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【汇总】纳米传感器的种类与应用

2017-01-26 00:26
kumsing
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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。

纳米传感器的应用实例

借助声音震动识别细微运动的纳米传感器

一款神奇的蜘蛛侠纳米缝隙传感器,它采用声音导致空气震动,从而识别运动的原理,可以让一名普通人拥有蜘蛛侠般的第六感。一起来看看吧。

【汇总】纳米传感器的种类与应用

经科学家观察研究发现,蜘蛛的八条腿上的关节位置处都有着一种神奇的感觉器官,与内部神经系统直接联系。而外界环境中的物体一旦发生运动,哪怕是人的一个极其轻微的小动作,都能通过震动引发蜘蛛体内的第六感警报。

这套新系统的独特之处在于,传感器间的缝隙间距达到了纳米级别,这也就保证了很高的传感灵敏度。具体说来,研究人员们在粘弹性聚合物表面添加20纳米厚度的铂金层,搭建了传感器框架。通过让表面的铂金变型延展,上下层之间便产生了空隙,暴露出底层的聚合物,研究人员便借助次测量传感器表面的电导系数。

实际实验中,尤其是针对音频的测试,纳米裂缝传感器的表现是优于传统的传声器。在干扰噪音高达92分贝的实验环境中,传感器能够在准确的捕捉到测试人员说出的go、jump、shoot、stop等基本单词,但是普通的传声器甚至不能清晰的录制声音。

【汇总】纳米传感器的种类与应用

研究人员进行了更加深入的测试。当把传感器配置在小提琴的表面,它能够精确的记录下乐曲中的每一个音符,并且将其“翻译”给外接设备,输出为电子乐曲。另外更有趣的是,将传感器佩戴在手腕处,它还能精确地测量人体的心跳。

除了能够有效排除外界噪声之外,纳米传感器还需要做到能够高精度识别特定频段的声音。例如前文提到的医疗健康中的测量血压、脉搏等功能,需要让传感器对某个人体信号格外的敏感,而不只是单纯的记录声音和震动。

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