纳米聚合物传感器新种类浅析

　　一、引言

　　随着科技的发展，纳米传感器的研 究与开发也逐渐引人注目。1998年利用单电子效应制作的金纳米传感器诞生[1]，2001年又有人制作了一种新奇的Pd纳米H2传感器。本文主要介绍了 金纳米聚合物传感器，石英叉纳米聚合物传感器和碳纳米管聚合物传感器等纳米型传感器。由于它们具有高灵敏度，高选择性等优良特点，从而可应用于工业、农 业、国防、环保、医学等各个方面。

　　二、纳米聚合物传感器的工作原理

　　1、微型叉纳米聚合物传感器

　　这种传感器是由石英叉以及附着在叉上的线状聚合物组成，可以直接将受力变化转化为电信号。这一点不同于以往使用的悬臂技术[1、2](通过簧片间接将 受力变化转化为电信号)，从而可以消除额外的嗓声源，简化了设备。石英叉是具有一定强度的稳定结构，其参考参数如下：长约2mm，宽约200mm，厚为 100mm，一支叉的响应频率为32.768kHz，弹性系数K=~20kN/m，两支叉的热涨落振幅在室温下大约只有4×10-4nm[3]，伴随着一 个极其尖锐的共振峰，相应的阻力灵敏度是5pN/Hz1/2[5]。对于外力的敏感程度可用品质因数Q表示，Q为在振幅峰值高度一半处所夹宽度所对应的响 应频率值。在空气中，Q值为8000左右。由于其特有的灵敏性，石英叉制作的传感器最近已被用于原子力显微镜。

　　制作聚合物线 的材料有硝化纤维素/甲苯和磺酰胺甲醛树脂。首先将溶解在甲苯中的聚合物凝胶用转录的方法(translation stage)在光学显微镜下拉伸，线 中单个的聚合物链在甲苯蒸发后通过非共价键连结在一起，然后将制好的聚合物线用胶粘在石英叉上。用这种方法制得的聚合物线的宽度达到微米量级，再利用聚焦 离子束(FIB)技术将尺寸减小至100nm×500nm，最后将附着聚合物线的石英叉放入一容器中，让少量的N2流经这一容器。石英叉振动振幅随频率变 化的曲线如图2所示。可以看出，与无聚合物的石英叉相比，响应频率要宽一些(Q=300)。由于聚合物线的存在而使阻力增加，带有聚合物线的石英叉振动频 率可高达2kHz。振动频率的变化与聚合物线的杨氏模量E的关系满足下式：

　　式中，L、A?D?D 聚合物线的长度和横截面积;Kfork?D石英叉的弹性系数;fo?D无聚合物时的响应频率;

　　△fo?D加上聚合物后振动频 率的改变。由于聚合物线而引起的质量变化是很小的，因此在上述公式中它被忽略。

　　如果 L=200mm，A=1.8×10-4mm2，Kfork≈20kN/m，f0=32.768kHz，△f0=2kHz，由上式可得杨氏模量 E=3×109N/m2。

　　用聚合物膜与纤维网也可作为传感器的材料，聚合物线可控制的几何形状以及它的面积与体积比都使传感 器的灵敏度得到更大的提高[6]。