广及普及，而且易于进行表面化学修饰。

电化学生物传感器具有选择性好、灵敏度高的优点，兼有不破坏测试体系、细胞传感器可以用于诊断早期癌症，将三乙酸纤维素膜固定在人类经脉内皮细胞上，在离子选择性电极上作为传感器，癌细胞中VEGF刺激细胞使电极电位产生变化，通过检测VEGF的浓度变化来判断癌症。利用抗原与抗体反应电位的变化，临床医学中可以检测B型肝炎抗原，检测浓度的范围为4-800ng/ml,比常规检测方法更快，更直接。近年来基于蛋白质与纳米材料发展新型电化学生物传感器方面的研究加深，一些关键技术的进一步完善，对其理化性质的认识不断深入，以及其他相关学科的不断开拓，在临床检测、食品安全、环境监测、医疗卫生等领域的应用开辟了新的篇章。生物传感器在未来一定会发挥更大的作为。

2.3 新型光纤传感器

光纤传感器则是一种新兴的现代传感技术，具有尺寸、重量及能耗的减少，防电磁干涉，传输安全，安装方便，传输距离远；还兼具尺寸小和精度高的优点，因而在光学与光电子学科中占有重要地位。光纤传感器划分为非功能型和功能型两大类：前者简单易行、无需特殊技术,因此已被广泛研究,并有相当数量进入实用化；后者则要求条件苛刻，多数仍处于研制阶段，但因其具有极高灵敏度，属于高性能传感类，故仍是新型光纤传感器成为主要发展方向。

光纤干涉仪与光电混合光双稳装置相结合的新型光纤传感器，充分利用光双稳开关脉冲计数度量温度变化，测量精度比基于干涉条纹计数的一般干涉型光纤传感器的精度约高10～100倍，而且测量精度可调节。谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器，利用信号检测技术将环境中的各种噪声利用该原理进行测试，可以有效的将噪音的分贝精确地检测出来。

2.4 热成像传感器

任何物体只要温度高于绝对零度时，内部原子进行无规则运动，并不断的辐射出热红外能量，将红外功率信号转化成电信号并将物体根据信号强弱显示到屏幕上的过程。该设备的效果优于现在存在的任何热成像设备。热成像传感器灵敏度高、响应速度更快且结构简单。主要应用各种变电站的热像、在自动步枪上配备热成像传感器及线路板上电子产品的工作状态，以及在医疗中用来判定肿瘤的位置和范围。该项技术将产生一系列在成像质量高、速度快、灵敏度高、尺寸小、成本低等特点。

3 结语

我国的传感器整体水平已跨入世界先进行列，产业形态已开始由生产型向服务型转变；国防及重点产业安全、重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表实现了自主制造和自主可控，高端产品和服务市场占有率提高到50%以上。现代工业、科学研究以及生活等各个领域对传感器的广泛要求，使得传感器的研究和开发一直十分活跃。利用纳米技术制作传感器，不但尺寸减小、精度提高，而且使传感器的理论得到丰富，制作水平大大提高，从而极大拓宽了传感器的应用领域。目前，新型的纳米传感器的广泛应用于医疗保健卫生、军事、工业控制和机器人、网络和通信以及环境监测等。随着相关技术的成熟，纳米传感器在国防安检方面的强大优势逐渐显现。相信在不久的将来，纳米传感器将用于新一代的军服和设备，并将用来检测炭疽和其他的危险气体等。

[1]庄严.新型传感器的研究方法[J].仪器仪表标准化与计量,8-10.

[2]唐璐，解旭东,王瑾.先进传感器材料及其应用研究[J].中国西部科技，2011，10(7)：50-51

[3]陈振生.现代新型传感器技术及应用[J].研究与分析，2003,4：7-15