章宗穰

（上海師范大學(xué)化學(xué)系，上海200234）

2010年秋，美國國家納米創(chuàng)新計劃辦公室出版了一份于2009年5月間舉行的以“借助于納米技術(shù)的感知（Nanotechnology-Enabled Sensing）”為主題的專題研討會的報告。報告由十余位知名專家討論后草擬成文，審定過程數(shù)易其稿，耗時近一年才得以完稿和出版。報告詳盡評述了基于納米技術(shù)的化學(xué)傳感器和智能傳感器系統(tǒng)的研究開發(fā)現(xiàn)狀和前景。頗有參考價值。有鑒于國內(nèi)科技人員對基于納米技術(shù)的微型傳感器系統(tǒng)的關(guān)注，本文擬對這份報告作一簡略評介。

為了應(yīng)對納米科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展以及各國間的激烈競爭，美國政府在直接向總統(tǒng)負責(zé)的國家科學(xué)技術(shù)委員會之下設(shè)立了納米科學(xué)、工程和技術(shù)委員會，并于2000年制訂了國家納米創(chuàng)新計劃(National Nanotechnology Initiative,NNI)，由國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室負責(zé)協(xié)調(diào)25個聯(lián)邦機構(gòu)的納米技術(shù)研究、開發(fā)和部署。如何推動國際領(lǐng)先的研究開發(fā)項目是國家納米創(chuàng)新計劃的四個目標之一。在2007年公布的國家納米創(chuàng)新戰(zhàn)略計劃中確定舉行一系列有明確主題的專題研討會。所確定的主題都是與納米技術(shù)存在著潛在關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，并有著迫切的經(jīng)濟、社會、國防和市場需求。開發(fā)具有高選擇性、高靈敏度的微型智能傳感器系統(tǒng)更顯示出日益增長的緊迫性，以期能對多種成分進行快速的同時檢測，以應(yīng)對國計民生和國家安全所提出的快速和現(xiàn)場檢測需求。納米技術(shù)在研制新一代高密度、多成分檢測的微型智能傳感器系統(tǒng)的進程中顯示了令人關(guān)注的作用。參與美國國家納米創(chuàng)新計劃的不少聯(lián)邦機構(gòu)對此表現(xiàn)出高度興趣。

2009年5 月，在國家納米科學(xué)、工程和技術(shù)委員會的支持下，國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室組織了以“借助于納米技術(shù)的感知（Nanotechnology-Enabled Sensing）”為主題的專題研討會。會議組織者確定以化學(xué)和生物組分的確認和定量檢測作為討論的主要論題，并關(guān)注于由納米技術(shù)推動的信號轉(zhuǎn)換和微型傳感器的系統(tǒng)集成。八十位來自學(xué)術(shù)界、政府部門和工業(yè)界的知名專家和工程師參與了研討會。會議的開始階段，由各該領(lǐng)域的專家就傳感技術(shù)某一領(lǐng)域的現(xiàn)狀和納米技術(shù)潛在影響下的新發(fā)現(xiàn)作評述。以突出共同關(guān)注的問題、所面對的挑戰(zhàn)和優(yōu)先發(fā)展的結(jié)合點。在隨后舉行的分會自由討論中，與會者討論了應(yīng)用納米技術(shù)于傳感技術(shù)研究開發(fā)中的機遇，將微型納米傳感器件集成為傳感系統(tǒng)的主要難點以及對研究方向、市場需求和優(yōu)先領(lǐng)域的看法。自由討論時，也希望與會者從社會公眾的視角提出看法和建議，并列入該報告的第一章中。會后，會議主席和一部分專家草擬了會議報告，在審定過程中幾易其稿。該報告不僅是提交國家納米科學(xué)、工程和技術(shù)委員會的官方報告，同時公開發(fā)表供研究項目負責(zé)人、實驗室管理者和研究人員參考。報告于2010年秋公開發(fā)表。

報告共分三章。第一章論述傳感系統(tǒng)與納米技術(shù)的關(guān)聯(lián)。第二章論述借助于納米技術(shù)的傳感器件。第三章討論了系統(tǒng)集成和生產(chǎn)的主題。文中插入不少精心設(shè)計的示意圖和表格。深入淺出地對所涉及的主題進行了探討，適合于不同學(xué)術(shù)背景和從事不同工作的讀者閱讀。文后還附有參考文獻和進一步了解相關(guān)內(nèi)容的閱讀材料的目錄。

傳感器是一種能對各種物理、化學(xué)和生物參數(shù)發(fā)生特異響應(yīng)并將其轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件。市場需求和從事傳感器研究開發(fā)的科技人員及管理部門推動了傳感器系統(tǒng)的加速開發(fā)，力圖將采樣、預(yù)濃縮、感知和信號分析以及測試結(jié)果的遠距離傳輸?shù)炔考稍谝黄?。這樣的傳感系統(tǒng)將具有高靈敏度，能在復(fù)雜背景下同時測定多種組分，且能將測試結(jié)果遠距離傳輸?shù)綔y控中心。

納米技術(shù)的飛速發(fā)展使這種新型的傳感系統(tǒng)的設(shè)計和制造成為可能。并有可能在以下八個方面的應(yīng)用中得以實現(xiàn)。諸如：藥物和健康、工作場所安全性、環(huán)境監(jiān)控、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)、能源、工業(yè)過程控制、交通和國土安全及應(yīng)急響應(yīng)。新型納米材料的應(yīng)用大幅度提高了傳感器響應(yīng)的特異性和靈敏度。性能獨特的納米功能界面與不同的感知對象在分子層次上發(fā)生特異性極強的互相匹配，產(chǎn)生特殊的響應(yīng)信號，還可能具有極高的信噪比。高比表面的納米材料使傳感元件表面的感知反應(yīng)速度增大許多倍，從而使靈敏度得以大幅度提高。這就為表面積約為1平方厘米的微型傳感器系統(tǒng)的集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。納米光子器件和納米電子器件的優(yōu)異性能更拓展了傳感器件的種類和適用對象。除了最常用的電化學(xué)傳感器件外，納米技術(shù)和納米材料的引入推進了電磁傳感器件、光譜傳感器件、磁學(xué)傳感器件、力學(xué)傳感器件的應(yīng)用。報告的第二章中對上述不同類型傳感器件的研究進展、面臨的挑戰(zhàn)以及未來研究方向都有所評述。

第三章的標題是“把它們放在一起——加工、集成和制造(Put it All Together——Fabrication,Integration,and Manufacturing)”。該章評述了微型傳感系統(tǒng)的集成的工藝過程。提出了從“材料選擇——結(jié)構(gòu)設(shè)計——加工方法——器件組裝”的總體流程。符合傳感器特殊要求的材料的選擇以及傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是極為重要的基礎(chǔ)。MEMs和NEMs是常用的加工工藝。文中討論了兩種光刻加工路線的異同和實施：從表層向下的刻蝕加工（Top-Down）及從底層向上的逐層組裝（Bottom-Up）。并舉實例說明加工方法進展及面臨的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的集成和封裝也是極其重要的工藝過程。美國航空航天局的微型氣體傳感器集成系統(tǒng)的衛(wèi)星搭載和航天飛機乘員艙試驗表明了精細的集成和封裝工藝對傳感器系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的極端重要性和已經(jīng)達到的先進水平。

總之，該報告對借助于納米技術(shù)的傳感器及微型傳感系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和未來從學(xué)術(shù)和技術(shù)、工藝等方面進行了簡略但精辟的介紹和評述，值得一讀。報告全文可從美國國家納米創(chuàng)新計劃的官方網(wǎng)站免費查閱和下載（http://www.nano.gov）

以下是該報告的目錄：

第一章傳感系統(tǒng)和納米技術(shù)

1.傳感系統(tǒng)

2.傳感器研究方向

3.有賴于納米技術(shù)的解決方案

4.納米技術(shù)應(yīng)用于傳感系統(tǒng)的高風(fēng)險機遇

5.公眾建議欄（注：會議參與者從社會公眾視角所提出看法）

第二章用于感知的納米傳感器件

1.引言

2.電/化學(xué)傳感器件

3.電磁傳感器件

4.光譜傳感器件

5.磁學(xué)傳感器件

6.力學(xué)傳感器件

第三章把它們放在一起——加工、集成和制造

1.引言

2.潛在的能力

3.加工制造工藝的現(xiàn)狀

4.加工制造工藝面對的挑戰(zhàn)

附錄

A.專題研討會議程

B.會議參加成員名單

C.資料來源和進一步閱讀材料

D.圖表來源

E.名詞術(shù)語