3D打印、激光切割可以制造半導(dǎo)體等離子體傳感器

NPS是一種多用途和極其表面靈敏的光學(xué)技術(shù)，利用l的納米粒子(通常是金或銀)作為局部傳感元件研究分子尺度薄膜的性質(zhì)。Insplorion傳感器的納米加工的等離子體圓盤嵌入定制的介電材料中，提供了傳感器優(yōu)良的保護(hù)和定制的表面化學(xué)。

Inspplorion采用了基于局域表面等離激元共振(LSPR)傳感的一般概念，并使其適用于廣泛的領(lǐng)域，其中納米圓盤作為光學(xué)天線響應(yīng)傳感器/樣品界面的變化過(guò)程。該技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)多用途的傳感平臺(tái)，能夠在研究、現(xiàn)場(chǎng)條件下以及電池傳感器和空氣質(zhì)量傳感器等應(yīng)用功能中檢測(cè)和監(jiān)測(cè)各種材料和界面的變化過(guò)程。

基于LSPR現(xiàn)象的NPS技術(shù)

Insplorion的納米等離子體傳感技術(shù)(NPS)利用了一種稱為局域表面等離激元共振(LSPR)的物理現(xiàn)象。

首先，什么是等離激元?“在物理學(xué)中，等離激元是量子化的等離子體振蕩。正如光(光振蕩)由光子組成一樣，等離子體振蕩也由等離激元組成。等離激元可以看作準(zhǔn)粒子，因?yàn)樗怯傻入x子體振蕩的量子化產(chǎn)生，就像聲子是機(jī)械振動(dòng)的量子化一樣。因此，等離激元是自由電子氣密度的集體(離散數(shù))振蕩。例如，在光學(xué)頻率下，等離激元可以與光子結(jié)合，產(chǎn)生另一種稱為等離激化激元的準(zhǔn)粒子?！?

局域表面等離激元共振LSPR

局域表面等離激元(LSP)是金屬納米粒子中自由電子連貫的、集體的空間振蕩。近可見(jiàn)光的電磁場(chǎng)可以激發(fā)LSPs。當(dāng)白光通過(guò)等離子體傳感器時(shí)，由于粒子對(duì)光的吸收和散射，導(dǎo)致透過(guò)光的消光光譜出現(xiàn)峰值，即共振峰。共振峰的位置由納米粒子的尺寸、形狀和材料決定，更重要的是，它也取決于鄰近納米粒子的介質(zhì)的折射率。因此，通過(guò)監(jiān)控共振峰的變化，就可以檢測(cè)和監(jiān)控界面處發(fā)生的變化過(guò)程對(duì)傳感器表面納米粒子的介電環(huán)境產(chǎn)生的影響。

LSP的共振條件(即能激發(fā)LSPR的光的波長(zhǎng)/顏色)由以下組合定義：

a、納米粒子的電子性質(zhì)

b、納米粒子的大小和形狀

c、 納米粒子的溫度

d、 納米粒子鄰近區(qū)域的介電環(huán)境

納米粒子的介電環(huán)境是局部增強(qiáng)等離子體近場(chǎng)(相對(duì)于入射場(chǎng))的結(jié)果。磁場(chǎng)從納米粒子表面呈指數(shù)衰減。在這種局部增強(qiáng)場(chǎng)的“納米體積”內(nèi)，局部介電環(huán)境的微小變化(由分子吸附或熱變化過(guò)程引起)會(huì)影響共振。共振的變化反過(guò)來(lái)又改變了不同波長(zhǎng)的散射光和/或吸收光的數(shù)量。這些變化可以用高分辨率光譜測(cè)量，在一個(gè)簡(jiǎn)單的光傳輸或反射實(shí)驗(yàn)中，使LSPRS成為youxiu的納米傳感器。

一般來(lái)說(shuō)，納米等離子體傳感技術(shù)NPS利用的納米粒子(通常是金或銀)作為局部傳感元件，它提供了*的性能組合，包括超高靈敏度、小樣本量/體積(由于“傳感器”很小，即通常在50-100納米范圍內(nèi)的納米粒子)和快速(毫秒的時(shí)間分辨率)、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程讀數(shù)功能。

在Insplorion的zhuanli“應(yīng)用納米等離子體傳感(NPS)技術(shù)”中，傳感通過(guò)玻璃表面上納米制造的非相互作用和相同納米圓盤的陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種納米圓盤陣列(“傳感器”)被一層介質(zhì)間隔層薄膜覆蓋。因此，傳感器納米粒子嵌入傳感器表面，除了通過(guò)LSPR偶極場(chǎng)外，不會(huì)與所研究的納米材料發(fā)生物理相互作用。

磁場(chǎng)穿透間隔層，在其表面及其附近也具有相當(dāng)大的強(qiáng)度，因此可以感知介電變化。

人造衛(wèi)星(Artificial Satellite)：環(huán)繞地球在空間軌道上運(yùn)行的無(wú)人航天器。人造衛(wèi)星基本按照天體力學(xué)規(guī)律繞地球運(yùn)動(dòng)，但因在不同的軌道上受非球形地球引力場(chǎng)、大氣阻力、太陽(yáng)引力、月球引力和光壓的影響，實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜。人造衛(wèi)星是發(fā)射數(shù)量最多、用途最廣、發(fā)展最快的航天器。人造衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量約占航天器發(fā)射總數(shù)的90%以上。 [1] 人造衛(wèi)星它可分為三大類：科學(xué)衛(wèi)星，技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星和應(yīng)用衛(wèi)星?？茖W(xué)衛(wèi)星是用于科學(xué)探測(cè)和研究的衛(wèi)星，主要包括空間物理探測(cè)衛(wèi)星和天文衛(wèi)星，用來(lái)研究某星球的大氣、輻射帶、磁層、宇宙線、太陽(yáng)輻射等，并可以觀測(cè)其他星體，世界上大多數(shù)的人造衛(wèi)星為人造地球衛(wèi)星，另外有人造火星衛(wèi)星等。

據(jù)報(bào)道，目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院最新研制3D打印精準(zhǔn)等離子體傳感器，該設(shè)備成本較低，且易于制造，這些數(shù)字化設(shè)備可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或者研究氣候變化。該等離子體傳感器也被稱為“延遲電位分析儀(RPAs)”,被人造衛(wèi)星等軌道航天器用于確定大氣化學(xué)成分和離子能量分布。

3D打印、激光切割流程制造的半導(dǎo)體等離子體傳感器，由于該過(guò)程需要無(wú)塵環(huán)境，導(dǎo)致半導(dǎo)體等離子體傳感器成本昂貴，且需要幾個(gè)星期的復(fù)雜制造過(guò)程。相比之下，麻省理工學(xué)院最新研制的等離子體傳感器僅需幾天時(shí)間制造，成本幾十美元。

由于成本較低、生產(chǎn)速度快，這種新型傳感器是立方體衛(wèi)星的理想選擇，立方體衛(wèi)星成本低廉、低功率且重量輕，經(jīng)常用于地球上層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

該研究團(tuán)隊(duì)使用比硅和薄膜涂層等傳統(tǒng)傳感器材料更有彈性的玻璃陶瓷材料研制了新型等離子體傳感器，通過(guò)在塑料3D打印過(guò)程中使用玻璃陶瓷，能夠制造出形狀復(fù)雜的傳感器，它們能夠承受航天器在近地軌道可能遇到的巨大溫度波動(dòng)。

研究報(bào)告資深作者、麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)首席科學(xué)家路易斯·費(fèi)爾南多·委拉斯奎茲-加西亞(Luis Fernando Velasquez-Garcia)說(shuō)：“增材制造會(huì)在未來(lái)太空硬件領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，一些人認(rèn)為，當(dāng)3D打印一些物體時(shí)，必須認(rèn)可其性能較低，但我們現(xiàn)已證明，情況并非總是這樣?！蹦壳斑@項(xiàng)最新研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《增材制造雜志》上。

多功能傳感器

等離子體傳感器首次用于太空任務(wù)是1959年，它能探測(cè)到漂浮在等離子體中的離子或者帶電粒子的能量，等離子體是存在于地球上層大氣中的過(guò)熱分子混合物。在立方體衛(wèi)星這樣的軌道航天器上，等離子體傳感器可以測(cè)量能量變化，并進(jìn)行化學(xué)分析，從而有助于科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或者監(jiān)測(cè)氣候變化。

該傳感器包含一系列布滿小孔的帶電網(wǎng)格，當(dāng)?shù)入x子體通過(guò)小孔時(shí)，電子和其他粒子將被剝離，直到僅剩下離子，當(dāng)這些離子產(chǎn)生電流，傳感器將對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。

等離子體傳感器應(yīng)用成功的關(guān)鍵是對(duì)齊網(wǎng)格的孔狀結(jié)構(gòu)，它必須具有電絕緣性，同時(shí)能夠承受溫度的劇烈波動(dòng)，研究人員使用一種可3D打印的玻璃陶瓷材料——Vitrolite，它滿足以上特性。據(jù)悉，Vitrolite材料最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初，常應(yīng)用于彩色瓷磚設(shè)計(jì)中，成為裝飾藝術(shù)建筑中最常見(jiàn)的材料。

日本三菱電機(jī)17日發(fā)布消息稱，公司開(kāi)發(fā)出在太空可使用3D打印機(jī)制造人造衛(wèi)星天線的技術(shù)，利用在真空中也可憑借太陽(yáng)光紫外線硬化的特殊樹(shù)脂，據(jù)稱發(fā)射衛(wèi)星時(shí)不需要搭載天線，有助于輕量化從而減輕發(fā)射成本。

據(jù)介紹，人造衛(wèi)星通常為擴(kuò)大用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率范圍，將搭載能夠大幅展開(kāi)的天線，因此必須使天線的構(gòu)造能夠承受發(fā)射的沖擊和振動(dòng)。

三菱電機(jī)的新技術(shù)是在人造衛(wèi)星上搭載比天線更小巧的3D打印機(jī)，做法是當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)太空后，用特殊樹(shù)脂制造用于天線的反射鏡。