纳米气体传感器

研究背景

　　纳米技术是研究尺寸在01～100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且为传感器制作提供了许多新型的方法，例如纳米技术中的关键技术STM，研究对象向纳米尺度过渡的MEMS技术等。

　　与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等方面获得广泛的发展。湖南长沙索普测控技术有限公司研制成功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，是一种稳定和可靠的测量压力参数的科技创新产品。利用一些纳米材料的巨磁阻效应，科学家们已经研制出了各种纳米磁敏传感器。

　　在生物传感器中，用纳米颗粒、多孔纳米结构和纳米器件都获得了令人满意的应用。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，满足了单细胞内测量要求实现的微创实时动态测量。

优点分析

　　用纳米材料作为敏感材料构成的气体传感器具有常规传感器不可替代的优点：

　　一、纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；

　　二、大大降低了传感器工作温度；

　　三、大大缩小了传感器的尺寸。

　　因此，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展前途。

研究点滴

　　美国伦斯勒理工学院在Nature上发表文章，介绍了一种微型气体传感器样品，能够非常灵敏地定量及定性分析大气中的各种气体。制作方法是：首先利用化学气相沉积法在二氧化硅基底上生长多壁碳纳米管（MWCNT）。在MWCNT两端加上厚约180μm的绝缘玻璃板，然后再用铝膜覆盖起来，气体传感器即告完成。利用气体传感器测定周围的气体成分时，以MWCNT端为阳极，铝膜端为阴极，施加直流电压。在MWCNT顶端，很低的电压就会产生强电场，从而在周围离子化气体中发生介质击穿现象。

　　北京大学制成一种TiO2／PtO?DPt双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。其敏感材料的制备方法是先在玻璃衬底上覆盖上一层由Pt纳米颗粒构成的表面氧化的多孔连续膜，其中Pt的纳米颗粒直径大约1.3 nm， 膜厚大约100 nm， 然后在PrO?DPt膜上覆盖TiO2膜，其中TiO2纳米颗粒的直径尺寸从3.4 nm到5.4 nm，平均直径4.1 nm。传感器的工作温度在180-200℃，PtO?DPt多孔膜作为催化剂使TiO2纳米膜对氢气产生部分还原作用，从而使传感器在空气中，甚至在CO、NH3、CH4等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性，比以前的钛基探测氢气的传感器有显着的提高。

　　美国斯坦福大学用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2／Si基片上可制得单个的单壁碳纳米管，两种金属被用来连接S-SWNT时，形成金属／S?DSWNT／金属结构，呈现出P型晶体管的性质。气体探测试验是把S-SWNT样品放在个带着电引线的密封的500 mL的玻璃瓶中，通入在空气或者氩气中稀释的NO2 ((2-200)×10－6 )或者NH3(0.1％一1％)，流速700mL／min。检测SDSWNT的电阻变化，在NH3气氛中其电导可减小两个数量级，而在NO2气氛中电导可增加3个数量级。其工作机理是半导体单壁碳纳米管在置于NH3气氛中时，使价带偏离费米能级，结果使空穴损耗导致其电导变小；而在NO2气氛中时，使价带向费米能级靠近，结果使空穴载流子增加从而使其电导增加。

国防应用

　　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他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。