四、纳微传感器的类型及特性
微传感器是一类重要的MEMS器件，在MEMS中历史最长、产业化最早、产值最高。传感器是探测外界环境和条件变化的机械，它好比人的眼睛、耳朵和皮肤。在微型机械中占统治地位的传感器有很多种类；有辨别不同化学气体的气味传感器，测量压力的压力传感器，测量速度的速度传感器等。因此，按传感器的特征功能可分为物理量传感器、化学量传感器和几何量传感器等诸多类型。按结构原理可分为电容式、电感式、频率式、压电式等类型。总的来说微传感器的发展方向是智能化，尺寸不断减小，性能逐渐提高。
所测量的参数包括：加速度、压力、力、触觉、流量、磁场、温度气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度等等。
目前，应用的物理传感器有力传感器；光传感器；速度传感器；电磁传感器；红外线传感器等。化学传感器有温度传感器，湿敏传感器，气体传感器；气味传感器，嗅觉传感器等。生物传感器有酶传感器，湿敏传感器，微生物传感器，免疫传感器；基固传感器；组织传感器等。下面介绍纳米微粒在传感器方面的几种类型与特性。
1、气体传感器 （1）气体传感器是化学传感器是一种，它是利用金属氧化物随周围气氛中气体组成的改变，电学性能（如电阻）所发生的变化来对气体进行检测和定量测定的。用作气体传感器的粒粒径为1至几微米，粒子越小，比表面积越大，则表面与周围接触而发生相互作用越大，从而敏感度越高。目前已实用化的气体传感器有纳米SnO2膜制成的传感器，它可用作可燃性气体泄露报警器和湿度传感器，在0.5toor（66.7ba）氧气中制备的多孔性柱状SnO2超微粒膜示于图，当温度升高时，能够分别有选择地检测出水气、乙醇和异丁浣气体。这种膜对水气尤其敏感，而对异丁烷气体却不太敏感。
美国NRC（纳米材料研究）公司把发展纳米氧敏传感器列入重要的开发新型传感器当中，这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点：一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体的通道；二是工作温度大大降低，例如ZrO2气敏传感器可使工作温度由原来的800℃降低到300℃，而这个温度恰好是氧离子传输敏感的温度，有利于设计高灵敏度的氧敏传感器；三是大大缩小传感器的尺寸。NRC公司已发展了用Y2O3稳定的纳米ZrO2氧敏传感器，在汽车引擎上使用得到很好的效果。
（2）半导体陶瓷气体传感器的纳米技术机理
半导体陶瓷气体传感器因具有灵敏度高、结构简单、价格便宜等优点，得到了迅速发展，有相当数量的产品，至今已成为一大体系。纳米技术在半导体传感器中的应用，取得了可喜的进步。
半导体陶瓷气体传感器的气敏机理按照不同的材料构成可分为表面控制型、体控制型以及由这两种型式构成的复合控制型。表面控制型典型的传感器有SnO2、ZnO气敏材料构成的气体传感器，它的机理是器件中的活性气体氧以O2-、O2-、O22-等吸附氧形成塞积在晶粒的晶界处，造成高势垒状态，阻挡载流子运动使半导体器件处于高电阻状态，当遇到还原性气体如H2、CO、烷类可燃性气体时，与吸附氧发生微氧化一还原反应，降低了吸附氧的体积分数，降低了势垒高度，从而推动载流子运动，使半导体器件的电阻减少，达到检测气体的目的。器件的表面活性越高，这种微反应也就越激烈，器件的灵敏度、选择性越好，这与纳米技术具有高活性的表面效应是相对应的。体控制型典型的传感器有Fe2O3、ABO3（钙钛矿型）等气体传感器。它的机理是材料内部原子也参与被检测气体的电子交换反应，而使之价态发生可逆变化，所以粒子尺寸越小，参与这种反应的数量和能力也越大，产生的气敏特性也就越显著，这种机理与纳米技术具有量子尺寸效应也是相对应的。往往一种传感器的气敏机理更多地表现为上述两种机理的复合模型。
2、微压力传感器 一般以一可动薄膜为敏感部分。薄膜两边有压力差时会发生变形，变形量被转化成相应的电信号，成为传感器的输出，该电信号对应着相应的压力值。压差转化为电信号有各种工作原理的，如：压阻、电容、压电、真空微电子，隧道效应、谐振和光纤等。前两种最为常用。压阻式压力传感器利用压敏电阻检测因压力在硅膜中产生的应力。其信号民检测电路简单，得到广泛应用；电容式压力传感器通过测电容变化而检测薄膜的位移，其稳定性好、灵敏度高。适用温度范围广，但对电路要求较高。
3、纳米红外线传感器 属于光学传感器领域，纳米金属粒子吸收红外线的能力强，同时吸收率与热容量的比值大，这种吸波材料已用于红外线检测器和红外线传感器上。由Au超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器。Au超微粒子膜的特点是对可见到红外整个范围的光吸收率很高，当膜的厚度达500μg/cm2以上时，可吸收95%的光。大量红外线被金膜吸收后转变成热，由膜与冷接点之间的温差可测出温差电动势，可以测出微弱的温度差。因此，可制成辐射热测量器。
表2 主要红外线反射膜的组成、材料、制造方法
形式 组成 材料 制造方法
金属薄膜 Au,Ag,Cu 金属 真空蒸镀法
透明导电膜 SnO2,In2O3 金属、氧化物、其他化合物 真空蒸镀法、浅射法、喷雾法
多层干涉膜（1）
（电介质量-电介质） ZnS-MgF2
TiO2-SiO2
Ta2O5-SiO2 有机金属化合物氧化物、
其他化合物 真空蒸镀法CVD法、 浸渍法
多层干涉膜（2）
电介质-金属-电介质 TiO2-Ag-TiO2
TiO2-MgF2-Ge-MgF2 氧化物金属 真空蒸镀法
溅射法
4、湿敏传感器 利用纳米微粒与介孔固体组装成组装体的环境敏感效应，可制成纳米结构的传感器。Ag纳米颗粒与介孔固体形成的组装体系，当Ag的含量约为1%时，环境湿度小于60%下，组装体呈透明的淡黄色，当环境相对湿度达80%时，组装体变成黑色，经200℃加热，体系恢复透明的白色。这种受环境湿度影响透明-不透明可逆转的现象可以作为设计纳米微型开关的基础。
5、电磁传感器，术语“电磁的”指以波的方式传播的任何形式的能量。从最低的能量到最高的能量的一些例子是无线电波、红外线光波、从红色到紫色、紫外线的可见光，以及X射线。声音基本上是一种正在传播的压力波，因而有点不同于电磁辐射，但它可以非常相似的方式被感知。
由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化、廉价化。除读出磁头外同样可应用于测量位移、角度等传感器以及数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作环境等优点。
利用纳米材料巨磁阻抗效应制成的磁传感器已在实验室问世。例如用铁基纳米巨磁阻抗材料研制的磁敏感开关具有敏感度高，体积小，响应快等优点，可广泛用于自动控制速度和位置测定，防盗极警系统和汽车导航、点火装置等。纳米多层磁膜材料具有许多奇特性能、广泛用于信息存储和传感器等。
磁传感器可用于车辆动态控制、翻车报警和全球卫星定位系统（GPS）后备的偏航速率传感器；用于轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置敏感的位置传感器等方面，这些是2005年度汽车传感器的主要增长领域。
除此之外，它可广泛用于精密机械，如数字车床、机器人、磁盘驱动器、打印机一类办公自动化设备、通信机、测量仪表等各个领域转量（位置、速度、角度等）的检测和控制，具有非常可观的经济效益。
(待续)