自動化中的納米傳感器技術(shù)

1、前言

納米是一種長度單位，納米材料的尺寸非常小,一納米等于十億分之一米，千分之一微米。所謂納米技術(shù)，就是以納米尺度為研究對象的新技術(shù)。納米技術(shù)通過操縱原子、分子、原子團、分子團使其重新排列組合，形成新的物質(zhì)，制造出具有新功能的機器。由于納米材料的尺寸非常小(1nm：10—9 m)，與體材料相比，其化學(xué)、物理特性以及行為表現(xiàn)有很大的不同。它將顯示出許多奇異特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體有顯著不同。真正的納米技術(shù)必須具備一是納米尺寸，二是自然界里所設(shè)有的新特性。當(dāng)今基于納米材料特性的應(yīng)用也愈來愈廣泛,己滲透到各個工業(yè)與醫(yī)藥中各個領(lǐng)域,值此本文就納米技術(shù)在工業(yè)自動化與定位及生物傳感器中的應(yīng)用作分析介紹。

2、納米陶瓷及納米定位與納米自動化

以納米陶瓷粉為代表的納米硬粉具有很高的硬度和較好的耐高溫能力。納米陶瓷被認為是陶瓷研發(fā)的第三個臺階,也就是說從現(xiàn)代的具有納米級尺度的先進陶瓷將步入到具有納米級尺度陶瓷的研究階段。

新的燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展也使納米

2.1關(guān)于納米自動化工業(yè)和高精密納米定位領(lǐng)域中的高級壓電促動控制技術(shù)

有了高級壓電促動控制技術(shù)可以滿足納米自動化工業(yè)和高精密納米定位領(lǐng)域的需要。這里就其中幾項典型技術(shù)做簡單介紹。

2.11數(shù)字動態(tài)線性化技術(shù) Dynamic Digital Linearization(DDL)或稱動態(tài)精度技術(shù)

數(shù)字動態(tài)線性化(DDL)技術(shù)可將高速納米定位系統(tǒng)的動態(tài)線性度利有效帶寬提升3個數(shù)量級以上，極大提高了動態(tài)精度和系統(tǒng)跟蹤性能。

傳統(tǒng)的PID壓電促動控制器無法完全消除相延和跟蹤誤差(實際位置與目標位置之差)，原因一方面來自壓電材料自身的非線性，另—方面來自控制帶寬的限制和PID算法原理的限制。獨特的DDL技術(shù)解決了這個長期困擾壓電促動控制領(lǐng)域的問題。對于動態(tài)應(yīng)用，通過運用DDL，系統(tǒng)的相延和跟蹤誤差縮小到幾乎可以忽略不計,動態(tài)線性度和可用帶寬提高3個數(shù)量級。該項技術(shù)在單軸和多軸應(yīng)用小都可運用(見圖1、2、3)。

*圖1為傳統(tǒng)壓電促動控制器用于橢園掃描目標曲線(紅色)與實際曲線(藍色)示意圖。應(yīng)用采用激光器和XY壓電掃描臺加工長圓微孔,加工速度每圈60毫秒，紅色為目標曲線，藍色為通常PID實現(xiàn)的軌跡。

*圖2為DDL控制技術(shù)實現(xiàn)橢園掃描目標曲線與實際軌跡，同樣的系統(tǒng)運用DDL技術(shù)后，跟蹤誤差縮小到幾個納米，實際運動曲線與目標曲線基本重合。

*圖3為DDL控制技術(shù)可以將跟蹤誤差縮小3個數(shù)量級以上。圖中輸入為斜坡信號，傳統(tǒng)控制方式的跟蹤誤差放大10倍表示，DDL跟蹤誤差放大500倍顯示。

2.12主動軌跡控制技術(shù)Active Trajectory Contr01(多軸控制技術(shù))

主動軌跡控制技術(shù)主要用于并聯(lián)反饋納米定位系統(tǒng)，以提高空間定位精度，減小有害的橫向位移偏差和轉(zhuǎn)角偏差。

通過主動軌跡控制技術(shù)，系統(tǒng)的運動直線度和平面度提高到亞納米水平。該技術(shù)還可對角度方向的偏擺進行控制，并支持全自由度系統(tǒng)(例如6軸系統(tǒng)P-587)。圖4紅色部分為該功能關(guān)閉時平臺的往返直線度曲線，綠色(淺色)部分為主動軌跡控制開啟后的平臺往返直線度曲線。

該項技術(shù)的支撐技術(shù)包括并聯(lián)測量傳感技術(shù)和并聯(lián)運動機構(gòu)設(shè)計等。

2.13超高精度電容位置傳感器技術(shù)Ultra-High Precision Capacitive Sensor(傳感技術(shù))

十多年前，不少研發(fā)公司(如PI-Physik Instrumente公司)就已將超高精度電容位置傳感器技術(shù)應(yīng)用于納米定位系統(tǒng)中。電容傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了絕佳的線性度、低背景噪聲、低漂移和低纜線敏感度。

超高精度電容位置傳感器采用雙傳感片設(shè)計，線性度可達0.003%且長期穩(wěn)定性極好。電容位置傳感器屬于非接觸式傳感器，測量方式屬于直接位置測量。與SGS應(yīng)變片傳感器(電阻式)、LVDT傳感器(電感式)和增量編碼器(光柵式)相比，電容傳感器可進行壓納米級絕對運動檢測(直接位置計量)，絕對精度、線性度、分辨率、穩(wěn)定性、帶寬等都得到了大幅度提高。通過運用該技術(shù)，多軸并聯(lián)納米定位系統(tǒng)成功實現(xiàn)了軸間機械串?dāng)_的自動補償。電容傳感器噪聲水平與高精度激光干涉儀噪聲對比圖(見圖5所示)，步長為0.3nm。結(jié)果顯示傳感器噪聲明顯小于干涉儀，已接近皮米水平。

電容式位置傳感器技術(shù)與柔性納米定位臺設(shè)計的完美結(jié)合，產(chǎn)生了超低慣量和極小后座力的納米運動臺。

傳統(tǒng)的微米級運動臺即使配備超高分辨率編碼器也遠遠不能達到電容式納米定位臺的精度。大慣量、摩擦和伺服抖動問題使此類系統(tǒng)無法實現(xiàn)納米級的快速運動。

除了上述,還有提供光纖接口、P10、DSP鏈路、IEEE488、RS232、模擬輸入等多種控制接口；Preshaping前饋控制技術(shù)，提高動態(tài)線性度；自動識別技術(shù)，強化即插即用等其它高級壓電促動控制技術(shù)和功能。

2.2納米定位與納米自動化的新型的解決方案

納米定位技術(shù)是指提供各種不同類型的壓電納米定位系統(tǒng)和電機微米定位系統(tǒng)的解決方案。納米定位與納米自動化全套關(guān)鍵技術(shù)包括：從精密加工技術(shù)、數(shù)字與模擬控制電路技術(shù)到亞納米電容傳感器、PICMA陶瓷元件及壓電促動器技術(shù)。其應(yīng)用于計量、顯微、生命科技、激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、精密加工技術(shù)、光電子/光纖、天文等。

2.21壓電促動器與特精制壓電陶瓷

壓電促動器由陶瓷固體材料制成，可將電能轉(zhuǎn)換為機械運動。

*產(chǎn)品特點：亞納米分辨率；零摩擦，零靜態(tài)阻力；無空回、高剛性；超短定位時間(毫秒及毫秒以下)；可集成位置傳感器形成閉環(huán)控制；真空兼容，高溫或低溫操作；機械結(jié)構(gòu)可根據(jù)應(yīng)用要求進行選

*應(yīng)用領(lǐng)域
電信：光纖熔接中的精對準，諧振腔微調(diào)；
顯微：樣品定位，裝調(diào)和聚焦；
計量：干涉測量，主動抑振；
機械工程：用于工件和刀具對準的大負載壓電陶瓷；
微系統(tǒng)技術(shù)：微對準。

2.22壓電陶瓷促動器應(yīng)用- NEXLINE納米定位驅(qū)動技術(shù) 大行程大負載可自鎖

NEXLNE是帝新型直線驅(qū)動技術(shù)。其系列產(chǎn)品在實現(xiàn)亞納米分辨率的同時可提供數(shù)十毫米運動范圍，大負載和高的可靠性。

*NEXTLINE直線驅(qū)動技術(shù)的驅(qū)動設(shè)計：

NEXLINE采用了PiezoWalk驅(qū)動設(shè)計，理論上可實現(xiàn)無限大行程，并提供高機械剛度和原子級分辨率。NEXTLINE直線驅(qū)動器由數(shù)個獨立的壓電陶瓷促動器組個而成，通過PiezoWalk協(xié)調(diào)一致的伸長/收縮循環(huán)動作和夾持/放緩循環(huán)動作產(chǎn)生移動。每個伸長/收縮循環(huán)動作能提供幾微米的位移，而頻率可達100Hz。

2.23高速陶瓷直線電機直線運動臺

*壓電陶瓷電機特點：高速：800 mm/s和20g加速度；可自鎖，鎖定狀態(tài)廠不發(fā)熱、不產(chǎn)生磁場、不受磁場影響；直線編碼器直接閉環(huán)傳感；兼容PI電機控制器和第三方控制器；真空兼容，可無磁工作。

*應(yīng)用領(lǐng)域
光電子：光纖光學(xué)對準及MEMS對準；
微系統(tǒng)技術(shù)：受限空間內(nèi)的微操作；
顯微：高分辨率、小尺寸、大行程微調(diào)運動臺；
電子束環(huán)境下的對準；
生物技術(shù)。

2.24壓電納米定位系統(tǒng)與壓電掃描器-實現(xiàn)亞納米運動控制精度和最多6軸自由度

*產(chǎn)品特點：分辨率最小至50pm；行程可達1000μm；采用無空回、無摩擦、無跳動和高直線度的柔性鉸鏈計算機輔助有限元設(shè)計；系統(tǒng)運動軸可達6個；并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)反饋技術(shù)提供優(yōu)異的多軸定位精度；閉環(huán)控制實現(xiàn)更好的線性度與重復(fù)性；內(nèi)置電容位移傳感器，實現(xiàn)亞納米分辨率和穩(wěn)定性；陶瓷絕緣高性能促動器，提供超長壽命；經(jīng)優(yōu)化的機械設(shè)計、伺服控制算法和控制軟件，實現(xiàn)更高帶寬；高性能控制器和放大器(數(shù)字，模擬，模塊化，OEM，…)；前饋技術(shù)，實現(xiàn)快速定位；動態(tài)數(shù)字線性化技(DDL)，抑制跟蹤誤差；材質(zhì)可選擇銦鋼、鈦、鋼、鋁等，提供最優(yōu)的熱穩(wěn)定性；提供標準產(chǎn)品、OEM產(chǎn)品和用戶定制產(chǎn)品。

*應(yīng)用領(lǐng)域：納米科技、光電子精密定位、硬盤/光盤驅(qū)動測試采統(tǒng)納米定位、半導(dǎo)體測試設(shè)備、微光刻、晶圓步進、掩模精調(diào)、精密加工(非圓度修正，鉆孔，研磨)、掃描干涉、表面結(jié)構(gòu)分析、掃描顯微、自聚焦系統(tǒng)、生物科技。

3、碳納米材料及生物傳感器應(yīng)用

3.1碳納材料

在納米材料中，包括碳納米管、碳納米纖維在內(nèi)的碳納米材料一直是近來國際科學(xué)的前沿之一。僅碳納米管而言，碳納米管韌性極高，兼具金屬性和半導(dǎo)體性，強度比鋼高100倍，比重只有鋼的1/6。因為性能奇特，它被科學(xué)家稱為未來的“超級纖維”。性能頗佳的加強材料，理想的儲氫材料。它使壁掛電視將來可能代替硅芯片，從而引發(fā)計算機行業(yè)革命。

碳納米管可制成極好的微細探針和導(dǎo)線，其特性之一是能夠通過“功能化”或者定制設(shè)計來吸引某些分子。另一特性是其表面積非常大，但卻縮攏在非常小的空間中。這些特性非常適合于傳感應(yīng)用，在現(xiàn)有的傳感器中集成納米材料可以提高設(shè)備的靈敏度、選擇性以及響應(yīng)速度。而且，大面積和小體積特性非常有利于傳感器的小型化。

值此將對碳納米管應(yīng)用于生物傳感器作說明

3.2精細的碳納米管及應(yīng)用于生物傳感器

SAMMS(自主性中孔支撐單層材料)材料的特性來自于其非常大的內(nèi)部表面積，而碳納米管-精細的碳絲，其特性則是由外表面積決定的。

可以把許多這種東西放在一起，同樣能實現(xiàn)SAMMS那樣的小體積和高靈敏度優(yōu)勢。其最大優(yōu)勢是特異性和導(dǎo)電性(圖7)。由于碳納米管能夠?qū)щ?目標物質(zhì)鍵合到納米管的酶上之后，納米管就可以輸出一個信號。

將納米管應(yīng)用于生物傳感器，針對化學(xué)特性進行設(shè)計，實現(xiàn)多種傳感設(shè)備，包括空氣和血液傳感器等。把碳納米管做到一種便攜式自動傳感器系統(tǒng)中,探測有機磷酸酯(OP)。OP化合物不但會造成嚴重的環(huán)境污染，而且還是神經(jīng)劑的原材料?？植拦羰褂眠@類神經(jīng)劑時，探測這些化合物可以幫助應(yīng)急人員迅速做出反應(yīng)。

為了實現(xiàn)這些非常敏感的傳感器材料，使用層層自主技術(shù)將酶附著在碳納米管的表面。這些酶與神經(jīng)傳遞素的酶完全一樣，神經(jīng)傳遞素刺激實現(xiàn)神經(jīng)元之間的聯(lián)系。然后，他們采用酶鍵合碳納米管制作了直徑3mm的傳感器。酶接觸到OP后，活性會降低。作為電極，納米管探測活性被抑制的情況，輸出弱信號，將該信息傳遞給一個商用電化學(xué)探測器。探測器插在筆記本計算機上，可以瞬時讀出低至1ppt的OP濃度。大部分現(xiàn)有的OP傳感器能夠響應(yīng)百萬分之幾到十億分之幾的濃度。

據(jù)研究專家測試結(jié)果所知,在

將傳感器的實際效果歸結(jié)于酶反應(yīng)、碳納米管優(yōu)異的傳導(dǎo)性、龐大的納米電極陣列—。5×5mm微片電極上集成了1百萬個納米管。下一步是將微片電極集成到便攜式設(shè)備中，對血液采樣進行處理。

3.3關(guān)干SAMMS(自主性中孔支撐單層材料)說明

自主性中孔支撐單層材料(SAMMS,見圖9所示)結(jié)合了兩種最新的技術(shù)：納米多孔陶瓷基底(左側(cè))和納米多孔規(guī)則六角陣列(~6.0nm),剔除雜質(zhì)的自主單層材料(右側(cè))與交叉鏈接的氫化硅端附著在微孔表面，一部分構(gòu)成了單層材料的上表面。

最終形成的材料將所有微孔表面和功能單層材料(底層)排成一線，單層材料含有大量的分子，用于探測水銀、鉛、鉻和其他的有毒金屬或者重金屬.SAMMS可以針對某些化學(xué)特性進行設(shè)計,根據(jù)所采用的單層材料,選擇鍵合在多種基底上。它能夠有效的在水和不含水(碳氫化合物)溶液中使用。

4、結(jié)束語

上述納米定位、納米自動化技術(shù)及各種定位產(chǎn)品中直線與旋轉(zhuǎn)運動臺、PIFOC顯微物鏡定位器、角度偏轉(zhuǎn)鏡、六軸并聯(lián)機器人以及壓電陶瓷位移元件己在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。除了PI(Physik Instrumente)公司外還有不少的制造商應(yīng)運而生各有特色.納米材料除在生物傳感器,還在探測金屬、放射性核材料和氣體等領(lǐng)域應(yīng)用均取得極大迸展。