纳米级传感

栏: 纳米测量的实际应用

在福克斯(Fox)的热门医疗剧《豪斯医生》(House)中，每集至少有一集，我们都会看到一场短暂而美丽的人体之旅，携带着病毒或细胞，等待着这位著名医生和他的团队在后面的节目中发现。缩小到纳米大小，我们所看到的——和感觉到的——是在宏观甚至微观世界中无法分辨的。

也许这只是幻想，但随着将纳米粒子整合和操纵成有用设备的进展走向实际应用的边缘，仅仅是良好的特效距离现实只有一步之遥。大多数专家都认为，在不久的将来，一种纳米传感器可能会通过血液来感知、监测和诊断各种健康问题。事实上，纳米级传感技术的发展已经影响到从安全和能源到化学和制药加工以及医疗保健等多个领域。

纳米元素具有改变材料、组件、设备和系统行为方式的能力和潜力。例如，比较一支粉笔和一个贝壳。两者主要都是碳酸钙。然而，如果你把一支粉笔掉在地上，它就会分开，而贝壳很可能不会。它们是由相同的材料制成的，但贝壳是大自然通过纳米工程来增强强度的;粉笔不是。区别在于结构。

在原子和分子水平上操纵这种结构的原理构成了纳米技术的基础。应用这些概念，科学家和技术人员开发出了具有不同性能的新材料，如非凡的强度、耐久性和耐温性。随着科学家们对这一令人兴奋且经常令人惊讶的领域了解得越来越多，不断取得进展，开发出超越材料、设备和系统的产品，其中包括具有不同寻常和特殊性能的传感器。至少有一位专家说，在某些方面，纳米技术和纳米传感距离提供物理定律的新视角还有一步之遥。

辨别好处

罗克韦尔自动化公司工程、安全、传感和连接业务主管Suresh Nair说，如今，纳米材料已经可以应用于包装组件。“纳米涂层有助于保持食品和饮料行业的清洁度，”他解释说。“有一些材料可以帮助细菌远离表面。未来，照片传感器可能会加入纳米材料，以防止灰尘落在镜头上，这一功能将减少维护。不需要擦拭或清洗。传感器可以更好地工作，工作时间更长。当然，代价是成本。这是个好主意，但划算吗?”

初步应用还延伸到安全、医疗保健和能源领域。据GE Sensing MEMS(微机电系统)、微结构和纳米技术全球产品经理Brian Wirth介绍，这些技术包括在安全情况下检测分子水平的物质。这些可以是任何东西，“从气体检测到纳米颗粒大小的污染物，”Wirth说。“任何释放出可测量分子的气体都可能被检测到——例如塑料炸药，或者用于生物战的空气污染物。许多安全项目正在向纳米传感水平发展。”

不过，他承认，目前还没有很多产品“问世”，但他坚持认为，许多产品都处于开发阶段。“这在很大程度上取决于你对这个词的定义，”他说。“我们现在的产品用于安全设备，可以检测纳米大小的物质。其中一些目前在机场安检区使用。纳米材料/涂层科学，应用于其他类型的结构中，使其更有效或更能测量其他物质，可能被一些人合理地归类为纳米传感。”

Wirth还看到了医疗保健检测和诊断小型化的重大努力。他解释说:“这些技术可以实现持续监测，而不是将测试送到实验室。”“有了合适类型的纳米传感应用，就有可能进行连续测量。应用范围从糖尿病监测到疼痛管理再到血液科学。”

此外，Wirth认为纳米传感有可能对传统仪器产生重大影响。制药领域的验证设备就是一个例子。他说:“在制药过程中，化学物质通过生产线来制造特定的药物。”“这条生产线必须定期清洗到十亿分之一的颗粒计数水平，以确保清洁。在过去，这个过程包括采集样本，把它们送到实验室，然后等待结果。这个过程有点类似于机场安检。技术人员使用棉签，就像嗅探器一样检测颗粒或污染。检查是实时进行的，使用适当的纳米涂层和技术，专门嗅探必须检测到的东西。它工作更快、更准确，而且便于携带。”

其他好处可能会影响交通和能源行业。通用电气全球研究中心(GRC)发言人托德·阿尔哈特(Todd Alhart)说，该中心有一个探索纳米陶瓷材料的项目，这种材料可以通过减轻飞机发动机的重量来提高飞机的效率。“这对环境有好处，同时也能提高性能。我们还有一个纳米金属合金的研究项目，它可以使发动机和涡轮机在更高的温度下运行，再次提高效率。我们正在研究纳米材料来改善风能和太阳能等替代能源技术。在风力方面，较轻的叶片可以更有效地捕捉风力。在太阳能方面，潜在的新材料将捕获更多的阳光，使太阳能更加可行。”

各种各样的可能性

尽管纳米传感技术前景光明，但产品的商业化还有很长的路要走。Roger Grace Associates的总裁Roger Grace说:“纳米技术迄今为止的本垒打都是在材料领域。”“纳米技术传感器必须具有纳米技术的几何形状(组件尺寸小于等于100纳米)，或者能够在纳米级上精确地进行测量。我不相信有多少这样的产品符合这些标准。”

Grace补充说，大多数MEMS设备“花了17到20年的时间才成为现实。纳米设备也需要同样长的时间。”但可能性是存在的，而且据一些人说，也许离应用并不遥远。在通用电气的GRC，研究人员已经从自然界中寻找开发和应用纳米传感概念的线索。

GE GRC的首席科学家Radislav Potyrailo博士说:“我们正在确定一些惊人功能的能力，并看看它们如何应用。”他概述了最近基于热带蝴蝶翅膀纳米结构的发现。“这些纳米结构表现出敏锐的光学特性和敏锐的化学传感特性。我们正试图确定我们是否可以利用纳米尺度上的新的物理和化学现象，并将它们应用于传感应用，这样我们就可以制造更好的传感器。”

Potyrailo说，一种可能的应用涉及到染料的使用，染料的颜色或荧光随分析浓度的变化而变化。目前，Potyrailo说:“使用它们进行检测既有优势也有局限性。最突出的限制是，它们最终往往会被太阳或激光漂白。所以我们转向纳米结构，比如这些彩虹蝴蝶的翅膀。这些颜色不是来自有机分子，而是来自物理结构现象。到目前为止，我们所了解到的是，这种复杂的纳米结构使我们能够选择性地检测空气中不同类型的气体。而且它优于传统方法。”

基思利仪器公司纳米技术首席营销工程师乔纳森•塔克补充说，每个人都在努力开发生物和化学检测系统，这并不奇怪。“纳米材料是在分子或纳米尺度上，10到9米。在这种尺度下，材料的表现与在宏观和微观尺度下的表现有很大不同，这使得生物传感器等设备在化学和生物传感系统中成为非常可行的应用。如果你将一种纳米材料功能化，比如碳纳米管，使其对特定的生物或化学材料更敏感，这样它就会在接触或接近某物时发生反应，并使用基本晶体管作为设备来检测它，那么快速开发一种用于安全应用的可商业化产品就变得非常有可能。”

塔克对商业产品的扩散持乐观态度。他说:“我们现在看到化学和生物领域的活动，未来几年我们将看到远远超出这一领域的应用。”“在控制领域，我看到了用于检测化工厂或其他过程中可能使用的有毒化学物质的纳米传感器的发展，因为它们要灵敏得多。人们对这些传感器的电特性(电流与电压测量)很感兴趣。

“因为许多传感器都是围绕晶体管结构设计的，设计人员必须用纳米材料来表征设备的响应。它们不会像传统传感器那样工作，因为材料是在量子尺度上反应的。规则是不同的。这需要在现实条件下进行大量的测试，以了解纳米传感器如何进行电气响应，以及如何将这些电信号转化为有用的信息。”

基思礼在为那些进行纳米研究和开发的人提供关键的电气表征仪器方面发挥着重要作用。(参见“纳米测量在应用”，介绍了纳米测量系统。)这一功能在半导体行业中得到广泛应用。在传感器领域，有必要确定设备在实际情况下的电气性能。

塔克解释说:“我们的工具帮助研究人员了解设备的电气操作。我们称它们为“源测量单位”(SMU)。“它们提供刺激或源(电流或电压)来使设备偏压。然后，在应用感兴趣的检测化学或生物元件后，SMU测量产生的电压或电流，以便评估传感器的响应。它有助于回答各种各样的问题。当我的传感器接触到它要检测的元件时，需要测量什么样的电流?你如何区分空气和你想要探测的东西?什么是电信号?它们有什么不同?这对理解如何防止误报也有很大帮助。”

仍然需要一些组装

尽管纳米传感产品的潜力是显而易见和无可争议的，但在制造和过程传感应用中固有的好处之前仍然存在许多障碍。

罗克韦尔公司的Nair表示:“在这项技术的发展过程中，仍有许多重大障碍需要克服。可靠的商业流程，具有成本效益的制造，相应的标准，支持计量和工具才刚刚开始发展。诸如IEEE(电气和电子工程师协会)、IEC(国际电工委员会)和NEMA(国家电气制造商协会)等组织已经开始解决标准化问题，工具供应商也在开发一些工具。但我们还没有走到那一步，在我们克服这些障碍之前，让产品开花结果将是困难的。”

格蕾丝说，压力在于制造过程。他认为，大多数研究人员都在开发技术，而不是使其成功工作。“他们需要开始关注制造问题。我们需要学会大规模生产纳米产品，”他坚持说。“除非我们能够生产出高产量、低成本和可重复性的产品，否则我们将无法成功地将它们商业化。”尽管如此，格雷斯表示，他有信心产品会推出。“有太多的研究正在进行，他们不可能不这么做。”

他的观点与自动化与机器人研究所所长、德克萨斯大学阿灵顿分校电气工程教授Harry E. Stephanou博士的观点一致。他从事MEMS和纳米研究已有十多年，并认为制造问题是至关重要的。

他说:“我们可以在实验室里开发很多东西，但除非我们能制造它们，否则没人能买到它们。”“一个瓶颈是我们缺乏经济有效地制造传感器和执行器的能力。除非这些产品能够转化为工业，否则它们只不过是一种不错的奇珍异宝。”

Stephanou说，帮助产品更快地推向市场的代工服务正在开始出现，“但要让纳米生产继续下去，需要制造业的范式转变。你不能自组装这些东西。我还没有看到这个领域有任何重大突破，在纳米层面上没有任何完全不同的制造方式。我们仍在尝试缩小其他模式的规模。我们已经尝试了包括印刷、模板和光刻在内的方法，但还没有设计出一种新的纳米制造模式。我认为我们会实现这一目标，但除非出现一些颠覆性的创新，否则我认为我们还会停留一段时间。”

从材料到设备

更为乐观的是，通用电气GRC预计5年后将实现商业化。Potyrailo给出了蝴蝶的例子作为这种乐观的理由。“蝴蝶翅膀的纳米特征正在教会我们如何在更大的积木基础上组装纳米材料，以产生整体阵列，让我们更舒服地处理。”

基思礼的塔克认为，纳米传感器商业化的第一阶段已经到来。“现在，开发人员正在使用现有的半导体架构，试图避免重新发明轮子。他们正在修改这些结构，基本上是晶体管fet(场效应晶体管)，使用纳米级材料，如碳纳米管或其他纳米材料，以创建高灵敏度的传感器。像这样的传感器可以放置在整个化学加工厂，以提供更快的警告，因为它们对所能捕捉到的东西非常敏感。传感器是第一批基于纳米技术的真正商业化组件。”

然而，塔克承认，成本仍然是一个问题。“部分问题在于你要处理的是肉眼看不见的元素。是否需要新型的生产设备?很有可能。目前正在努力使用现有的半导体制造工具。与此同时，研究人员正在从一个全新的角度寻找一些完全不同的东西。联邦政府和风险资本家在这项技术上投入了大量资金，他们期待着结果。”

成本效益是决定因素，GE传感公司的Wirth说。“这些技术现在很昂贵，但随着它们的发展，它们将变得不那么昂贵。MEMS和纳米所研究和使用的工艺有相似之处。只要你能结合已知的方法来开发纳米级产品，你就领先了一步，离将产品推向市场更近了一步。”

德克萨斯大学的Stephanou补充说:“在商业领域，纳米技术仍然更多地与材料有关，而不是与设备或系统有关。但在某种程度上，它将达到设备级别。在我读本科的时候，我研究过单个晶体管。今天的学生从未见过晶体管。它们都嵌入在更大的事物中。我们正朝着纳米传感的相同方向前进——从离散传感器到嵌入式传感器，这将把我们带到系统级别。”

Potyrailo对将纳米技术应用于产品的相关问题进行了最好的总结:“我们需要找到方法，将显微镜下看到的纳米结构与传感器中的真实组件连接起来，”他说。“最大的问题是如何以合理的成本和足够的数量制造传感器。我们正试图将纳米技术的进步与传统仪器结合起来，这样我们就可以降低成本，从而将微观和宏观世界带入纳米世界。”

楼宇安全及标准

除了制造和制造之外，其他纳米传感问题仍然存在，尤其是在健康和安全方面。人们对使用纳米产品以及它们如何与人体相互作用的担忧并没有消失。学术界和政府层面的调查和研究正在广泛进行中。罗克韦尔的奈尔说:“我们不知道吸入纳米颗粒的影响是什么。我们也不太了解纳米粒子可能带来的生命终结问题。什么是处置问题?它们是否构成危险?这些都是不确定因素。(更多关于美国国家职业安全与健康研究所的纳米技术安全工作，请访问NIOSH网站cdc.gov / niosh．)

一般来说，那些参与纳米技术研究的人都同意，安全性仍然是一个关键问题。“联邦政府国家纳米技术计划的战略之一是了解纳米技术的社会影响，”基思利大学的塔克说。“政府机构和大学正在调查安全问题，研究诸如碳纳米管等材料的危险等问题。它们的毒性有多大?它们有毒吗?当你使用它们时会发生什么?随着这些努力的进行，研究也在同时进行。这是必须的。你必须追求进步。”

随着产品研发的进展，另一个值得关注的问题是标准化。塔克说:“我已经成为这里的大倡导者。“我与IEEE标准工作密切合作。我是纳米电子标准路线图倡议(NESR)的联合主席。我们一直在谈论的话题之一是传感器。纳米技术作为一门科学没有标准。一个大问题是如何制定标准——甚至是传感技术的标准?谁来写?我们怎么能都同意呢?如果说在大规模生产、可重复性、可重复性和验证方面存在障碍，那就是标准领域。”

通用电气的阿尔哈特同意塔克的观点。“安全显然很重要。这是做任何研究的优先事项，”他说。“我们正在努力向政府机构提供投入，以帮助促进纳米技术的安全使用以及对该领域的适当和有效监管。”

塔克强调说，参与进来吧。“参与标准开发和相关活动。参与标准可以给您带来竞争优势。在纳米传感和纳米产品方面还有很多工作要做。不要让别人来做。”

作者信息

珍宁·卡泽尔是控制工程．与她联络:jkatzel@sbcglobal.net．

纳米测量的实际应用

对生产纳米器件至关重要的工具，如电表征测量系统的开发正在进行中。其中一个在今天使用的是Zephyr测量系统，由Nanomix公司开发。

脚本语言描述仪器配置和测量操作。操作按顺序排列，可以嵌套，也可以并发运行。测量结果被发送到应用程序的输出组件，输出组件将数据存储在文件中并在图形用户界面中显示，必要时还可以从菜单中启用。大多数脚本属性(参数)可以从用户界面控制。例如，测试持续时间、测量分辨率和通用仪器总线(GPIB)地址可以定义为用户可配置的属性。每个脚本都有自己的属性集，或者与其他脚本共享一个子集(例如，仪器的GPIB地址)。

设备按测试组排列;这种方法在实验设计中被称为阻塞。通常，一个组中的所有设备都在相同的条件下进行测试和存储。关于单个设备的信息只输入一次;在此之后，只需要输入组ID就可以运行实验。

目前，该系统支持来自各种供应商的约20种仪器，包括安捷伦技术，基思利仪器，Nanomix, Omega工程，Sensirion, Teledyne技术和Vaisala。此外，还支持专门的虚拟仪器;其中一种仪器对CNTFET器件进行I-V(电流-电压)测量，特殊的输出组件保存并显示I-V数据，而脚本只控制开关和测量操作的时间。

数据文件可以上传到数据库;在Nanomix应用程序Nanoscope中查看;或使用Matlab或其他应用程序进行解析分析。该系统已经使用了大约两年，并被证明具有高度的灵活性和可扩展性。该软件的开源版本将很快在BSD(开源)许可下发布

本材料是基于部分由国家科学基金会资助的0450648号的工作。欲了解更多信息，请访问Nanomix网站或电子邮件Sergei Skarupo atsskarupo@nano.com。

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