生活中的感官引擎—化学材料传感器*

蔺延洁，赵晓雪，宗喆昊，杨湘莹，赵微微，姜红波

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西 宝鸡 721013)

在社会稳定发展和经济快速增长的前提下，传感器的发展愈发多元化、集合化、普及化。作为一个必需的电器元件，其自身较强的优势，以及应用于化工生产、电气机床、汽车电子技术、家用电器智能化等领域如虎添翼的性能表征，成为了经济高质量增长的又一个里程碑。人们对于智能化设备与数字化终端的认识已不仅仅停留在发展与应用的层面之上，还上升到创新与普及的新高度，譬如机器人的研究。科技的迅猛发展与卓越创新，使得影视化视角的机器人技术已逐渐渗透进众人的工作与家庭。根据人们不同的年龄阶段与需求，机器人智能化可发挥出其特定作用。正应如此，在给予它精密繁冗的计算编码外，还需赋予它供其发挥作用的灵活身体[1]。为达到对环境有高度敏锐感官的目的，传感器技术不可或缺。

1 化学材料传感器概述

1.1 传感器定义与分类

传感器主要由四部分组成，分别为敏感元件、 转换元件、 变换线路以及辅助电源[2]。通俗来讲，就是将一些所接收到的物理信息、 化学信息、 生物信息等转化为电信息，最终输出此信号，以完成信息的转化工作。 而对于化学材料传感器，其对应的转换中枢一般为一些光电化学材料，如无机、 有机和复合材料等[3]。

传感器可对环境进行大规模、可持续的实时监控，则其不同的种类发挥着不同的作用[4]。以物理参数为标准，其主要分为四大类：电阻传感器、电感传感器、电容传感器和光电传感器[5]。又根据工作原理不同，将其分为物理、化学和生物类传感器。其中，对于化学类传感器的应用较为普遍且常见的是一种以无机化学材料为感官元件的位移传感器其工作原理如图1所示：

图1 模拟位移类传感器工作示意图

为模拟位移类传感器工作原理，拟合了图1示意图。无机化学材料A在直线轨道上移动，带动滑动变阻器金属杆P的移动。装置上方有一电压表，根据电表的读数可以反应位移M的变化情况。

1.2 光电化学传感器

在所有化学材料传感器中，光电化学传感器(PEC)使用最为广泛。它是在电化学传感器基础上发展起来的，主要用于研究光电化学物质的光电转换机理及相关应用[6]。在科研方面，对于光电化学传感器的研究方向诸多。

过氧化氢作为一种人体代谢的活性产物，对它的含量监控与检测关系人们的生命健康财产安全。在传统的光电传感器检测过程中，常伴有周期长、信噪低等问题，对于输出信号的灵敏度大打折扣[7]。于是，科研人员研究出来一种新型的纳米团簇材料，将光电化学分析与人体免疫反应很好的结合在一起，通过输出信号的物理表征来实现对过氧化氢含量的有效检测[8]。这种新型化学材料传感器的研发使得传统难题有了突破性的进展，在解决含量监控问题的同时，也为监控人体其他能量数据提供了新动力。

2 化学材料传感器的技术发展及应用

2.1 传感器技术

在业界，传感器被认为是一种可以接收不同类型的信号，并按照一定转换程序将所接收到的特定信号转换为可用输出信号的一种元件的统称[9]。拥有化学材料配置的传感器类型，尤其在化工生产与反应器制造当中，已成为其不可或缺的核心技术。社会的稳定发展，促进了传感器技术的高智能化与普及化。现如今，我国的化学材料传感器已基本发展成熟，拥有完备的体系与大量的应用经验。

2.2 化学材料传感器实际应用

以上对传感器的详细概述，已为化学材料传感器的实际应用情况做好了铺陈。技术的革新与发展往往建立在经济与民生的基础之上，所以对于传感器中化学材料配置的研究以及创新，是科研人员始终攻克的成果与难关。

应用于海洋环境检测。海洋作为一个物种繁多的生态系统，其内部环境复杂，生态体系杂乱交织，因此在保护物种多样性的同时能快速且便捷的检测出其复杂环境变得尤为重要。基于这一原因，多年以来，国内外众多研究学者投身于海洋环境检测数字化终端的研究事业中。此技术主要依赖于计算机技术、通信技术、电子技术、传感器技术和材料科学技术的支持[10，11]。因海洋环境检测的复杂性与技术的特殊性，化学材料传感器的应用更为普遍，且制作工艺更为困难。

就目前而言，海洋环境检测往往通过一些物理参数进行表征。然而无论是调查船还是固定观测平台，受海水的流动性影响，只要测量的时间不同，即使在同一个区域或同一个测量点，海上温度、盐度等水文要素和溶解氧、pH、叶绿素、营养等生物化学要素，其获得的测量数据不尽相同，且不可重复测定[12]。此时，一些化学材料配置的传感器元件被用来捕捉实时的有效信息，且其特殊的材质与反应阈值也可满足敏锐并迅速的监察要求。例如通过校准浊度传感器与pH传感器，表征出电压等物理参数，以及使用分子印记荧光传感器，监测海洋环境污染指数，以此实现实时监控并保护海洋的目的[12，13]。

作为一个海洋大国，建立海洋环境立体监测体系是我国一项战略目标，多年来一直致力于对未知水下目标进行研究以及进行海上工程试验验证[14，15]。在实现此项复杂困难的项目与目标的过程中，离不开化学材料传感器的运作与支持。

应用于医学领域。在现代医学领域，医用传感器的发展过程大致可分为三个阶段：结构传感器、固体传感器和智能传感器[16]，并且多年以来，科研人员致力于研究并发展功能性材料传感器智能化，已实现从传统配置到新型功能的转变。其在高血压测量监护、心脏病监测、糖尿病治疗以及癌症治疗方面有了卓有成效的突破。除此之外，在运动学的康复治疗学领域，此类传感器技术在治疗技术与感官服务方面为其提供了更新的思路[16，17]。以康复学中的健康医疗为例，对新型智能传感器在医疗界的创新与发展进行详细介绍。

在物质条件相对丰富的今天，人们逐渐开始重视身体的亚健康状态，以此康复学的兴起成为近几年来人们广泛关注的话题。以东南沿海城市为例，各种精密仪器和科研资源的购置与投入加速了新型健康医疗的迅猛发展。截至目前，我国已具备了基本完备的康复治疗体系，并在此基础之上仍处于稳步发展的状态。由此，对于表征数据并以此来反映其身体机能运行情况的设备研究成为了现代医疗机构的热点。

就我国人口老龄化日趋严重的问题，疾病早期诊断、便携式医疗器械等方面受到愈发强烈的重视，其中就包括声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)的发展与创新[18]。SAW作为一种化学器件，在通信传播领域应用广泛。相对于大型昂贵，不方便携带与家用的医疗器械，SAW这种小型的医疗电子设备大受欢迎[19]。不论是用于检测家中老人身体机能情况，或是野外救援工作，在一定程度上，都为大众的生命安全提供了更良好优质的服务。此外，由技术人员创新发展的柔性应变传感器同样得到了广泛关注与运用，较SAW不同的是，其主要服务于电子皮肤、人机界面、生理信号检测等领域[20-22]。总之，无论处于哪个医学领域，化学材料的传感器发展与创新极大改善了人们的生活质量，提高了科技为人民服务的能力。

应用于智能手机。传感器自身对环境的感知情况，与“读心术”原理有异曲同工之妙。多年来，Facebook公司致力于研发“读心”科技，旨在通过意念来控制光标，无需鼠标操作[23]。此类科技类似于如今随处可见的智能设备，尤其表现在人们触手可及的智能电子设备。

当今社会，手机作为人们最熟悉的电子产品，被誉为21世纪最便捷的掌上电脑。随着经济的快速增长，科技水平的大幅度提升，市场流通的手机种类层出不穷。以华为公司新推出的mate 60pro智能手机为例，其功能材料性传感器类型包括光线传感器、指纹传感器、陀螺仪等[24]，这些多方面的性能特点强化成为了传感器技术发展的又一大里程碑。随着制作工艺的不断发展，手机由最初的通话、通信和上网功能发展到如今数字化终端设备，其内部集成了更多的传感器，为用户提供了更优质的服务，其中被大众熟知并经常性使用的就是其位置服务[25]。现如今，人们的出行旅游已离不开定位导航功能，位置服务系统成为手机中最重要的功能之一。

智能手机的普及是21世纪通信技术最卓越的成就之一，它的普及与使用影响着每一个人[26]。无论是在军事国防当中充当的“侦察兵”角色，还是普通到日常摄影与麦克风通话，传感器元件都能将所接收到的模拟、数字等信号转化为电信号，实现侦查与录制等功能[26，27]。

应用于家用电器。在数字化普及的作用下，化学材料传感器同样被广泛的应用于家用电器的方面，且多为无机金属材料。多年来，人工智能实现了突飞猛进的发展，家居也逐渐的实现智能化，为人们的生活提供着前所未有的便利[28]。图2所示为简单模拟传感器在家居智能化中的工作流程：

以家用电饭煲为例，用温度传感器模拟这一运行流程，此类温度传感器元件的组成材料多为无机金属类型。当加热温度达到一定时，电饭煲中的温度传感器元件会感知到一定的温度限度，此时温度为输入的物理信息。其会立即跳闸并中止运行，这一环节快速的完成了能量转换，以此避免了温度持续上升，超过最大阈值所造成的安全隐患[28]。

随着互联网技术的发展，家用电器的智能化已经逐步实现，如“小爱同学”、小度智能音响、扫地机器人、洗碗机、智能马桶等。传感器技术在家电中的应用已高度成熟，在便利人们生活的同时，也实现了高效节能的环保目标。因为目前提倡低碳节能，所以未来家电产品的发展方向将是通过计算机技术实现环保控制[29]。

3 结语

21世纪的数字化产品不可胜数，信息技术的三大支柱：计算机技术、传感器技术和通信技术，均占据着举足轻重的地位[30]。以国内基本成熟的计算机技术为例，如果将它比作人类大脑衍生的高级芯片，传感器技术可看作人类感官系统的扩展，而化学材料传感器则是一种高敏锐度的感官拓展。在不久的未来，传感器技术会不断提升，会更广泛并高效的应用于化工、医疗、教育、机电、渔业等各方各面。在此基础之上，如何更好的发展并普及好这项前瞻性技术，是青年一代科研工作者重点关注的问题之一。