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英文翻译及原文
传感器技术手册
SensorTechnologyHandbook
作者:
JonS.Wilson
起止页码:
563--588
出版日期(期刊号):
2005
出版单位:
LinacreHouse,JordanHill,OxfordOX28DP,UK
外文翻译译文:
第21章可使用纳米技术的传感器:
可能性,可实现性,应用性
这篇文章经允许使用,由传感器杂志在2003年11月重印。
如果你是制造或者使用传感器,那么你的企业将可能感受到现在和未来纳米技术发展所带来的影响,它是小规模技术中一个非常有前途的新的分支,它在运算中的计量单位是:
毫微米或0.001微米。
纳米技术通过对原子和分子规模的物质的控制,可以使我们创造出有用的材料,设备和系统,并且还可以去探索新奇的性质和现象。
考虑到大多数化学和生物传感器,和物理传感器一样,都是以在这些层面上所产生的相互作用为依靠,这时你会产生一种想法:
在传感器世界里,纳米技术将会起作用。
这种趋势趋向于小的事物,它由大技术的小型化开始,这导致了现如今微型技术所确定下来的领域。
电子的,光学的,机械的微型机术已经得益于它们的更小,更灵敏和花费更少的传感器,这是由使用IC卡,光纤,其他微光和MEMS(微电子机械系统)工作引起的。
当我们继续使用这些小架构模块工作,将会有一个纳米技术,生物技术,信息技术,还有其他一些技术的集合,在各自的规则内获益。
实质上,更小的尺寸,更轻的重量,更低的功率需求,更大的灵敏度和更好的准确性只是我们在传感器设计上将看到的一点小的提高。
纳米传感器在许多工业上,在交通,通信,建筑设施,医药,安全,国家安全,还包括领土防御,军事训练上都有应用。
考虑到纳米线路传感器可以检测化学和生物物质,将纳米传感器放置在血细胞中来检测宇航员所受到的早期辐射伤害,纳米壳检测和化解掉肿瘤。
许多新兴的公司在一开始就已经开始从事这些设备的发展。
对纳米技术的投资在1997年到2003年间增长了超过5个百分点,并且还在持续增长中。
因此这是检验这个新小世界可能性和局限性的一个好的时代。
21.1可能性
现如今对纳米技术的全球热是20世纪最先进技术的一个小的分支。
尤为重要的是它操作一个可控制的样式(通过例如扫描探测显微镜的技术而来的一种原子的堆砌)中的个别原子的能力。
最初在制造大量的金和银的纳米颗粒上的成功帮助纳米技术获得了更多的关注,因而发现了在原子和分子规模上的材料和设备由于表面和量子化效应所具有的新的和有用的性质。
另一个主要的贡献者是碳纳米管的创造,这是一种由碳原子制造的非常窄的中空的圆柱管。
例如,无论是单壁还是多壁碳纳米管,在它们的尾部对于DNA和蛋白质都有起生物传感器作用的功能。
单壁式的碳纳米管具有不同的几何形状(看图21.1.1)。
依赖于每个碳原子的准确方向,一个碳纳米管可以表现出其传导(金属的)或者半导体传导性质。
这个特征还有发展碳纳米管在准确位置而后进行操作的能力,使得这个管子很可能在电子和传感器方面具有很大重要性。
例如,无论是逐个的还是以矩阵形式,它们可以被用于电子的纳米级的场效应晶体管或用于生物探测的传感器的制造。
图21.1.1碳纳米管可以以各种形式存在,无论是
金属的还是二极管的,这依赖于它们的原子结构
渐增的集成技术。
这个与材料,设备,系统相联系的设备曾一度被按一定比例分离,但是其集成度达到完美。
第一,晶体管被制造而用于IC卡。
而后,微光和微机械的集成被用于被单独打包并放在PCB板上的设备触发板(板子打包的地方)的使用和PCB板上消极成分的放置使得设备和系统之间的差异模糊不清。
通过纳米技术所进行的高水平的集成使得很灵敏的材料实质是设备还有系统成为可能。
LarryBock,纳米系统首席执行官最近写道:
“纳米技术带来了系统的复杂使用,并把它放在了物质层面上”。
我们现在可以仔细沉思感受使用一个小号的电子管进行小分子的集成和数据的处理和传输,并且将这些信息存储在纳米规格的结构中。
荧光和单分子探测的其他方式正在被发展起来。
IBM公司和其他公司正在从事使用相似的探针去制造和读取聚合物上纳米规格的压痕的数据存数系统。
这些系统允许的读/写密度接近于1×10^12bits/sq,远远超过了现在的电磁存储能力。
虽然现在呈现出的是一个重要的挑战,但是纳米级技术的集成可以引起小的,低功率和灵敏的传感器,这种传感器可以被廉价的大量生产。
它们的服务领域包括建筑材料的传感,系统中的传感冗余,还有和有尺寸重量限制的结构如卫星和空间站。
纳米材料和纳米结构式另外的很有前途的应用领域。
在许多传感器中,两个功能经常分离,尤其是对于化学和生物物质,这是对于分子或者其他同行和转换物体的识别,并把识别结果转化成有用信号。
纳米技术将使得我们可以设计出相对现在微型或大型传感器更小,功率需求更小和更灵敏的传感器。
传感器应用将因此获得远远超过那些由MEMS和其他微型传感器所提供的利益。
制造先进。
上上下下制造过程的先进技术已经刺激了微型和纳米技术的发展。
处于技术前沿的IC卡制造商使用平板印刷术,蚀刻术,沉积物去雕刻一种基质例如硅,并且在其上建立结构。
传统的微电子已经达到纳米级,板子的线宽接近100nm级,并且在持续收缩。
MEMS被依照几近相同的自上而下的程序来构造。
当这些程序工作在越来越小尺寸的设备上时,它们可以被用来去制造各种各样的纳米技术原件,大多数作为机器厂可以用来制造小部件的大型车床。
在纳米技术的竞技场上,各式各样倒置的方式使用单个的原子和分子建立有用的结构。
在这种垂直环境下,原子,分子和更大的单元可以自由组合。
这是有选择性的,定向的组合可以被拿来使用。
在任一情况下,这种上下和倒置的纳米级组合的程序给了材料和设备设计者一个更宽种类的新旧工具。
设计者也可以微型和纳米技术去发展新的传感器系统。
计算的设计。
近来发展了一些实验工具,尤其是同步加速器X射线和核磁共振器能够释放许多复杂分子的原子结构。
但这种认识还不够,我们还需要去理解在这种识别过程中原子和分子之间的相互作用,还有有时候传感的转换阶段。
强大的计算机纳米级相互作用仿真算法的有效性意味着我们可以设计出计算机式的纳米传感器,这可以通过使用在纳米技术中已经成为基础工具的分子动力学编码和计算器,而不仅仅只通过实验。
21.2可实现性
虽然在纳米技术和它的使用前景中令人兴奋的实物已经普遍建立好,但是纳米传感器的发展和集成必须把它在物理学,化学,生物学,工程还有商业中所强加的可实现性考虑在内。
例如,随着纳米技术被集成在大型尺寸系统中,我们将不得不去服务和控制一系列的问题,能量,还有纳米级和巨型级之间的信息。
通常会遇到的设计问题——加强的。
无论是在电的还是机械中的,对于纳米传感器中的许多要考虑的因素和那些大型传感器所言考虑的差不多一样,尤其是接口要求,热量损耗,还有处理干扰与噪声的需要。
每个大型系统的接口都遭受到了我们不想得到的电的,机械的,热量的,等等可能的,化学的,声音的,还有光流量的传输。
要处理掉不想得到的非常小的系统里的分子和信号通常需要辅助工具和低温操作去减少噪音。
将化学的和生物传感器放置在气体和液体析出物所带来和所排放的地方,流控制显得尤为重要。
此外,这些及其敏感,具有经裁剪表面的传感器受到外部物质,热量和冷度的影响具有降解趋势。
但是安装成百的传感器到一个小的空间中的能力允许我们不用管出故障的设备,从而有利于好的设备,因而延长系统的有效寿命。
风险和经济。
从研究到工程到产品到分红到获益到维持商业的操作的路径,任何规模技术所遇到的困难,对纳米技术来说特别是一个挑战。
对于它们的采用来说,一个主要的障碍是对于向高价值系统指定新技术的普遍阻挠。
另外一个主要的障碍是现如今纳米级的材料很难进行大量的生产,因此单位价格很高,市场很有限。
价格会随着时间降低,但是小公司还是得尽全力快速达到它们的利益目标从而得以生存。
21.3应用性
现在只有很少的一部分传感器以纯粹的纳米科学作为基础,还有能够使用纳米技术的发展还处在早期阶段,但我们已经能够预知到一些可能的设备和应用。
基于物理性质的传感器是早期传感器发展所致力的焦点,但是未来的传感器将大力致力于实现化学和生物传感器对于安全,医药,和其他目的所具有的潜力。
Vo-Dinh,Cullum和Stokes近来提供了一个对纳米传感器的综述和对于用来探测生物分子的生物板子。
物理传感器。
由WalterdeHeer领导的乔治技术委员会的研究员们通过利用碳纳米管中独特的电的和机械的性质的优点设计出了世界上最小的平衡(看图21.3.1)。
他们将一个独立的颗粒放在一个CNT的尾部并对它加入电荷。
这种作用非常像一个强大的灵活的泉,这个CNT没有破损的进行震荡,颗粒的数量由有颗粒和没颗粒地方的共振中震荡的频率的变化而被计算出来。
这种方法可以允许个别生物分子的数量被测量出来。
图21.3.1碳团改变了它所连接的碳纳米管的共振频率
静电计。
加利福尼亚技术委员会的Cleland和Roukes做了一个微米机械静电计的制造和特性。
这个设备描述了在每单位带宽(~0.1electrons/Hz/2.61MHz)的单个电子管电荷下的电荷灵敏度,这比使用半导体工艺的设备要好很多。
图21.3.2一个纳米级的机械静电计由一个扭转的机械共振器,一个探测电极和一个
用来连接电流和机械元件的门电极。
一个独立元件和元件矩阵的图解和显微图如图。
化学传感器。
各种不同的基于纳米管的气体传感器在过去的年份中很少被描述。
Modietal.已经发展出了一种基于CNT的微型化气体离子化探测器。
这种传感器可以用于气体的色层分析。
二氧化钛纳米管氢传感器已经被包含在无线传感器网络去探测大气中的氢浓度。
Kongetal.已经发展了针对气体分子例如NO2和NH3的化学传感器,这是以纳米分子线路为基础的。
Datskos和Thundat使用一个聚焦的离子电波技术去制造一个纳米悬臂(看图21.3.3),并且发展了一个电子管传输转化方法去测试悬臂的动态。
这个成果或许可以足够灵敏去检测单个的化学和生物分子。
ZnO在结构上修改的半导体纳米带也已经被描述说可以应用于纳米悬臂传感器。
图21.3.3纳米阵列为信号处理合并电容性读出器悬臂和电子。
生物传感器。
纳米技术将也会使用到一个更宽范围的生物分子的非常具有选择性和灵敏度的探测。
通过使用连续的电化学的金属离子减少到氧化铝模板,我们现在可以创造出由金属截面为50纳米到5微米长所制造的圆柱棒。
标示为条形码(看图21.3),这些颗粒可以被特殊的析出物实体例如为复杂分子选择性检测的反体覆盖。
使用这些纳米级的编码颗粒所进行的DNA检测也被描述过。
图21.3.4使用纳米条形码颗粒的编码反体可以传感到DNA和其他生物材料。
NASN研究中心的研究员已经采取了一个不同的思路。
他们将一个板子的表面用百万垂直放置的30—50纳米的碳纳米管覆盖。
(看图21.3.5)。
当连接在纳米管尾部的DNA分子被放置在包含DNA分子的液体中时,板子上的DNA连接到目标物上,并且增加了它的导电性。
这种技术,有望达到基于荧光的探测系统的灵敏度,这或许可以找到携带式传感器在发展中的应用。
图21.3.5垂直的碳纳米管放在硅板上。
连在管子
尾部的DNA分子探测析出物中DNA的特殊种类。
可配置的纳米传感器。
星嗅探器是一种轻质的,便携的化学探测系统(看图21.3.6),它是表现在应用领域传感器的潜力的一个非常好的例子。
这个独特的系统结合了纳米材料进行样品采集并集中使用了一个基于微电子机械系统的化学实验板探测器。
行嗅探器将很可能会有大的用武之地,例如在防御和国土安全上,还有它在无人操作系统例如大型无人操作航天器的完美配置。
图21.3.6星嗅探器是是可以使用纳米技术被嵌入
在一个微小的无人操作的航空器的化学传感器
其他。
我们期望从基于纳米技术的传感器获益的其他领域包括交通(陆地,海上,航空航天),通信(有线,无线,光
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