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一篇文章看懂纳米传感器所有“猫腻”

导读: 气敏传感器上和敏感气体接触的表面附着了一层纳米涂层作为敏感材料,用于改善传感器的灵敏度和性能。 用零维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都可以作为敏感材料构成气敏传感器。

纳米气敏传感器

气敏传感器上和敏感气体接触的表面附着了一层纳米涂层作为敏感材料,用于改善传感器的灵敏度和性能。

用零维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都可以作为敏感材料构成气敏传感器。

纳米气敏传感器的研究中,主要方向之一是在气体环境中依靠敏感材料的电导发生变化来制作气敏传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒(例如Pt和Pd) ,大大增强了选择性,提高了灵敏度,降低了工作温度。

纳米气体传感器另一个主要方向是用多壁碳纳米管制作气敏传感器。碳纳米管独特的性质及制备工艺得到了广泛的研究,而多壁碳纳米管具有一定的吸附特性,由于吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用,改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变,通过检测其电阻变化来检测气体成分,可用作气敏传感器。

其他类型纳米传感器

(1)电阻应变式纳米压力传感器,这种电阻应变式纳米膜压力传感器,测量精度和灵敏度高、体积小、重量轻、安装维护方便,可稳定和可靠的测量压力参数。

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(2)利用一些纳米材料的巨磁阻效应,已经研制出了各种纳米磁敏传感器

(3)在光纤传感器基础上发展起来的纳米光纤生物传感器,不但具有光纤传感器的优点,而且由于这种传感器的尺寸只取决于探针的大小,大大减小了测微传感器的体积,响应时间大大缩短,满足了测量要求实现的微创实时动态测量。

纳米传感器的特点

与传统的传感器相比,纳米传感器由于可以在原子和分子尺度上进行操作,充分利用了纳米材料的反应活性、拉曼光谱效应、催化效率、导电性、强度、硬度、韧性、超强可塑性和超顺磁性等特有性质,因而具有许多显著特点:

灵敏度高。

用于探测有毒气体的碳纳米管传感器,利用纳米晶或多孔纳米材料可以增加与毒性气体分子接触的表面积,其灵敏度可以增加几倍。若利用氧化锡、氧化锑、氧化锌的纳米颗粒做成传感器,灵敏度也将大为提高。 研究人员运用碳纳米管与纳米薄膜技术,研制出具有高灵敏度、高稳定性的柔性可穿戴仿生触觉传感器——人造仿生电子皮肤,可对人体不同生理状态进行准确检测和疾病前期诊断。

功耗小。

随着微机电技术和微纳材料技术的发展,使得纳米传感器向着超微型化、智能化方向迅速发展,纳米级机器人传感器已经可以通过血液注入的方式进入人体,对人体的生理参数进行实时监测,并有望对于癌变细胞、致病基因进行靶向精确治疗。与传统传感器相比,纳米传感器还可具有自供电能力、从环境中收集光辐射和电磁辐射能量的能力。

成本低。

随着纳米材料制备技术的成熟,制造过程的可重复性和批量化生产已不存在太大的问题,纳米传感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化节点的纳米传感器进行大量布撒,可以形成无线纳米传感器网络,这一优势可以使纳米传感器的探测能力大大扩展,为气候监测与环境保护等领域带来革命性的变化。

多功能集成。

传统的传感器一般为具有单一功能的传感器,纳米传感器则可以将成千上万的具有不同功能的纳米传感器组成的阵列加工在一个小微型化芯片上,使其具有多功能探测与分析能力,并具有越来越强大的数据处理、存储与分析的能力,若与互联网相连接,还将具备数据远程分析处理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分简便。

纳米传感器的这些特点将使其在构建各类物联网的进程中拥有可观的发展前景和巨大的应用潜力,纳米传感器技术也有望成为推动世界范围内新一轮科技革命、产业革命和军事革命的“颠覆性”技术。

纳米传感器的应用领域

1、在医疗、生物领域的应用

利用纳米技术制成的传感器,可用于疾病的早期诊断、监测和治疗,使各种癌症的早期诊断成为显示。目前,美国科学家已经在实验室环境下实现了对前列腺癌、直肠癌等多种癌症的早期诊断。纳米传感器灵敏度很高,在进行血液检测时,当传感器中预置的某总癌细胞抗体遇到相应的抗原时,传感器中的电流会发生变化,通过这种电流变化可以判断血液中癌细胞的种类和浓度。据专家预测,今后可能有多种纳米传感器集成在一起被植入人体,以用来早期检测各种疾病。

2、在微电子及信息技术领域的应用

在此应用领域,研究集中在导电聚合物在信息技术领域的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器等。如微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术,是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术,其应用研究主要是将所研究的成果,如微型传感器投入实用,逐步由微型向纳米型发展。

3、在国防科技上的应用

纳米气体传感器在国防科技上,将其用于地面,空间,飞机,潜艇的内舱,以及各种军用车辆驾驶室中检测有害气体、有毒气体等,必将更加方便、快捷、灵敏,如美国已经研制出纳米军装,军装中的纳米传感器可以感应空气中生化指标的变化,当有害气体或物质指标突然升高时,军装会立即将头盔和其它通气部分的透气口关闭,并释放生化武器的解毒剂,起到预防效果。此外嵌在军装中的纳米生化感应装置可以监视士兵的心率、血压、体内及体表温度等多项重要指标,以及辨识体表流血部位,并使该部位周边的军服膨胀收缩,起到止血带的作用。

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