Košík  |  Kontakt  |  English
Česko596 311 899
Mezinárodní+420 596311899

Co to jsou nanosenzory? Jak a kde se používají?

Teplotní nanosenzory Představte si, že je potřeba měřit teplotu jednotlivých živých buněk. Vzhledem k tomu, že buňka má velikost kolem 0,010mm, pak by termočlánkové dráty (pokud by tato metoda byla zvolena), musely mít průměr menší než jeden mikron. Toto je doména nanosenzorů.

Tato bílá kniha od OMEGA engineering definuje nanotechnologii a popisuje způsoby, jak nové senzory uplatnit v praxi. Článek řeší nové měřicí aplikace s kompaktními senzory, kde se otevírají a vyzdvihují jejich výhody při používání. Zvláštní důraz je kladen na měření teploty kompaktními termočlánky. Zatímco jen několik inženýrů potřebuje pracovat v nano měřítku, uvedené informace jsou použitelné v celé řadě aplikací.

Jednotlivé části se zabývají:
  • Nanotechnologie a nanosenzory
  • Federální podpora výzkumu
  • Příklady použití nanosenzorů
  • Výhody kompaktních senzorů
  • Měření teploty v malém rozsahu

Nanotechnologie a nanosenzory

"Nano" se vztahuje k objektům měřených v nanometrech či v miliardtinách metru. Řekněme například, že list papíru je asi 100 tisíc nanometrů tlustý a blond vlas měří asi 30 tisíc nanometrů. V měřítku této stupnice má povrch větší vliv na chování materiálu než je tomu u větších objektů. Ve výsledku se vlastnosti jako je vodivost, odrazivost a magnetizmus mění ve srovnání s většími subjekty.

Federální podpora výzkumu

Využití těchto poněkud zvláštních vlastností má velký potenciál pro zlepšení zdravotní péče a pro vývoj nových a vysoce výkonných materiálů. Aby se urychlila práce v těchto oblastech, federální vláda spustila Národní nanotechnologickou iniciativu (NNI). Tento program poskytuje prostředky pro práci v nanotechnologickém výzkumu.

Podskupinou tohoto úsilí je "Nanotechnology Signature Initiative" (NSI) což je vývoj nanosenzorů. Nejde o velikost senzoru (i když některé z nich mohou být velikostí řádově v nanometrech), ale spíše to znamená, že senzor umí pracovat v nano měřítku. Příkladem je detekce nano velikosti nečistot obsažených ve vzduchu.

Očekává se, že tyto senzory poskytnou nová řešení fyzikálního, chemického a biologického snímání, což umožní zvýšení detekční citlivosti, specifičnosti a způsobilosti multiplexování ve stolních přístrojích, pro širokou škálu zdravotních, environmentálních a bezpečnostních aplikací. Nové vysoce výkonné nanosenzory, již prokázaly rychlou reakci a zvýšenou citlivost při svých miniaturních rozměrech.

Příklady použití nanosenzorů

Laboratoře
Laboratoře
Čisté místnosti
Čisté místnosti
Nanosenzory nalézají využití ve zbrojním průmyslu, zdravotnictví a ve spotřebních výrobcích. Zde jsou některé příklady:

Detekce poletujících chemikálií: Tyto senzory využívají změnu v elektrické vodivosti, která nastane, když se molekuly vážou na nanovodiče vyrobené z polovodičových materiálů jako je oxid zinečnatý. Jedna z aplikací je detekce nadbytečného množství oxidu uhelnatého.

Detekce bakterií a virů: Tyto senzory také využívají změn v elektrické vodivosti, v tomto případě u uhlíkových nanotrubiček, na něž je vázána protilátka (v těle). Když se odpovídající bakterie nebo virus naváže na protilátku, lze změřit změnu vodivosti.

Měření teploty živých buněk: Vědci na univerzitách v Princetonu a California-Berkeley vyvinuli "nanoteploměry", které mohly být vloženy do jednotlivých buněk. Spíše než na použití běžného termočlánkového vodiče, jejich technika spoléhá na polovodičové krystaly, které mění barvu s tím jak se mění teplota. Ve větším měřítku, vědci zpravidla používají k měření teploty jemné termočlánkové dráty, v ex vivo tkáních, když zjišťují ohřívací účinky ultrazvuku.

Měření teploty nanokapalin: Řízení odvodu tepla je rostoucí problém a to zejména v oblasti elektroniky. Výzkum a vývoj nanokapalin, s lepšími tepelně vodivostními vlastnostmi, je v plném proudu. I v tomto případě jsou potřebné senzory, aby měřily tyto "nano" účinky.

Výhody kompaktních senzorů

Zmenšení velikosti senzoru má mnoho výhod:
  • Rychlejší odezva
  • Lepší odstup signál-šum
  • Přesnější údaje
  • Zvýšená hustota dat
  • Menší dopad na měřený jev
Pro ilustraci uvedených bodů, zvažte výhody měření teploty pomocí jemných holých termočlánkových drátků.

Měření teploty v malém rozsahu

Doba odezvy koreluje s průměrem drátu. Například Omega údaje ukazují, že zatím co termočlánek z drátů průměru 0,75mm potřebuje 40 sekund na odezvu při změně teploty vzduchu, termočlánek z drátů průměru 0,025mm potřebuje k odezvě pouze 0,05 sekundy.

Čas odezvy
Průměr drátu
mm (in)
Klidný vzduch
427°C/38°C
(800°F/100°F)
Proudící vzduch (60 ft./sec)
427°C/38°C
(800°F/100°F)
Klidná voda
93°C/38°C
(200°F/100°F)
0.025 (0.001) 0.05 sec 0.004 sec 0.002 sec
0.125 (0.005) 1.0 sec 0.08 sec 0.04 sec
0.381 (0.015) 10.0 sec 0.80 sec 0.40 sec
0.75 (0.032) 40.0 sec 3.2 sec 1.6 sec

Tímto způsobem s použitím jemných holých vodičů, se velmi zlepší časová odezva. To umožní rychlejší odezvy řízení, případně zlepšení kvality kritických teplotních procesů, vytvoření vyšší hustoty dat, která jsou cenná při snaze zachytit přechodové děje.

Pokoušet se měřit malé jevy s relativně velkými nástroji, má za následek slabý odstup signálu od šumu (představte si měření průměru jemných drátků 30cm pravítkem). Nastavení rozsahu senzoru k jevu, který se má měřit, zlepšuje kvalitu dat.

Kvalita dat se také zlepší díky přesnějšímu umístění senzoru. V případě termočlánku, provedeného z jemného drátu, jej lze často dát blíže ke zdroji tepla nebo k požadovanému místu měření.

Zmenšení velikosti měřicího senzoru (v tomto případě termočlánku) znamená, že jich lze v dané oblasti umístit více. To zvyšuje prostorovou hustotu získaných dat, což umožňuje přesnější sledování účinků, jako je například tepelný tok.

V mnoha případech, zejména když se měří malá množství nebo jsou prováděna přesná měření, stává se vliv senzoru na sledovaný děj problémem. Měřič zrychlení přidává do pohybujícího se systému hmotnost a potenciálně mění výsledky. Termočlánky mohou udělat totéž, odváděním tepla z místa měření. Totéž platí i při měření teploty pohybující se kapaliny; větší termočlánek vytváří větší poruchu v toku. Všechny tyto příklady poukazují na výhody zmenšování velikosti senzoru a snižování jeho hmotnosti.

Myslet v malém

Laboratoře
Laboratoře
Nanotechnologie je velmi aktivní oblast výzkumu a má konkrétní důsledky pro senzorovou techniku. Nanomateriály a to jak pevné látky, tak kapaliny, umožňují vývoj nových výrobků včetně kompaktních senzorů, které mohou být začleňovány do široké škály zařízení. I když se měří změny teploty, vyvolává to potřebu mít schopnosti a smysl pro nano-měřítka.

Kompaktní měřicí zařízení jako jsou jemné holé drátové termočlánky, nabízejí možnost zlepšení jak hustoty, tak kvality získaných údajů. Zmenšování termočlánku, poskytuje rychlejší odezvu, snižuje narušení studovaného jevu a umožňuje začlenění většího počtu takových zařízení ve sledované oblasti. Podpora prací v nanotechnologii a pokračování růstu počtu měřicích aplikací v oblasti nano rozměrů, je zajištěna z federálních fondů.
generic name for bystolic read generic bystolic

Publikace
Stáhnout kompletní dokumentaci o
Teplotní nanosenzory
Související témata
Teplota Termočlánky
Precizní termočlánky | Technické reference
Co to jsou nanosenzory? | Měření teploty Typy spínacích relé: mechanické, polovodičové (SSR), interní...