新突破！用於嵌入式溫度測量的磁性納米傳感器

2020-10-20 電子工程世界

美國NIST的熱磁成像與控制項目正在開發納米級別的溫度傳感器

位於馬裡蘭州的美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員正在開發一種納米級超靈敏溫度傳感器陣列，據悉，這種傳感器可以嵌入到各種材料中。

該系統將是第一個在不透明的三維體積中對微觀溫度進行實時測量的系統，其中可能包括醫用植入物、冰箱、電子設備，甚至是人體。

該團隊介紹，熱磁成像和控制(Thermal MagIC)項目可能會給生物學、醫學、化學合成、製冷、汽車工業、塑料生產等許多領域的溫度測量帶來革命變化。NIST的物理學家Cindi Dennis:「幾乎任何地方的溫度都起著關鍵作用。」「這是無處不在。」

Thermal MagIC將通過使用磁信號隨溫度變化的納米級物體來發揮作用。這些傳感器將被植入到被研究的液體或固體中，例如可作為人工關節置換的一部分的融化塑料中，或通過冰箱循環的液體冷卻劑中。遙感系統將接收到這些磁性信號，被研究的系統將不會受到導線或其他笨重的外部物體的影響。

它可以使溫度測量的精確度比最先進的技術提高10倍，精確度在100毫秒內達到25millikelvin。測量可到國際單位制(SI);換句話說，它的讀數可以精確地與開爾文的基本定義相關聯。（開爾文是世界上最基本的溫度單位）

該系統旨在測量200至400開爾文(K)， -73至126攝氏度的溫度範圍。有可能實現更大的溫度範圍。

Dennis:「這是一個巨大的變化，如果我們能開發出來，我們有信心會用到更多領域，並做一些我們目前無法想像的事情。」

第一步是製造納米級別的磁體，這種磁體能在溫度變化時發出強烈的磁性信號。它們對溫度變化的敏感度要比現有的任何物體高出10倍。

為了找到材料和結構的正確組合，該團隊正在使用NIST開發的建模軟體。面向對象的微磁學模擬軟體OOMMF將用於識別新材料並進行合成，然後進行表徵。結果將反饋到OOMMF，以預測他們下一步應該嘗試何種材料組合。

「在磁性納米物體方面，我們已經取得了一些非常有希望的結果，但我們還沒有到那一步。」

研究小組已經發現並測試了一種很有前景的納米顆粒材料，這種材料由鐵和鈷組成，其溫度敏感性根據製備材料的方式可控地變化。加入適當的外殼材料來包裹納米顆粒的核心，將使研究小組更接近於為Thermal MagIC創造一個工作的溫度敏感納米顆粒。

來自磁體的信號將由一個磁粒子成像儀(MPI)的變體採集，該磁粒子成像器圍繞樣品並測量出納米粒子發出的磁信號。

雖然存在類似的MPI系統，但它們的靈敏度還不足以測量溫度微小變化所產生的微小磁性信號。NIST團隊面臨的挑戰是如何增強信號。

NIST的物理學家Solomon Woods:「我們的儀器與MPI非常相似，但因為我們必須測量溫度，而不僅僅是測量納米物體的存在，我們本質上需要將MPI的信噪比提高1000到10000倍。」

他們計劃使用諸如SQUID(超導量子幹涉裝置)、測量磁場極其細微變化的低溫傳感器，或者檢測外部磁場如何改變原子能級的原子磁強計等技術來增強信號。

該項目的最後一部分是確保測量結果可以追溯到SI，這是一個由NIST物理學家韋斯·圖領導的項目。這將包括測量納米溫度計在不同溫度下的磁信號，而這些溫度是由標準儀器同時測量的。

Woods:「儘管在疫情期間開展工作面臨挑戰，但我們的新實驗室已經取得了一些成功。」「這些成就包括我們首次合成用於測溫的多層納米磁系統，以及利用從原子鐘研究中借鑑的超穩定磁溫度測量技術。」

相關焦點

  • 磁性傳感器的應用都有哪些?
    磁傳感器廣泛用於現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用於測量磁場和其他參數。   　　磁傳感器是把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。磁傳感器分為三類：指南針、磁場感應器、位置傳感器。
  • 嵌入式傳感器，藏在衣服中的健康監測器
    傳統的傳感器是一種能將非電量信號按一定規律轉換成便於處理的電信號並將其輸出的器件，通常由敏感元件、轉換元件和測量電路３部分組成。運用於服裝中的傳感器，一般具有柔性、智能、微型和集成等特點。這種嵌入式的傳感器，非常柔軟，嵌入服裝中，和普通服裝並無太大差別，可以和其他衣物結合創造出可用於監測溫度、呼吸、心率等生命體徵的服裝。
  • 一篇文章看懂納米傳感器所有「貓膩」
    ，用於改善傳感器的靈敏度和性能。　　用零維的金屬氧化物半導體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構成氣敏傳感器。　　納米氣敏傳感器的研究中，主要方向之一是在氣體環境中依靠敏感材料的電導發生變化來製作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒(例如Pt和Pd) ，大大增強了選擇性，提高了靈敏度，降低了工作溫度。
  • 壓阻碳納米管嵌入式納米纖維傳感紗，用於可穿戴紡織品傳感器
    在材料和結構設計方面，通過將彈性壓阻型碳納米管（CNT）嵌入PU納米纖維包裹在可伸縮的纖維型芯電極上，成功地在纖維和紡織品基體上構建了精細的傳感微/納米結構和高效的導電網絡，實現了多模傳感能力。在傳感機理上，利用這種製備方法和先進的結構，製備的織物傳感器具有精細的層次結構，從一維宏觀紗線到亞微米彈性納米纖維，再到內部納米尺度的碳納米管滲流網絡。
  • 「熱魔法」：溫度成像的新革命
    無論是客廳裡的恆溫器，還是科學家們用於實驗室測量的高精度標準儀器，如今使用的大多數溫度計只能測量相對較大的區域——在宏觀上而不是在微觀上。這些傳統的溫度計是侵入式的，需要傳感器穿透被測系統，並通過大量導線連接到讀出系統。而紅外線溫度計，如許多醫生辦公室使用的前額測量儀器，則侵入性較低。但它們仍然只能進行宏觀測量，不能測到表面之下。
  • MEMS紅外溫度傳感器國內技術獲得突破
    春暖花開，新冠肺炎帶給我們的壓抑感好像已經過去，生活慢慢恢復了往日的模樣，如果說有什麼不同的話，大概就是人們出門都帶起了口罩，進出公眾場合需要測量體溫。而這些測溫工具裡最核心的部件就是溫度傳感器了。紅外溫度傳感器在自然界中，當物體的溫度高於絕對零度時，由於它內部熱運動的存在，就會不斷地向四周輻射電磁波，其中就包含了紅外線。紅外溫度傳感器就是利用這一原理製作而成的。因此，紅外線傳感器可以利用遠紅外線範圍的感度來檢測人體溫度，以此來測量人體體溫。
  • 嵌入式智能化傳感器的設計
    摘 要： 給出了智能化傳感器嵌入式控制器的開發環境、典型嵌入式微控制器硬體結構和軟體結構及設計方法，同時對智能化傳感器的信號處理方法作了簡單介紹，最後提供了一些目前廣泛應用的嵌入式微控制器晶片。
  • 《ACS Nano》綜述:用於組織工程的磁性納米複合水凝膠
    他們結合了製備顯示出可控性能的磁性納米粒子的主要策略的詳細摘要，以及將其摻入水凝膠的不同方法的分析。還綜述了磁響應納米複合水凝膠在不同組織工程中的應用。磁性納米粒子當施加交變磁場或非交變磁場時，MNP的磁性取決於其響應。通過控制MNP的物理和化學特徵（圖2），可以預測它們在磁場作用下的響應。因此，在這類納米材料上感應的磁矩可用於控制其方向和/或在其他更複雜結構內的積累，同時防止其聚集，沉澱和/或非特異性定位，以及發生不良的相互作用或 對周圍環境的潛在有害副作用。
  • 磁性傳感器的5大應用
    AMR在感測地磁場範圍內的弱磁場測量方面見長，常被製成轉速傳感器、接近開關、隔離開關。以及導航系統中的羅盤，計算機的磁碟驅動器，各種磁卡機、旋轉位置傳感、鑽井定向等。同時巨磁電阻還可用於MRAM、角度或位置傳感器、電流傳感器、生物檢測以及軍事領域等方面。 隧道磁電阻TMR TMR元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。
  • 最智能的傳感器是什麼?納米傳感器的種類
    納米傳感器的種類 納米技術傳感器主要包括納米化學和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量等） 納米化學和生物傳感器 納米技術引入化學和生物傳感器領域後，提高了化學和生物傳感器的檢測性能，並促發了新型的化學和生物傳感器。
  • 俄用巨磁阻抗研發掃描磁性顯微鏡
    來源：科技日報科技日報莫斯科8月25日電 （記者董映璧）俄羅斯國家研究型工藝技術大學利用巨磁阻抗傳感器研發出掃描磁性顯微鏡。藉助這種顯微鏡可以看到被研究對象表面附近的局部磁場的圖像。新設備的優點是無創性、高解析度和良好的磁靈敏度以及簡單的設計。相關研究成果近日刊登在《磁學和磁性材料》雜誌上。
  • 【科研進展】新型二氧化矽磁性納米複合材料,可用於去除水溶液中的...
    因此近來開發了不同的工程納米材料，包括二氧化矽或碳基、金屬或氧化石墨烯納米顆粒。其中，磁性氧化鐵納米顆粒的出現不僅因為其良好的吸附性能，還因為其可以從水體系中輕鬆去除。氧化鐵磁性納米顆粒(MNPs)，的確具有表面積大、吸附金屬離子的活性位點多、選擇性好、毒性低等特點。但由於其表面具有疏水性，在水介質中會發生聚集，降低了吸附效率。
  • 溫度傳感器的特性與分類以及結構詳解
    溫度傳感器的特性　　溫度傳感器是檢測溫度的器件，被廣泛用於工農業生產、科學研究和生活等領域，其種類多，發展快．溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類．所謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，這是溫度測量的基本形式．而非接觸式是測量物體熱輻射而發出的紅外線從而測量物體的溫度，可進行遙測，這是接觸方式所做不到的．
  • 【科研進展】新型二氧化矽磁性納米複合材料,可用於去除水溶液中的Pb2+!
    因此近來開發了不同的工程納米材料，包括二氧化矽或碳基、金屬或氧化石墨烯納米顆粒。其中，磁性氧化鐵納米顆粒的出現不僅因為其良好的吸附性能，還因為其可以從水體系中輕鬆去除。氧化鐵磁性納米顆粒(MNPs)，的確具有表面積大、吸附金屬離子的活性位點多、選擇性好、毒性低等特點。但由於其表面具有疏水性，在水介質中會發生聚集，降低了吸附效率。
  • 精確的溫度至比特轉換器解決了溫度傳感器測量難題
    該器件整合了每種類型傳感器所必需的模擬電路和溫度測量算法以及線性化數據，以直接測量每種傳感器，並以 oC 為單位輸出測量結果。熱電偶概述熱電偶產生的電壓是熱電偶尖頭 (熱電偶溫度) 和電路板上電氣連接點 (冷接點溫度) 之間溫差的函數。為了確定熱電偶溫度，需要準確測量冷接點溫度，這種方法即大家熟知的冷接點補償。
  • 納米科學:能夠測量生物分子的電荷和質量的新型傳感器!
    納米科學：能夠測量生物分子的電荷和質量的新型傳感器！實驗設置用於基於電荷的變化檢測生物分子。傳感器結合在電路中，生物分子位於傳感器頂部的電解質填充的塑料井中。傳統上，金屬氧化物半導體（MOS）傳感器用於通過測量電荷的變化來檢測生物分子與表面的結合。這些傳感器由矽半導體層，玻璃絕緣體層和金金屬層組成，併入電路中，生物分子位於傳感器頂部的電解質填充的塑料井中。如果然後施加電壓並測量電流，則可以從給定的電容讀數中計算出電荷。具有不同電荷的生物分子將為您提供不同的電容讀數，使您能夠量化生物分子的存在。
  • 磁性納米粒子有助於瘤細胞的化療
    打開APP 磁性納米粒子有助於瘤細胞的化療 cnBeta.COM 發表於 2021-01-07 14:18:16 倫敦大學學院研究人員領導的一項新研究表明
  • 國外研究發現微型自供電溫度傳感器晶片可用於高靈敏熱電偶設計
    4月15日消息，據外媒報導，來自牛津大學、代爾夫特大學和IBM蘇黎世的一組研究人員證明，石墨烯可用於構建靈敏且自供電的溫度傳感器。這一發現為高度敏感的熱電偶的設計鋪平了道路，該熱電偶可以集成在納米器件甚至活細胞中。
  • 自診斷碳納米複合材料可用於航空智能表皮傳感器
    "），該研究的重點是通過添加碳形成的多功能材料從納米顆粒到聚合物基質的設計，旨在通過廉價的技術進行自我診斷監測。Skoltech微納力學實驗室）隨著全球範圍內聚合物複合材料對性能的要求逐年提高，碳納米顆粒在添加到此類材料系統中時受到了廣泛關注。研究表明，它們可以以相對較小的添加量來提高所需的機械性能，同時始終使最終材料具有導電性和壓阻性。然而，將碳納米顆粒併入大規模生產是有問題的，需要大量的設備升級。
  • 磁性接近開關工作原理
    5．傳感器技術發展趨勢　　隨著科學技術的發展，各國對傳感技術在信息社會的作用有了新的認識，認為傳感器技術是信息技術的關鍵之一。傳感器技術發展趨勢之一是開發新材料、新工藝和開發新型傳感器；其二是實現傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化。