书刊评介——借助于纳米技术的传感器研究开发

章宗穰

（上海师范大学化学系，上海200234）

2010年秋，美国国家纳米创新计划办公室出版了一份于2009年5月间举行的以“借助于纳米技术的感知（Nanotechnology-Enabled Sensing）”为主题的专题研讨会的报告。报告由十余位知名专家讨论后草拟成文，审定过程数易其稿，耗时近一年才得以完稿和出版。报告详尽评述了基于纳米技术的化学传感器和智能传感器系统的研究开发现状和前景。颇有参考价值。有鉴于国内科技人员对基于纳米技术的微型传感器系统的关注，本文拟对这份报告作一简略评介。

为了应对纳米科学和技术的飞速发展以及各国间的激烈竞争，美国政府在直接向总统负责的国家科学技术委员会之下设立了纳米科学、工程和技术委员会，并于2000年制订了国家纳米创新计划(National Nanotechnology Initiative,NNI)，由国家纳米技术协调办公室负责协调25个联邦机构的纳米技术研究、开发和部署。如何推动国际领先的研究开发项目是国家纳米创新计划的四个目标之一。在2007年公布的国家纳米创新战略计划中确定举行一系列有明确主题的专题研讨会。所确定的主题都是与纳米技术存在着潜在关联的领域，并有着迫切的经济、社会、国防和市场需求。开发具有高选择性、高灵敏度的微型智能传感器系统更显示出日益增长的紧迫性，以期能对多种成分进行快速的同时检测，以应对国计民生和国家安全所提出的快速和现场检测需求。纳米技术在研制新一代高密度、多成分检测的微型智能传感器系统的进程中显示了令人关注的作用。参与美国国家纳米创新计划的不少联邦机构对此表现出高度兴趣。

2009年5 月，在国家纳米科学、工程和技术委员会的支持下，国家纳米技术协调办公室组织了以“借助于纳米技术的感知（Nanotechnology-Enabled Sensing）”为主题的专题研讨会。会议组织者确定以化学和生物组分的确认和定量检测作为讨论的主要论题，并关注于由纳米技术推动的信号转换和微型传感器的系统集成。八十位来自学术界、政府部门和工业界的知名专家和工程师参与了研讨会。会议的开始阶段，由各该领域的专家就传感技术某一领域的现状和纳米技术潜在影响下的新发现作评述。以突出共同关注的问题、所面对的挑战和优先发展的结合点。在随后举行的分会自由讨论中，与会者讨论了应用纳米技术于传感技术研究开发中的机遇，将微型纳米传感器件集成为传感系统的主要难点以及对研究方向、市场需求和优先领域的看法。自由讨论时，也希望与会者从社会公众的视角提出看法和建议，并列入该报告的第一章中。会后，会议主席和一部分专家草拟了会议报告，在审定过程中几易其稿。该报告不仅是提交国家纳米科学、工程和技术委员会的官方报告，同时公开发表供研究项目负责人、实验室管理者和研究人员参考。报告于2010年秋公开发表。

报告共分三章。第一章论述传感系统与纳米技术的关联。第二章论述借助于纳米技术的传感器件。第三章讨论了系统集成和生产的主题。文中插入不少精心设计的示意图和表格。深入浅出地对所涉及的主题进行了探讨，适合于不同学术背景和从事不同工作的读者阅读。文后还附有参考文献和进一步了解相关内容的阅读材料的目录。

传感器是一种能对各种物理、化学和生物参数发生特异响应并将其转换成输出信号的器件。市场需求和从事传感器研究开发的科技人员及管理部门推动了传感器系统的加速开发，力图将采样、预浓缩、感知和信号分析以及测试结果的远距离传输等部件集成在一起。这样的传感系统将具有高灵敏度，能在复杂背景下同时测定多种组分，且能将测试结果远距离传输到测控中心。

纳米技术的飞速发展使这种新型的传感系统的设计和制造成为可能。并有可能在以下八个方面的应用中得以实现。诸如：药物和健康、工作场所安全性、环境监控、农业和食品工业、能源、工业过程控制、交通和国土安全及应急响应。新型纳米材料的应用大幅度提高了传感器响应的特异性和灵敏度。性能独特的纳米功能界面与不同的感知对象在分子层次上发生特异性极强的互相匹配，产生特殊的响应信号，还可能具有极高的信噪比。高比表面的纳米材料使传感元件表面的感知反应速度增大许多倍，从而使灵敏度得以大幅度提高。这就为表面积约为1平方厘米的微型传感器系统的集成提供了技术基础。纳米光子器件和纳米电子器件的优异性能更拓展了传感器件的种类和适用对象。除了最常用的电化学传感器件外，纳米技术和纳米材料的引入推进了电磁传感器件、光谱传感器件、磁学传感器件、力学传感器件的应用。报告的第二章中对上述不同类型传感器件的研究进展、面临的挑战以及未来研究方向都有所评述。

第三章的标题是“把它们放在一起——加工、集成和制造(Put it All Together——Fabrication,Integration,and Manufacturing)”。该章评述了微型传感系统的集成的工艺过程。提出了从“材料选择——结构设计——加工方法——器件组装”的总体流程。符合传感器特殊要求的材料的选择以及传感系统的结构设计是极为重要的基础。MEMs和NEMs是常用的加工工艺。文中讨论了两种光刻加工路线的异同和实施：从表层向下的刻蚀加工（Top-Down）及从底层向上的逐层组装（Bottom-Up）。并举实例说明加工方法进展及面临的挑战。系统的集成和封装也是极其重要的工艺过程。美国航空航天局的微型气体传感器集成系统的卫星搭载和航天飞机乘员舱试验表明了精细的集成和封装工艺对传感器系统工作稳定性的极端重要性和已经达到的先进水平。

总之，该报告对借助于纳米技术的传感器及微型传感系统的研究现状和未来从学术和技术、工艺等方面进行了简略但精辟的介绍和评述，值得一读。报告全文可从美国国家纳米创新计划的官方网站免费查阅和下载（http://www.nano.gov）

以下是该报告的目录：

第一章传感系统和纳米技术

1.传感系统

2.传感器研究方向

3.有赖于纳米技术的解决方案

4.纳米技术应用于传感系统的高风险机遇

5.公众建议栏（注：会议参与者从社会公众视角所提出看法）

第二章用于感知的纳米传感器件

1.引言

2.电/化学传感器件

3.电磁传感器件

4.光谱传感器件

5.磁学传感器件

6.力学传感器件

第三章把它们放在一起——加工、集成和制造

1.引言

2.潜在的能力

3.加工制造工艺的现状

4.加工制造工艺面对的挑战

附录

A.专题研讨会议程

B.会议参加成员名单

C.资料来源和进一步阅读材料

D.图表来源

E.名词术语