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/樣品界面的變化過程。該技術(shù)構(gòu)成了一個多用途的傳感平臺，能夠在研究、現(xiàn)場條件下以及電池傳感器和空氣質(zhì)量傳感器等應(yīng)用功能中檢測和監(jiān)測各種材料和界面的變化過程。

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，因為它是由等離子體振蕩的量子化產(chǎn)生，就像聲子是機(jī)械振動的量子化一樣。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。近可見光的電磁場可以激發(fā)LSPs。當(dāng)白光通過等離子體傳感器時，由于粒子對光的吸收和散射，導(dǎo)致透過光的消光光譜出現(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，通過監(jiān)控共振峰的變化，就可以檢測和監(jiān)控界面處發(fā)生的變化過程對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/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(相對于入射場)的結(jié)果。磁場從納米粒子表面呈指數(shù)衰減。在這種局部增強(qiáng)場的“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程引起)會影響共振。共振的變化反過來又改變了不同波長的散射光和/或吸收光的數(shù)量。這些變化可以用高分辨率光譜測量，在一個簡單的光傳輸或反射實驗中，使LSPRS成為youxiu的納米傳感器。

一般來說，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(毫秒的時間分辨率)、實時的遠(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實現(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LSPR偶極場外，不會與所研究的納米材料發(fā)生物理相互作用。

磁場穿透間隔層，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行的無人航天器。人造衛(wèi)星基本按照天體力學(xué)規(guī)律繞地球運動，但因在不同的軌道上受非球形地球引力場、大氣阻力、太陽引力、月球引力和光壓的影響，實際運動情況非常復(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)試驗衛(wèi)星和應(yīng)用衛(wèi)星?？茖W(xué)衛(wèi)星是用于科學(xué)探測和研究的衛(wèi)星，主要包括空間物理探測衛(wèi)星和天文衛(wèi)星，用來研究某星球的大氣、輻射帶、磁層、宇宙線、太陽輻射等，并可以觀測其他星體，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)報道，目前，美國麻省理工學(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，由于該過程需要無塵環(huán)境，導(dǎo)致半導(dǎo)體等離子體傳感器成本昂貴，且需要幾個星期的復(fù)雜制造過程。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。

該研究團(tuán)隊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，通過在塑料3D打印過程中使用玻璃陶瓷，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。

研究報告資深作者、麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室(MTL)首席科學(xué)家路易斯·費爾南多·委拉斯奎茲-加西亞(Luis Fernando Velasquez-Garcia)說：“增材制造會在未來太空硬件領(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，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@項最新研究報告發(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)測天氣或者監(jiān)測氣候變化。

該傳感器包含一系列布滿小孔的帶電網(wǎng)格，當(dāng)?shù)入x子體通過小孔時，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，傳感器將對其進(jìn)行測量和分析。

等離子體傳感器應(yīng)用成功的關(guān)鍵是對齊網(wǎng)格的孔狀結(jié)構(gòu)，它必須具有電絕緣性，同時能夠承受溫度的劇烈波動，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)計中，成為裝飾藝術(shù)建筑中最常見的材料。

日本三菱電機(jī)17日發(fā)布消息稱，公司開發(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光紫外線硬化的特殊樹脂，據(jù)稱發(fā)射衛(wèi)星時不需要搭載天線，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。

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，用特殊樹脂制造用于天線的反射鏡。