超薄的传感器在各领域的应用

对于一个痴迷于超薄的人群来说，传感器似乎正在反映时尚潮流。纳米技术和纳米级材料正在提供物理，化学和生物传感的新解决方案，能够提高灵敏度，可靠地检测和识别污染物来源，发现杂质，定位病原体，并克服通常与传统传感器相关的技术障碍。因此，超薄传感器越来越多地应用于各种健康，安全和环境应用中，这些应用的尺寸确实很重要，越来越少，并且“薄而薄”。

多薄的传感器传感器去，虽然现在已经很好地理解用作气体传感器的薄膜半导体材料的技术，加州大学河滨分校的UC总统主席和电气和计算机工程教授亚历山大·巴兰丁以及他实验室的研究生想要订购进一步的规模：他们与二硫化钼建立了原子级薄的气体和化学蒸气传感器，并与纽约特洛伊的伦斯勒理工学院的研究人员合作进行了测试。这些器件具有二维通道，由于其高表面积与体积比，因此非常适合传感器应用。由于该材料中的电子能带隙，使用原子级薄的MoS2制成的传感器对某些气体具有更好的选择性，这导致在暴露于某些气体时强烈抑制电流。研究人员证明，他们称之为二硫化钼薄膜场效应晶体管（TF-FET）的传感器可以选择性地检测乙醇，乙腈，甲苯，氯仿和甲醇蒸气。

医疗应用是超薄传感器技术的主要推动力。例如，有灵活的压力传感器监测动脉 - 手腕血脉冲和声波的力，具有触摸灵敏度的纳米材料柔性压力传感器，为人造皮肤铺平道路，以及超薄MEMs电容式压力传感器检测微小的环境压力变化。然而，随着传感器的缩小，功耗和性能肯定不会下降。

可摄取传感器开发商Proteus Digital Health和计算机软件巨头甲骨文公司最近宣布推出一种数字健康反馈系统，该系统由可摄取的药丸传感器和可穿戴设备组成补丁和软件系统，使用Oracle的InForm软件提供数据收集。两家公司联手了解和测量药物摄入，剂量时间和患者生理反应，使临床试验研究人员能够获得准确的药物依从性信息，与目前使用的自我报告和临时实验室测试方法相比。

这些可摄入的传感器已使用了几年，没有不良事件的报告。传感器只有一粒沙子（尺寸为1平方毫米）主要由硅组成。它不含电池，而是包含两种导电材料，当它们在胃中变湿时，可以在短时间内为传感器供电。在其使用寿命之后，摄取传感器被设计成在正常消化过程中穿过身体。

可摄入的传感器和用于侵入性操作的传感器需要大量的生物学测试。飞思卡尔用于一次性应用的MPX2300DT1高容量压力传感器（图1）为医疗诊断，血压和患者监测以及压力导管应用提供了低成本解决方案。

图1：飞思卡尔MPX2300DT1压力传感器可用于侵入式应用。

低成本，高容量，微型压力传感器套件具有集成温度补偿和校准功能，可用作子模块组件或一次性装置。该设备将剪切应力 - 压力传感器设计的性能与生物医学认可的材料相结合，可用于各种侵入性应用。

有机硅介电凝胶覆盖硅压阻传感元件，提供符合所有USP XX生物测试的无毒，无过敏性弹性体系统

V类要求。凝胶的特性允许传感器将压力均匀地传递到设备的隔膜表面，同时将内部电气连接与流体的腐蚀作用隔离，例如盐水溶液。

去年，伊迪丝考恩大学（ECU）的纳米技术科学家开发出一种比人发稀薄500倍的pH传感器。在最先进的洁净室设施内，研究人员使用氧化钌纳米薄膜来制造该设备。 ECU电子科学研究所所长Kamal Alameh解释说，该解决方案集成了传感器和变送器，创造了一种新设备，取代了已经使用了大约80年的传统玻璃电极。

氧化钌传感器非常小;它整齐地放入一个长约1厘米，直径0.5厘米的胶囊中，发射器占据了胶囊的大部分空间。从胶囊内部，传感器能够读取电压，该电压转化为被测物质的pH水平或酸度读数。传感器和变送器的电子线圈由外部磁能供电。 pH传感器可广泛应用于农业，环境科学和水处理。鉴于该装置适合胶囊，它也可以用于药物环境，患者可以吞咽该装置而不会造成伤害。

“Skinny”也适用于传感器的薄膜厚度。例如，美国宇航局格伦研究中心（GRC）的传感器和电子部门正在开发用于推进系统研究中表面测量的薄膜传感器（图2）。这些传感器用于应变，温度，热通量和表面流动，以及用于未来空间和飞行器部件的关键车辆健康监测和表征。

薄型传感器的使用与危险的高温环境中的线或箔传感器相比，薄膜具有几个优点。它们不需要对安装它们的部件进行特殊加工，它们的厚度小于10微米，比金属丝或薄箔薄。该技术取代了总厚度大于10微米的喷涂传感器，NASA发现这会导致涡轮机部件的湍流和加热增加，从而导致错误的测量结果。

图2：在极端环境中使用，这种多层薄膜传感器读取几个参数。 （由美国国家航空航天局GRC提供）

薄压力和温度传感器

STMicroelectronics LPS25HB专为满足快速增长的可穿戴设备领域的传感器需求而设计，是一种防水MEMS压阻式绝对式 - 压力传感器，用作数字输出气压计。该器件包括一个传感元件和一个IC接口，通过I 2 C或SPI从传感元件与应用通信。传感元件本身由弹簧悬挂，以提供更大的冲击/振动耐久性。它提供高可靠性，易于系统集成，并支持更薄的设备。

除了小而薄之外，许多应用还需要非接触式传感器解决方案。采用芯片级封装的德州仪器（TI）TMP006/B红外热电堆传感器（图3）提供非接触式温度传感，用于健康，美容和火焰检测应用。它采用紧凑型封装，尺寸仅为1.6 mm x 1.6 mm x 0.625 mm。

图3：德州仪器（TI）的TMP006/TMP006B的简化示意图。

TMP006和TMP006B是完全集成的MEMs热电堆传感器，通过在最终用户视野内吸收波长在4μm到16μm之间的物体的被动红外能量来测量物体的温度。

通过I 2 C-和SMBus兼容接口，通过片上芯片热传感器测量数字化并报告热电堆上电压的相应变化。有了数据，对象的温度可以由外部处理器计算。

虽然瘦可能很有吸引力，但传感器的全部功能都是为了实现针对特定应用的设计所需的功能。正如本文所示，超薄传感器技术背后有许多驱动因素，各种现成的解决方案可以帮助工程师满足他们的设计要求，并且在研究实验室中开发的新传感器具有直到最近才有的能力梦想着。