采用了纳米技术的传感器正在迅速发展，然而即使对于普通的应用，产品生产和商业化之间仍然存在一定的障碍。
在Fox公司的著名医学剧“House”中，我们在人体中进行了一次短暂但是美妙的旅行，与病毒或细胞相伴，最后被著名的医生和他的团队发现。我们缩小到了纳米等级，目睹了这些在宏观世界、甚至在微观世界也无法看到的景象。
这也许是幻想，随着对纳米微粒的合并和操纵技术已经到了实际应用阶段，电影特效与实际仅仅一步之遥了。不久的将来，大多数专家都会赞同，一个纳米等级的传感器能够穿过血流，感应、监控和诊断一系列健康参数。事实上，纳米等级的传感设备已经出现在很多领域，从安全和能源到化学和药品加工还有卫生保健。
基于纳米技术的元件有改变材料、组件、设备和系统性能的能力和潜力。例如，一支粉笔和一个贝壳都是由碳酸钙组成，然而，粉笔跌落到地板上会断裂，而贝壳不会。他们由同一种材料组成，但是贝壳由大自然在纳米级别上构建，具有粉笔没有的高强度，这样的区别在结构上。
这种结构的背后的原理在于采用纳米技术在原子和分子等级上进行结构构建。采用这种方法，科学家得到了具有很多特性的材料，包括强度、耐久度和耐温性能
热带Morpho蝴蝶翅膀鳞片对于不同蒸汽的敏锐感光性，源于与不同蒸汽作用的鳞片拥有复杂的3D纳米结构。
优势明显
罗克韦尔自动化公司的工程、安全、传感和连通事务主管Suresh Nair说：“时下，纳米材料已经出现在元件封装工艺中。纳米涂层使食品和饮料工业面临的清洁维护问题迎刃而解。这种材料可以使产品表面达到无菌。未来，图像传感器也将会使用纳米材料，使得镜头不再受灰尘的影响，可以减少维护，无须擦式和清洁，传感器可以有更好的性能和更长的使用时间。当然，这样的便利也是要付出代价的，好的性能不等于好的性价比。”
纳米技术最初应用于安全、卫生保健和能量领域。根据GE Sensing公司的MEMS（微机电系统）和微结构纳米技术的全球产品经理Brian Wirth所述：“这些应用包括物质的分子级别检测，从气体检测到纳米污染物微粒的检测。任何释放的可测量分子都可以被检测到，例如塑胶炸弹或生物战中的空气传播污染物。大量的安全程序都转移到了纳米级别。”
然而，他承认道：“目前还没有很多相关产品，但是很多正在研发阶段。如果宽泛地定义，那么很多产品也可以算作纳米产品。我们已经拥有了用于检测纳米尺寸物质的安全设备，用于机场安保。为了适用于测量一些特殊物质，而不得不采用其他结构的纳米材料/涂层技术从某种程度上说也应该归类为纳米传感技术。”
为了减少卫生保健检测和诊断的可测目标量级，纳米技术上的投入很多。Wirth说：“这些技术免除了实验室检测的麻烦，使监控可以持续进行。采用正确型号的纳米传感器，测量可以持续不断，应用领域从糖尿病监控到痛感管理到血液科学。”
另外，Wirth看到了纳米传感技术对传统设备巨大的潜在冲击作用，制药领域的确认设备就是一个例子。他说：“药品在流水线上传送会被有毒物质污染，因此流水线必须经常清洁，且清洁需细致到每十亿微粒这个量级。过去，此任务由取样、实验室检测和等待结果这个复杂的过程完成。现在，这个任务就像机场检查行李一样，技术人员用一个类似嗅探器的药签来检测微粒或者污染物。检测实时完成，药签上采用了纳米材料和相应的纳米技术。它工作得更快更精确，而且是便携式的。”
运输和能量工业也可以获得收益。GE全球研发中心（GRC）的发言人Todd Alhart说：GE的GRC有一个开发纳米陶瓷材料的项目，通过减少飞机引擎的重量来提高飞机的效率。“这对环境有好处，而且也可以提高飞机性能。我们还有一个研究纳米合金的项目，可以使引擎和涡轮运行于更高的温度下，同样，也可以提高效率。我们同时也寻找纳米材料用来改善替代能源，例如风能和太阳能。对于风能，更轻的刀片意味着更高的风能转化效率。对于太阳能，新材料可以吸收更多的太阳光，使太阳能更加实用。”
广泛应用的可能
不管纳米传感的优点有多少，产品必须能够商业化才行。Roger Grace Associates的主席Roger Grace说道：“至今为止，纳米技术仅停留在材料上。纳米技术传感器必须具有纳米尺度的尺寸（元件<100nm）或者能够在纳米尺度下进行测量精确测量作业。我不认为有很多产品能够满足以上条件。”
Grace补充道：“大多数MEMS设备都需要17-20年的时间走向实际应用，纳米设备也不例外。”但是据某些人说，也许这个准备时间不会那么长。来自GE GRC的研究人员
GE GRC的首席科学家Dr. Radislav Potyrailo最近发现了蝴蝶翅膀的纳米结构，他同时说道：“我们正在辨识一些惊奇的特性，研究这些特性是如何得到的。例如蝴蝶翅膀，纳米构造是其具有敏锐的感光性和化学感知特性。我们现在正努力在纳米尺度下利用这些新的物理和化学现象，并将其融入在传感应用，这样就可以生产出更好的传感器。”
一个可能的应用是变色染料或荧光染料，可以做突出显示之用。Potyrailo说：“这些传统的染料好坏参半，其最大的局限性是在阳光或激光下会被漂白。所以，我们将研究聚焦于纳米结构，就像闪光的蝴蝶翅膀。蝴蝶翅膀的颜色并不是来自于蝴蝶的有机分子，而是来自于物理结构。至今为止，我们所知道的是这种复杂的纳米结构可以选择性地辨识空气中的气体，而且其性能比普通的方法要好。”
Keithley 仪表公司的纳米技术首席市场工程师Jonathan Tucker补充道：“每一个人都在试图开发生化检测系统，这毫不令人惊奇。当材料被加工到纳米尺度，它的性质与宏观和微观尺度的材料将会十分不同，这使得例如生物传感器的设备十分符合生
(a) (b)
(c)
粉笔（a）和贝壳（b）都是由碳酸钙构成。如果扔到地上，粉笔很容易折断，
而贝壳由于纳米结构导致的强度不同，则不会折断。放大很多倍的图像（c）显示：
贝壳好像是砖结构，这使得耐久性非常强。黑横杠代表250nm，放大一百倍。
（来源：Control Engineering和GE全球研究中心）
Tucker对商业化产品很积极，他说道：“我们现在看到了生化领域的纳米技术发展，在以后几年内纳米技术的发展将远远超出这个领域。在控制领域，由于纳米传感器具有极高的敏感性，它将被化工厂或其他工厂采用，用于检测毒性化学物质。这些纳米传感器的电学特性也很有意思。”
“因为很多传感器的设计是晶体管结构的，当设计者将纳米结构附加到这些器件上时，他们的表现将与传统的传感器十分不同，因为在量子尺度下，基本的定律都改变了。新的器件需要在实际环境中进行多次实验，设计者才能东西纳米传感器的电学特性，进而知道如何将这些电信号转化成有用的信息。”
对于进行纳米研究和开发所必需的纳米电学特性研究设备的发展，Keithley功不可没。（见《Nano-measurement in action》，此书介绍了一种纳米测量系统。）在半导体行业，纳米技术进展迅速，在传感器行业，必需在实际条件下确定纳米传感器的电学特性。
Tucker解释道：“我们的工具帮助研究人员理解设备的电学特性，我们称之为‘源测量单元（SMU）’。它们提供激励或者电源（电流或电压）使设备偏置，在被测生化元素被感知后，SMU测量响应电压或者电流，分析传感器的反应。这些工作可以帮助我们回答一系列问题：当传感器与被测物质接触时，什么样的电流需要被测量？如何区分空气和被测物质？那些是电学信号，如何区分？要滤除误测量，还有很长的路要走。”
仍需一些二次开发
虽然纳米传感产品的潜力显而易见且毋庸置疑，它在实际生产和过程传感中的应用仍存在一些障碍。
罗克韦尔自动化的Nair说到：“在这场技术革新中，仍障碍重重。用于高性价比生产的可靠商业过程、响应标准、度量衡和度量器具都尚处在起步阶段。IEEE（美国电气电子工程师学会）、IEC（国际电工委员会）和NEMA（美国电气制造商协会）等组
Grace说道：“压力集中在生产上。大多数研究人员专注于开发新技术，而不是如何将新技术应用到实际产品上。研究人员确实需要关注一下生产问题了。我们需要学习如何批量生产纳米产品，除非我们能够自动地生产纳米产品，且具有高生产率、低成本和可重复性。否则我们不能使纳米产品真正商业化。”大家付出了很多努力，Grace坚信商业化纳米产品最终会出现。
(a) &nbs
MEMS和纳米技术在过程上的相近帮助后者快速发展。这台微型FTIR显微分光计（a）对于生命科学、
药物发现以及其他工业应用有潜在的作用。它包括MEMS结构用于激发和位置传感，
以及诸如镜头、镜子、探头之类的光学元件。通过使用精密机械手，将这些微型元件被固定在硅基上。
并且，微装配还可以产生多自由度机制，比如这种微镜面垂直装配扫描（b）。MEMS热起动器装在500um的基台上。
（来源：德州大学阿灵顿分校自动化与机器人研究所）
他的观点与德州大学阿灵顿分校自动化与机器人研究所的主任、电子工程师Harry E.Stephanou博士不谋而合。Harry已经参与MEMS和纳米研究十余年，他同样认为生产是核心问题。
他说：“在实验室里我们可以开发很多东西，但是没有人会买这些东西。瓶颈在于我们无法低成本地生产传感器和启发器。除非产品可以工业化，否则它就是一件工艺品。”
一些试图将产品产业化的工厂已经出现。Stephanou说道：“但是需要一种新的生产工艺我们才能得到纳米产品。你不可能自己装配这些零件，我还没有看到这个问题有什么突破性进展。我们仍在试图将一些现有工艺的加工尺度降低以适应纳米产品生产，包括印刷、模版和平板印刷技术，但是都无法适应纳米产品尺度加工。我相信我们最终会找到，但是在那之前，我认为我们仍处在幻想阶段。”
从材料到设备
GE GRC乐观地将商业化进程设计为5年。对于这种乐观，Potyrailo给出了蝴蝶翅膀的例子：“蝴蝶翅膀的纳米结构教会我们如何在较大的建筑模块上合成纳米材料，以产生纳米阵列，那会使我们的工作更顺手一些。”
Keithley的Tucker认为纳米传感器商业化的第一步已经完成。“现在，开发人员正在利用现存的半导体结构，例如场效应管，将其结构进行纳米改造，以得到高敏感性的传感器。因此，这样的传感器可以在化工厂内用作毒气报警之用。传感器是第一种商业化的纳米元件。”
然而，Tucker承认成本仍旧是一个问题。“问题的一部分在于你所应对的元件用肉眼根本看不到。是否需要新的生产工具？答案是肯定的。人们正在尝试使用现存的半导体加工工具，同时，研究人员也在寻找完全不同的方法，来生产纳米器件。联邦政府和风险投资投入了很多资金在这项技术上，他们急需看到成果。”
GE Sensing的Wirth说道：“性价比是决定性因素，目前，这些技术还很昂贵，但是随着发展，它们的价格会慢慢降低，就如同MEMS的发展之路一样。当你可以将已知方法用于开发纳米产品的时候，你就距离将纳米产品市场化近了一步。”
UT的Stephanou补充道：“在商业化过程中，纳米技术的发展更侧重于材料而不是设备或系统。但是在某些特定方面，有可能会达到设备层。当我大学毕业时，我们使用的是独立的晶体管，今天的学生都没有见过晶体管，因为现在的晶体管都是内嵌于一个更大的结构中。现在纳米传感器的发展方向和晶体管的类似，从分立传感器到内嵌式传感器，进而达到系统层。”
Potyrailo很好地总结了在纳米产品商业化之路上的问题：
构建安全、标准
除了生产和装配，还有其他的问题存在，集中在健康和安全上。关注工作周边环境影响、纳米产品对人类身体的影响等。高校和政府层面的投资和研究力度很大，正在进行中。罗克韦尔公司的Nair说道：“我们不知道吸入纳米微粒的影响，我们也不知道纳米微粒在生命周期结束时会如何表现，如何处理纳米微粒？纳米微粒是否危险？这些都是不确定的。”（更多信息登录美国国家职业安全卫生研究所网站cdc.gov/niosh）
总体来说，这些纳米技术安全上的努力是很必要的。Keithley的Tucker说道：“联邦政府的国家纳米技术计划的战略之一是研究纳米技术的社会影响。安全问题有政府和高校赞助研究，主要针对材料危险性，例如碳纳米管，他们毒性有多少？还是根本没有毒性？当使用他们的时候会发生什么状况？这些问题不得不考虑。”
在产品研发过程中需要考虑的另一个问题时标准化。Tucker说道
GE的Alhart同意Tucker的观点。他说道：“安全性的重要性毋庸置疑，它是任何研究的前提。我们正在与政府机构商榷，确保纳米技术的安全使用以及纳米领域有效的规则。”
Tucker强调道：“参与到标准制订和相关工作中去，这会给你带来相当大的优势，对于纳米传感和纳米产品仍有很多空白，不要把这个机会让给别人。”
纳米测量
纳米产品专用工具正在进步，例如电学描述测量系统。目前正在使用的是Nanomix公司开发的Zephyr测量系统，用于CNTFET（碳纳米场效应管）传感器的试验和描述，它有很多应用。测量系统由针对不同安装包的系统固有特性、可选组件和测量设备以及用户脚本驱动软件组成。
脚本语言描述设备设置和测量方法。测量方法顺序安排，可以嵌套或并行。测量结果传送给输出模块，以文件方式存储数据并在用户图形接口上显示结果，可以通过菜单激活。大多数的脚本属性（参数）都可以通过用户接口进行设置。例如，实验时间、测量精度和通用接口总线地址可以作为用户定义属性。每一种脚本语言都有与之配套的属性集或者与其他脚本语言公用一套子属性集（例如，设备的通用接口总线地址）。
设备是以实验组的形式安排的，这种方法也叫做实验分块化设计。通常，每一组所有的设备都在同样的情况下测试并存储。每一个独立设备的信息只需输入一次，以后，只需要选择组ID就可以运行相应实验。
现在，这套系统支持来自很多供应商的20种仪器，包括：安捷伦科技、Keithley仪表、Nanomix、Omega Engineering、Sensirion、Teledyne 工程科技和Vaisala，另外，还支持虚拟仪器，虚拟仪器从CNTFET设备采集I-V（电流-电压），通过特殊输出元件保存并显示I-V数据，脚本只是用来控制开关和运行时间的。
数据文件可以上传到数据库，在Nanoscope中浏览，或者使用Matlab或其他工具进行分析。这套系统经过2年的使用证明具有很高的灵活性和适应性。在BSD授权下，软件的开源版本很快就会发行。zephyr.sourceforge.net
以上材料部分参照美国国家科学基金0450648号文件。更多信息请登录Nanomix网站或发邮件给Sergei Skarupo：sskarupo@nano.com
