在纳米感知中,基于离子的感知由于有着轻质量、低温、高灵敏度、可调节性、空间可分辨等优点,利用离子对外界事物变化的高灵敏传感特性,获取其中的特征信息,在感知科学和工程领域扮演着举足轻重的作用。使用离子作为探针,与传统传感器有本质的区别,尤其是在量子信息和人工智能蓬勃发展的时代,传统传感技术已经不能满足当下人们日新月异的生活需求,提高传感器的精确度、准确度和灵敏度是一项极具挑战又迫切需要的工作。本文主要介绍了基于表面离子阱的系统搭建以及两个离子传感的相关实验。在系统的搭建方面,主要包括离子阱设计与模拟、光路和激光稳频系统搭建、射频功率稳定的优化等。在离子传感的实验方面,包括多离子结构相变的热开关和光开关实验以及单离子声子激光的微弱力探测两个方面的工作。在结构相变的实验研究中,实现了八离子晶体的温度驱动结构相变,使用红失谐的驻波场作为温度控制手段,且可视为易于调节的独立热源,改变驻波的失谐或功率可以线性或非线性地驱动离子结构相变过程。八离子晶体的热开关的温度响应范围低至134 μK,这比直接用单离子对热的感知高了一个量级。另外,结合智能图像处理技术能更快速、更准确地响应温度或激光的变化,使开光感应具有智能化、高效化的优点。开关响应时间主要取决于成像曝光时间和图像识别速度,从而实现了超低温下温开光或光开关的快速响应。预计实现稳定的开关的响应时间只需50毫秒。在声子激光的实验研究中,我们使用红、蓝失谐的两束激光照射单离子,产生振动振幅的放大,形成声子激光。然后采用注入锁定的方法将离子的运动频率锁定在很窄的稳定振荡范围内,并使用运动同步测量的方法,通过测量离子运动振幅来获得外加的微弱力的大小。另外,在额外施加了参量压缩后,我们实现了3 dB的噪声压缩,由此提高了微弱力测量的灵敏度。离子的运动振幅的探测精度低至7 nm,力的灵敏度为347（50）yN/Hz1/2,绝对力探测的下限为87（71）yN。声子激光的灵敏度比通过成像技术探测位置的方法高了 2个量级。