国防上的穆尔法律：一个基于矽微型悬臂的智能传感器平台

国防上的穆尔法律：一个基于矽微型悬臂的智能传感器平台摘要——急需为发展存在廉宜的,高度地选择的,和极端地敏感的传感器帮助打击恐怖主义。如果这样的传感器可以被制造成极其小的规模，他们可能在实际上任何形势里被部署。恐怖分子有多种潜在代理和交付，这样意味着从中选择化学，生物学，传播学，或者爆炸攻击。检测恐怖分子武器已经成为一项复杂和昂贵的努力，因为目前需要众多传感器平台去发现不同类型的威胁。能集中生产和有效部署出一种能查出一系列威胁的单一传感器是赢得这场反恐怖主义战争的根本。基于硅的微型电子悬臂传感器代表了一种能与恐怖主义作斗争的理想的传感器平台，因为这些微型传感器是廉价的并且可以被部署在任何地方。最近，这种高灵敏性的微型悬臂传感器已经被用在各种各样的威胁的侦查中。因此，这种要求为单一微型传感器平台的需求已经被认识，并且实现这种综合、广泛、可部署的微型传感器是几乎可能的。关键词——化学，生物学，传播学，爆炸察觉，国防，微型悬臂，微型电子，悬臂传感器，恐怖主义。I介绍恐怖分子有超过法律的巨大的经济优势，正因为这样，很多次，发现恐怖分子威胁比部署恐怖分子威胁更昂贵。例如，一个天然爆炸设备能在飞行过程中破坏一架飞机。换句话说，在飞机场部署的当今的爆炸察觉技术是昂贵的并且需要操作者的时刻注意。那些象征性的价钱和努力也可能进行的化学制品或生物攻击甚至可能未被留意直到伤害的人们开始在医院出现。在核的角度上，使用一枚涂有放射性物质的常规炸弹，是其他可能的威胁。即使个人对于威胁敏感的察觉可能对于目前来说是可能的，但是这样的技术/传感器系统是庞大，昂贵的，并且需要费时的程序。此外，多次威胁的察觉需要使用基于不同的技术/传感器平台的多种专业的仪器。因此，在传感器技术方面的一种范例变化需要与反对恐怖主义作斗争。最好，国防需要一个有下列特点的传感器系统：1)同时和迅速能发现多次威胁的一个单个传感器的平台;2)一个廉价，微型和可以被部署在任何地方的坚固的传感器系统和数据传输;和(3)联网的内置遥测术.但是没有可利用的技术满足这些条件.不过，基于微型悬臂传感器的新兴的传感器技术能满足这些条件。这样的微型传感器可能被有效地使用在任何地方例如飞机场，海港，公共大楼等等，为这些静态建筑提供战略性的保护。在多种领域方面的技术进步，包括计算，交互化学和遥测术，已经足够成熟被合成为微型悬臂传感器技术。因此，微型悬臂传感器平台为这种传感器技术方面的革命得到平衡。例如，提出传感器技术可以与20世纪60年代内计算机的地位相提并论，任何计算被限制在少数的巨型计算机内。但是在穆尔里被简明表示的硅革命已经能够广泛使用在计算机。目前，昂贵和庞大的察觉系统已经很少的被部署在战略性位置，例如飞机场。在传感器技术方面的一次类似革命可能使数百万对智能化，微型的传感器的部署在一个基于微型悬臂的传感器平台是可能的。除反对恐怖主义战争外，这样的一个传感器平台将被应用在医学诊断，法律实施，地雷察觉，环境监控和很多其他应用过程中。因此，主要问题可能是如下，说明：需要能使用微型，廉价传感器迅速对复杂混合的大量多种威胁踪迹的察觉的技术。我们讨论对用传感器阵列达到这个目标的研究和当今的地位并且指出给微型悬臂传感器提供了一个合适的平台。应当指出这篇文章没打算是一篇全面的回顾文章。我们将短暂评论传感器阵列的当今的地位并且参考在微型悬臂和其他传感器技术上的文件。我们的意图是指出基于一个微型悬臂传感器平台用于国防的可能性。II同步和迅速侦破在刚刚过去的二十年里，我们一直在研究开发基于阵列的传感器的的“电子鼻”。在1982年，皮特和多德首次发表了一份关于现代电子鼻，试图模仿的嗅觉系统：他们指出哺乳动物的嗅觉系统基于宽转动的感受神经细胞，并且嗅觉系统的特性区别是整体上的系统的特性。对于特定的有气味物体，嗅觉受体是非高度选择性的；每个感受器能响应多种有气味物体，并且很多感受器对任何规定的物体都能作出反应。模式识别方法被认为是嗅觉信号处理的主要方式。电子鼻技术的基础上广泛使用同一概念调整多种传感器。这种做法的优势是同时检测各种分析的能力。到目前为止，几个可能的传感器阵列平台已经在被研究，作为电子鼻子的候选，包括那些基于金属氧化物，导电的聚合物，光纤，电化学，和声音的波传感器。加德纳和巴特利特详细描述这些传感器技术。多种统计和神经网络技术已经被应用处理源于传感器阵列的数据。最早应用基于电子鼻传感器阵列是对气味的评估和用于工业数据处理，这个并不奇怪。传感器阵列已被证明是成功的,这其中最令人感兴趣的应用是依靠变动传感器阵列响应模式来进行质量分析。基于传感器阵列的商业证书适用于这些应用。在这些应用过程中的通常使用的传感器技术是金属氧化物，聚合物，和声音[表面声波]传感器。金属氧化物传感器是庞大的，但是他们有每平方米1000000水平的敏感性；传感器与聚合物进行小型低功率消耗,但一般的敏感程度比金属氧化物传感器低；传感器从涂层得到他们的蒸汽检测功率并且能从有时候可以歪曲，涂料的粘弹性的特性的变化来识别吸附的蒸汽，。然而,发现微量的烟雾混合物总量尚未成功地实现传感阵列。几乎所有的传感器阵列研究到现在已经用传感器探测范围水平达到或接近1百万分率,最高约在12个传感器阵列。好察觉敏感性和高质量的传感器每阵列可能需要在复杂的混合物内取得踪迹察觉。最近的一项研究得出的结论是,增加了大量传感器性能没有大幅提高混合物的分析；最多6台传感器被在阵列里使用，并且为零部件蒸汽在阵列里使用的锯传感器的检测极限在低的1平方。而且，已经注意到在人类里有超过1000种嗅觉的基因和在一个狗鼻子里的超过1亿个嗅觉的细胞。相信微型悬臂传感器可以提供高灵敏度和在一阵列里用更多的单个传感器的能力，如此使在复杂的混合物里的踪迹蒸汽的察觉成为可能。这种高灵敏性微型悬臂传感器起源于大量固有表面集成的微观物体。因此，一台基于为信号传输而表面相互作用微型悬臂传感器预计能在敏感性方面提供巨大的扩展。过去十年里集成电路技术的迅速发展，已经在硅或者补充的金属氧化物半导体上起动化学传感器的制造。基本上二维集成电路和化学传感器结构以结合石印处理，薄膜，蚀刻，散播，并且氧化台阶被最近延长进第3尺寸使用微型机制或者微型悬臂技术一结合的特别特殊，蚀刻停止，以及牺牲层。因此，微型悬臂技术提供极好的方法达到化学传感器的其他关键标准，例如设备，低功耗并且还有低成本的批捏造的微型化。目前，两台基于CMOS技术的微型悬臂传感器正被研究，弯曲的盘子波(FPW)传感器和微悬臂的传感器。FPW传感器对更多的公用草地在很多方面相似看见和QCM传感器，并且它能监控在一层薄层上吸收的群众在传感器上沉积。它已经在最高的测量的敏感级显示高的每1000000000000平方米(ppt)水平的察觉敏感性。另一方面，微型悬臂传感器有另外的察觉方式，包括这种非常敏感的弯曲的方式，利用这高表面把收集成卷比率的这微型悬臂传感器元素和在在第III部分讨论时，经常展示附属察觉敏感性。III.微型悬臂传感器在1994年，研究人员观察用原子力量显微镜学(AFM)使用的微型悬臂对外部物理和化学影响敏感，指出弯曲的可能的用途，频率为化学制品感觉等等用微型悬臂移动在热量热学方面指出应用。从那以后，全世界的研究人员一直报告为检测使用微型悬臂各种各样的物理，化学，生物学，和传播学的影响。图1.扫描一套的电子显微镜图象不同的大小和形状悬臂。为比较,人发被显示出来。微型悬臂是从硅或者其他材料微机械加工的微型板。这种长度这些经常在100范围内-200米，而那些厚度分布在从0.3到1米的范围内。(在人嗅觉的系统里注意到那是有趣的，有香的分子的小屋的相互作用的场所在像头发一样长的发生，到200米长并且为气味提供增加的表面面积感觉是.)高灵敏性的关键的那些微型悬臂在这巨大表面把收集成卷比率，导致放大的表面重音，因为在下面讨论。图1与为比较的一根人头发一起显示一套微型悬臂。微型悬臂有两种主要显著转变方法，弯曲和装群众。总体上加载方式，微表现正如一样其他重量传感器(例如QCM，看见，以及FPW转换器)：他们的共振频率由于被吸附的群众减少。在这种"重量的方式"里，微型悬臂察觉敏感性好像可与其它重量的传感器的相比较。其它显著转变方法，即，弯曲的反应，对微型悬臂独特；例如，如果不同表面压力通过优先对它的一个宽的表面(通过在那个表面上使用一层化学薄层)吸附目标分子被达到，微型悬臂将弯曲。因为不同表面压力需要弯曲，只有一个宽的表面应该被为弯曲方式的操作涂上。因此，装群众的信息被只用作一笔红利。在弯曲的方式方面，微型悬臂察觉敏感性是至少比其他微型传感器，例如也正被作为化学传感器调查的锯和高的一项重要的命令。即使准确地为不同的传感器比较察觉敏感性很难，低或者在每平方米下面察觉敏感性通常与微型悬臂传感器一起取得没被被任何其他传感器匹配。近比较将使用的(DNT)的察觉看见和微型悬臂传感器，两台传感器使用相同的聚合薄层。因为弯曲信号的微型悬臂起源于表面压力，对一层浓的薄层的大量的蒸汽的扩散是不必要。因此，即使一单层厚的薄层可能不适合于重型传感器，他们很适于微型悬臂传感器。因为对这层薄层的大部分的蒸汽的扩散被避免，对被涂上的微型悬臂的反应和扩散可能是快的。图2显示反应在1.4平方米上集中涂上酸在可塑炸药S的微型悬臂。与(频率)测量相比较弯曲的信号以及弯曲的信号的优势的迅速和敏感的反应是清楚的。图2。一种酸的反应-对这定期涂上硅的悬臂进攻环境空气集中。固体曲线描绘弯曲的反应，小圆点短划线连结描绘伸臂式的共振频率。必须强调微型悬臂的弯曲程度并不是由被放置的材料的重量决定的。40千克的微型悬臂大约1纳米是由于它本身所引起的，在噪声级之上为一个悬臂式弯曲的信号。因此，由水平放置的材料的重量引起的弯曲是无意义的。另一方面，对于微米大小的物体，像微型悬臂一样，表面对容量的比率很大，表面作用极大地被扩大化。因此，吸附引起的表面力量可能极其大。吸附引起的力量可能归因于在表面自由能方面的变化。自由能密度与表面压力是相同(牛顿/米)。这表面压力在一种液体里与表面张力相似。偶然，表面压力有单位的恒定的单位伸臂式。如果这表面自由能密度变化可与这恒定的系数相比较，因此单位伸臂式将弯曲。当探查分子对他们的目标束缚时，位置妨碍和静电将引起复合体的分开。因为他们被限制在一个末端，因为表面面积是有限的，他们将力作用于表面上。微型悬臂传感器的另一个优势是它能在空气里和在液体里工作。共振频率和弯曲的方式可以被在液体里使用。因为这小微型悬臂，他们在空气和液体里执行热运动(布朗运动)。因此，外部激励不技术被需要进行激动；在液体里的被降低的质量因素可以用一种反馈途径改进。不过，如同在蒸汽阶段，弯曲信号的微型悬臂主要用于在液体里。尽管它的高灵敏性，悬臂式平台并不像其他化学传感器那样提供任何固有的化学选择性。硅的微型悬臂的表面可能功能化，当这暴露于蒸汽时，一个特定分子将优先被固定在那个表面上。因此，察觉敏感性通过在一个悬臂表面上涂一层合适的薄层而被大大地提高。这样的一层薄层能，原则上，也能提供选择性。一个传感器系统的基本要求是敏感性，选择性和可逆性。虽然敏感性和选择性是关键的，但是可逆性可能在一些条件下是不必要。缺乏选择性导致错误频繁局面（错误警报），这跟由于缺乏敏感性而导致错误底片一样有害。不过，选择性的程度跟察觉的可逆性有关。选择性和可逆性是化学传感器的竞争特性。在分解分子与悬臂薄层之间的相互作用的类型决定了吸附和解吸特性。象物理吸附那样的低能量，可逆的相互作用一般缺乏可接受的选择性的程度。而且，弱的相互作用可能导致不明显的吸附，这将导致传感器反应变弱。在另一端，高度选择的相互作用在性质上通常是共价的，并且在正常状态下是不可逆。两个"中间范围"相互作用能提供限制的选择性。一是氢压焊，并且另一个是协调化学。一氢原子与一个负电的原子能够让其移动离开它的电子云，因此它能用另一个负电原子形成氢结合体。例如，许多炸药的氧原子在特性合成方面能参加氢压焊。协调化合物由包围以中立或者带电的中心金属原子组成，经常有机的，液态。在液态里，一个或更多原子与金属离子相互作用。现在选择性可以受金属离子选择和通过液态的选择的影响，都是来自于电子或者静态的观点。在大多数应用过程中，最好是能够恢复传感器，因此使用"中间范围"的相互作用将是必要的，它反过来能扩大目标范围。因此，如果可逆的传感器操作被要求，单个的微型悬臂薄层可能不会提供充分的选择性。不过，通常，使用有多层薄层的一系列微型悬臂获得足够的选择性将是必要的，特别是如果传感器被要求监控多次威胁。模式识别计划需要选出这个目标蒸汽的组成成分。涂层材料的大量工作已经进行多年，特别是微型传感器的发展。在这上下文里，各种各样的聚合物薄层已经被调查。这主要是为了优化已在使用中看到高分子材料。这次主要考虑已经导致主要电影的发展，它允许迅速的扩散进大部分电影。因为他们的简单和稳定性，微型薄层最近已经获得注意了。即使微型薄层由于对适合锯，相似的传感器来说缺乏"卷吸收"而不可能提供感性，他们对于微型悬臂传感器以理想的弯曲方式工作为下列理由：1)象浸泡那样，一个简单的程序可以使用或者接触这层薄层，2)对传感器表面的捆对捆的由于微型悬臂为一层稳定的薄层提供压力的直接的输送，并且3)因为避免了结合分子与厚薄层的扩散，传感器反应和松弛是最快的。聚合物和有微型悬臂传感器的微型薄层用法的一些例子将在下面被提出。在过去10年中，很多突破已经在微型悬臂传感器的区域内进行。在微型机制方面的发展使用要求的敏感性来发展一系列微型悬臂梁成为可能。更早讨论的，很多化学选择薄层适合特殊化学的发展。感受器，抗体抗原或者酶底层反应已经被用来作为生物学的察觉研究。许多进步也在一些重要的领域取得。通过这样的工具帮助，物理，化学，并且生物学的察觉已经被使用微型悬臂传感器示范。这篇文章的以后的章节讨论有关于基于微型悬臂的国防安全的代表性的察觉结果。IV.选择一些用微型悬臂研究恐怖分子威胁察觉的相关例子炸药大多数炸药需要低汽压的环境温度。表格I表现一些普通炸药对大气压的气压。TNT是更多的通常使用的炸药之一。即使DNT不是一种炸药，因为下列理由，炸药的察觉可能基于DNT的察觉。1)即使炸药的主要成分是TNT，用生产等级较大的不是TNT而是DNT。2)DNT是TNT的合成副产品。3)在空气里的DNT的饱和浓度大约比TNT(见表格I)大25倍。烈性炸药，例如PETN和RDX，是在飞机破坏过程中的最严重的威胁，因为他们可能容易被隐藏(不名誉的"鞋轰炸机"让人处在他的位置隐藏PETN)塑造，缺乏一个雷管的情况下是很稳定，并且能用少量在飞行过程中破坏一架大的飞机。他们是，实际上，炸药最通常用于这目的。表I一些普通炸药的汽压(对大气压正常化)我们现在搞两个并行探测水汽爆炸方案。一个是基于常用的"被动检测",那里被涂上合适物质的爆炸分子的微型悬臂优先吸附在导致伸臂式的弯曲的一个表面。使用这种方法，我们已经使用一层4酸的薄层和聚合物涂上的微型悬臂。用微型悬臂用薄层报告TNT和DNT的察觉。第二种方法利用一种新奇的"活跃的察觉"方法，在那里爆炸蒸汽是沉积在粗糙的微型器的表面，并且搏动的电压被用于微型悬臂来把它加热成高温，那里沉积的爆炸性物体经过燃烧。因为燃烧事件只有爆炸材料才会发生，这种方法产生炸药的清晰的察觉。在爱达荷国家工程和环境实验室发展的一台蒸汽发电机用来产生PETN，RDX和TNT蒸汽。水库周围空气流通过含有少量的水汽流产生爆炸性物质。图3显示当一微型伸臂式暴露于PETN时伸臂式弯曲和共振频率变化。象从图3看见的那样，对暴露于PETN的弯曲的悬臂的反应极其敏感和快速。因为在这些实验过程中的弯曲的反应的噪声电平是2纳米(噪声电平的3个标准偏差)，符合图3的察觉敏感性是14。最大的伸臂式的弯曲被在20秒内取得。固体的曲线描绘弯曲的反应，并且小圆点描绘伸臂式的共振频率。由于PETN蒸汽的吸附的频率移动相当于在悬臂上聚集15千克的重量。图3.在自由流通的空气里，一矽悬臂对于集中蒸汽的反应。坚实曲线描述弯曲的反应,并且小点描述悬臂式共鸣频率。由于PETN蒸气的吸附频率转移对应于大量聚集在悬臂式的重量。图二显示爆炸可以迅速侦破和当蒸汽流被关掉时烟雾可以快速释放。当PETN蒸汽流被调为10秒时，一个40纳米的挠度信号可以被观察到。当这条蒸汽流被关上时，伸臂式被放松，在60秒内可以几乎返回它的原先的位置。像以前提及的那样，来自另一篇重要的报告在图2显示的数据是在伸臂式的共振频率下的，由于存在10秒的少许PETN改变。伸臂式的弯曲仍然容易被发现。就爆炸蒸汽的"活跃的察觉"而论，爆炸蒸汽被允许沉积在piezoresistive微型悬臂上和10伏，10毫秒脉冲电压才应用它。这导致爆炸材料放出空气，在弯曲信号的微型悬臂(伸臂式的弯曲被使用光学探测监控)上导致一放热的"碰撞"。另外，清楚看见浓烟产生的羽毛保存在大量超过几百的图片。图4显示被一架高速照相机捕获的一系列图像。图4(a)在一个电压脉冲的应用之前显示一个TNT装的悬臂的图像。图4(b)-(d)在加热的脉搏之后正好显示一连串框架。图4(b)-(d)清楚显示演化的反应对伸臂式发生的一缕气体；在激光灯(过去常常监控伸臂式的弯曲)下浓烟羽毛被照亮，清楚展示这浓烟环。伸臂式的离开散布的激光在图4(d)几乎不是可见的，而这在图4(a)显然可见。这可以被解释如下：在电压脉冲的应用前一会儿[图4(a)],悬臂表面为TNT所覆盖，导致在图4(d)更高镜面反射反射激光束与那相比较无一适合TNT伸臂式。图4。到导致突然燃烧(a)的一个电压脉冲征服的伸臂式一TNT存的高速照片，这个脉冲电压和(b)-(d)一连串框架在电压脉冲之后正好。左侧(红)部分的(b)这圈羽毛-(d)被因为灯常常这伸臂式弯曲的那些激光照亮。这TNT的总量在那些微型悬臂上沉积在1毫克(从观察计算在微型悬臂共振频率移动)。炸药的被描述的"活跃的察觉"方法，虽然象有多次威胁的察觉功率的一台微型传感器的一个零部件一样不合适，可以被在爆炸察觉的传感器包里使用提供被这种"被动的察觉"传感器阵列方法产生的一个积极的信号的确认。毒素作用虽然不象炸药一样流行，使用化学/生物学作用成为战争或者恐怖分子严重威胁的武器。一些生物战剂存在,可作为战剂。毒素作用的例子包括腊肠毒素，白喉炎毒素，炭疽和蓖麻毒素。大多数生物学的作用由细菌而来。蓖麻毒素由蓖麻产生。腊肠毒素是一些知道的最致命的物质，这些毒素比神经作用毒100000倍，比VX毒10000倍，并且比蓖麻毒1000倍。一种腊肠毒素（A类）被估计的致死剂量是体重的1ng/kg，并且毒素的致命的血水平是大约20毫克/毫升。蓖麻的被估计的致死剂量是3克/千克体重。目前，并不广泛存在可提供为非常生物学迅速的试验的作用。图5.毒素作用的侦查。悬臂式弯曲的反应作为对蓖麻毒素照射时间函数。我们成功地侦破了利用蓖麻毒素改造有毒微型悬臂。微型悬臂的一侧被蓖麻抗体修改。当蓖麻毒素被引入安放伸臂式的一间液体小屋时，伸臂式由于蓖麻抗体相互作用而弯曲。图5在蓖麻毒素被引入之后作为一个时间函数显示伸臂式的弯曲的反应。实验没有在流动条件下做。对于伸臂式，由于蓖麻毒素的扩散影响到扩散时间。生物学的种类的察觉的关键要求是修改承认的微型悬臂表面的能力。但是，大多数分子识别-剂分子不含有可供商业使用，于是大量的合成工作,必须下大力气开发每个分子特定微型悬臂的表面。在这方面，一般微型悬臂表面通过一层又一层去识别技术的修改方法已经被报道。使用职能化的微型悬臂报道有关具体的沙门氏菌的察觉的情况。化学战作用基本上，有3类化学战作用：神经作用，水泡作用，和窒息作用。神经作用影响神经推动在神经系统内的输送。全部神经作用化学属于原始化合物小组。神经作用的例子是GA(tabun)，GB(sarin)，以及GD(soman)。水泡燃烧作用在水泡皮或者他们接触的身体的任何其他部分。他们对眼睛，粘液膜，肺，皮和造血器官起作用。当吸入时，他们损坏呼吸道，在被摄取时，引起呕吐和腹泻。水泡作用包括硫芥末(HD)，氮芥末(HN)。窒息作用是使肺组织发病，主要引起肺水肿。在低浓度内，阻塞作用对呼吸系统起作用引起一流体在肺内的积累，能导致死亡。在高度集中过程中，使作用窒息由于相同原因导致死亡，但是他们也可能感染上呼吸道。把使窒息作用的化学制品归类为(PS)，氯(Cl)，二氯化碳(CG)。图6。自我采集的铜半胱氨酸双层膜给在上面的微型悬臂涂上的DMMP的弯曲的(左)总体说明。(中间)弯曲反应作为一个时间函数，为一个被涂上自我装配的铜在微型悬臂上的半胱氨酸双层膜的悬臂，各种各样的电解液的10个M解决办法的注射。右边)一个硅悬臂的最大的挠度与DMMP在0.01缓冲区在pH值=5:0内的集中有关被涂上一自我装配铜半胱氨酸双层膜在黄金表面上。化学战作用过去已经被使用。神经作用是在所知道的物质中的最有毒。那些神经作用吸入或者通过那些皮肤作为气体，烟，或者液体进入到身体。如果被神经作用污染的液体或者食品被消耗，中毒可能也发生。如果一个人暴露于一高度的集中的神经作用(例如，200毫克的sarin/m)的，当通过呼吸系统吸入时，死亡可能在几分钟内发生。当神经作用通过皮肤或者因消耗进入身体时，死亡就不会那么突然。在一个金表面上最近已经被描述的一层自我收集的铜的双层膜并且因为强大的铜契约的形成，能用来承认磷。我们使用一铜半胱氨酸识别神经作用在基于这机制的水解决办法内的双层膜修改悬臂。DMMP被用作一种神经毒气。层铜双层膜通过使形成浸入进一溶液缓冲区解决办法(pH值)的伸臂式适合24h。微型悬臂然后与缓冲区解决办法一起冲洗并且专心于缓冲区解决办法适合另外。当DMMP被引入悬臂寝室时，伸臂式经历由于相互作用弯曲。当DMMP被替换缓冲区解决办法时，伸臂式没返回它的原先的位置。流速是4毫升每小时.图6与DMMP集中有关显示伸臂式的弯曲的反应。已经显示磷强烈用铜和铜化合物组成。磷的化合物在高的pH值水平不稳定。伸臂式的弯曲由DMMP的暴露引起通过改变表面压力在微悬臂的表面上的铜，很可能是有铜半胱氨酸双层膜的DMMP的化合的结果。一悬臂5纳米的将近的挠度可以识别甚至适合一DMMPM.的集中观察的表面从例如钠磷酸盐的分析成分那里，天冬氨酸，二甲胺，二氮杂菲，乙酸和乙腈是可以忽视的。核辐射迄今为止没有因为恐怖主义发生而释放放射性物质。不过，由炸药和放射性物质做成的重型炸弹的威胁仍然是一种可能性。在其他国家的这个黑市上核材料增加这威胁水平的可能性并且强调对需要改进的设备可能会被大量地部署。重型炸弹可能被一个爆炸蒸汽的检测器发现。我们成功地并且展示了一台为阿尔法粒子微型辐射探测器。在空气里执行侦查。在这个实验,阿尔法粒子被允许冲击在被绝缘的金属表面直径1毫米电子。作为残余的充电储积功能在表面被保留在一个固定的距离几毫微米的微型悬臂进行偏折。静态偏折方法从热量转移遭受干涉。为避免热量转移,我们使用共鸣反应悬臂式。由连续运行力量定标曲线瞬间生产了在AFM显微镜积累瞬间共鸣。对悬臂，校正的推动力量,是实现样品(采集领域在这种情况下),然后退出。照原样被撤出,由于地面粘合剂力量悬臂端不首先打破表面;反而,悬臂式弯直到它恢复的力量(由于它的常数)超出黏附力力量。由于随着打翻表面距离的增加，打翻表面吸引力比恢复的力量更加迅速地减少,悬臂式迅速地加速和进入泛音共鸣方式由它的大量和常数。这个瞬变共鸣信号逐渐丢失它的能量(即通过内部摩擦)并且来停止。瞬变动摆被记录在一台数字化的使用赫兹示波器上，在一个输出信号从偏折测量系统和然后使用适当的软件来分析。力量距离曲线在悬臂式和表面之间担当距离措施。由于力量梯度在悬臂式共鸣频率充当一个主要角色,距离的精确知识在要诀和表面之间是根本的为避免错误在频率响应测量。我们查出了由于静电力量阿尔法粒子在微型悬臂中使用转移共鸣频率(不均匀的领域导致一个变化在共鸣频率上由于力量常数的修改悬臂式由于领域梯度)。运用这个方法,一个唯一阿尔法粒子可能被查出,提供频率被测量以赫兹频率敏感性,然而,使用可利用的电子能查出以更高的敏感性。设备可能被优选使用大区域收藏家。我们并且使用弯曲的变异并且变异在阻止悬臂式频率查出阿尔法粒子。这些技术有同样数量级的敏感性如上所述。图7显示共鸣频率变异(被计量从瞬间)作为对阿尔法粒子的暴露功能。直到现在,多数关于微型悬臂传感器的研究说明,微型悬臂涂层以非常高敏感性被开发出各种各样的种类是可能的。但是,没有操作员协助，开发同时查出各种各样的威胁的一个微型传感器系统,以下基本的能力是必需的。．有选择性地查出各种各样的威胁(甚至各种各样的化工种类),一个悬臂式列阵包括十倍或上百倍悬臂也许是可能的。．信号转导方法要求操作员协助，但不需要是简单和紧凑的。如果信号转导无法最小化，它不是传感器元素。．测距术必须纳入设计，因此,在确定是一种威胁后,可以发送到一个监测站。V.悬臂式列阵比较其它传感器技术,相对地少量研究进行了以微型悬臂列阵。在这些外面,模式识别算法使用辨认蒸气混合物组分在只中简单的混合物被分析使用一个八悬臂式列阵的二项研究中在;它是有趣注意到,微型悬臂弯曲的信号被监测了在两项研究中,使用光学侦查。图7.核辐射探测。对阿尔法粒子的悬臂共振频率的变化函数。所以,用微型悬臂平台，在一个简单的混合物里组分的可行性内容被鉴定了。到目前为止，在经验教训的基础上研究化学传感器阵列,部分或全部内容可能需要提高检测微型悬臂传感器阵列的能力，这样，它可以检测出多种微量消耗:水汽蒸发、严格控制实验条件，为模式识别提供良好的记忆，并且将各种不同材料提供了充足的信号。侦查速度是富挑战性,特别是为化学制品,生物,和辐射照射。例如,几秒钟的时间,所有可能的威胁作出反应级神经毒剂的数量。尤其是在反应速度较慢的生物制剂,几秒钟的侦查时间能限制被吸入数额和简化随后预防疾病的行动。即使微型悬臂传感器敏感性提高,主要是因为其规模小(例如，大型地空导弹数量的比例,大大扩大了信号弯曲)，规模小也减少了比较对象放在传感器表面分子被抓获的概率。在微型悬臂传感器的前端使用提前接触系统可以弥补这一损失。提前接触器能迅速使有足够数量的检测数量的悬臂部分可以大大减少检测时间是必不可少的。VI.微型悬臂的力学侦查弯曲单通道转导方法适和用于一个微型传感器。当制作一个微型传感器时,只有小部分传感器是不够的。信号传输和转变能力也必须纳入这一小部分里。在这个部分,我们简要地谈论一个适当的微型悬臂信号转变方法。自从AFM诞生以来,为监视微型悬臂偏折，探索了数发信号转导方法。这些方法包括光学,力学,压电,和电容方法。在光学方法中,激光二极管是集中在最后一个自由悬臂。一台敏感探测器查出被反射的光。在力学方法中,硅悬臂式被涂同硼或亚磷。被掺杂的渠道的电子抵抗改变作为悬臂式弯曲功能。在压电方法中,悬臂式弯曲导致在一部压电影片瞬变充电,譬如氧化锌,在悬臂式。由于信号是瞬变,它不是理想的静态测量悬臂式弯曲的方法。在电容方法,电容之间的悬臂,悬臂弯曲与基层之间的空间,被测量。为原子力量显微学，泰勒思等最初开发了力式微型悬臂读出方法。随后,薄生等为传感器应用，具体地开发了一块有四个微型悬臂的微型悬臂芯片。这样微型悬臂芯片最近由丹麦商业化。这个力式微型悬臂平台对单一传感器平台是理想的，其原因将在下面讨论。我们最近制定了一个利用四个微型悬臂芯片的手持传感器。在Canti-4芯片里的二个悬臂被喷上了光滑的金子(30纳米厚金子层在3纳米铬黏附力层的顶部)。在这些实验,我们只用了两层金镀微型悬臂,其中有一层涂上了酸性的SAM。我们命名我们第一个手扶传感器为“SniffEx”因为它被开发利用为探测易爆的蒸气。图8显示了SniffEx的相片。在层镀金的微型悬臂之间的差分信号由通过使用二个微型悬臂在桥梁电路而得到。4脚芯片位于所观察到的图2上面的铝流程细胞。不锈钢管被连接到流程细胞的输入口。在“sniffing”实验里,一个连接到流程细胞出口的小泵浦(被显示在图8的左上面)被用来从样品瓶提取蒸气。在INEEL中所发展的在一台被校准的易爆蒸气发电器使用的实验中,泵浦被关闭了并且进水管被连接到了INEEL蒸气发电器,爆炸蒸汽以标准的50公分立方米每分钟的低浓度进行流动。图8.SniffEx手扶传感器的相片。流程细胞位于图的上面;提取蒸气小泵浦经常被显示在顶面左边;电池供给泵浦动力是在右手边最上端。电池供给电子动力位于底部。虽然力量通常来自计算机的连续端口,这个电池将被使用当计算机由一个个人数据助理替换(PDA)。与便携式计算机的通信是通过位于手扶的单位的底部的连续端口。图9显示SniffEx对一条被校准的以50sccm输送氮气气体的RDX蒸气流的反应。三天采集了三套不同数据，用了相同的悬臂式芯片为了显示6个大气压的RDX蒸气含量。这表明,控制在这种情况下获得的数据具有良好的再生性。图9显示的数据的噪声级(标准的背景偏差)是1.8伏,因此,单一的计量检测上限1.8伏(3个标准偏差)。这个限制对应于RDX蒸气含量远远低于大气压。很显然,微型悬臂传感器有着极高的敏感性。图9.SniffEx对一条标准的来自于INEEL蒸气发电机的蒸气流的反应。天然气输送的氮气流量是50-sccm,并且发电几的温度是25摄士度,其对应于RDX集中的6个大气压。3日分别获得不同的数据显示。1毫伏信号强度对应于1.25牛/平方米的表面压力。如我们的测量所发现的塑胶炸药,转导敏感性检测性的方法能够与光学转导方法相媲美,它被认为是对微型传感悬臂来说是最敏感的信号转导方法。对每次采用悬臂,在桥梁测量中是固有的,提供共同方式拒绝并且消除传感器转移由于外在作用造成譬如温度和压力变化。它可以感应制造数以万计的这样微型悬臂集中在一块芯片的传感器芯片。这些特点,再加上有把所有电气检测线路集中在一个芯片的能力,使转换方法为容易使用微型传感器最适合的方法。VII.测距术在过去十年，测距术已经有了很大的进步。许多数字式仪器,包括无线监视仪器,今天仍然是在使用中。但传感器部分不利用硅技术是因为他们是在自然模式里。在不远的将来，一个有特殊用途的以固定测距术集成电路的发展是不能取得到的。但是,一个微型传感器不是以在一块唯一芯片的测距术可能当前被建立。所以,它是可行的,在几年内一个基于悬臂式的,联合微型传感器能在易爆蒸气侦查和一些化工蒸气侦查中得到有限的应用。由于介入的复杂，长期需要扩大对联合微型传感器的用途侦查化学制品,生物,放射学,或易爆威胁的范围。因为合并更多侦查能力增长,由于增加的部署联合微型传感器的费用将减少,类似于进步了根据硅联合电路的技术。以固定测距术制造一块真正的芯片将在我们那儿得到更加快速的发展。VIII.结论在反恐怖战争中，能提前检测CBRE武器的能力,应该站在长远战略角度从已经发生化学或生物战剂攻击提早发现。这就要求无所不在微型传感器,可探测多种具有高敏感度及选择性的恐怖主义威胁,并能即时传达警告。微型悬臂传感器的研究与分析仪器、遥测技术的进步,表明基于单一矽传感器平台的微型悬臂传感器的可行性。其操作简单,检测具有高度敏感性,规模小、灵活性和多种探测恐怖主义威胁,加上低生产成本,使微型悬臂传感器具有吸引力解决。鸣谢作者十分感谢X.Yan博士,V.Boiadjiev博士,F.Tian博士,G.Muralidharan博士,A.Wig博士，P.Oden博士,M.Doktycz博士,R.Warmack博士,C.Britton博士,D.Hedden博士,J.Hawk博士，A.Gehl博士和D.Yi博士，他们在本文里的试验中所提供的帮助。参考文献[1]G.E.Moore,“Crammingmorecomponentsontointegratedcircuits,”Electronics,vol.38,no.8,Apr.1965.[2]K.J.Albert,N.S.Lewis,C.L.Schauer,G.A.Sotzing,S.E.Stitzel,T.P.Vaid,andD.R.Walt,“Cross-reactivechemicalsensorarrays,”Chem.Rev.,vol.100,no.7,pp.2595–2626,2000.[3]E.L.Hines,E.Llobet,andJ.W.Gardner,“Electronicnoses:areviewofsignalprocessingtechniques,”Proc.Inst.Elect.Eng.,vol.146,no.6,pp.297–310,1999.[4]T.C.Pearce,“Computationalparallelsbetweenthebiologicalolfactorypathwayanditsanalogue‘theelectronicnose’.1.Biologicalolfaction,”Biosystems,vol.41,no.1,pp.43–67,1997.[5],“Computationalparallelsbetweenthebiologicalolfactorypathwayanditsanalogue‘theelectronicnose’.2.Sensor-basedmachineolfaction,”Biosystems,vol.41,no.2,pp.69–90,1997.[6]J.W.GardnerandP.N.Bartlett,ElectronicNoses:PrinciplesandApplications.NewYork:OxfordUniv.Press,1999.[7]K.PersaudandG.H.Dodd,“Analysisofdiscriminationmechanismsinthemammalianolfactorysystemusingamodelnose,”Nature,vol.299,pp.352–355,1982.[8]I.Gaillard,S.Rouquier,andD.Giorgi,“Olfactoryreceptors,”Cell.Mol.LifeSci.,vol.61,no.4,pp.456–469,2004.[9]B.A.SnopokandI.V.Kruglenko,“Multisensorsystemsforchemicalanalysis:state-of-the-artinelectronicnosetechnologyandnewtrendsinmachineolfaction,”ThinSolidFilms,vol.418,no.1,pp.21–41,2002.[10]M.D.HsiehandE.T.Zellers,“Limitsofrecognitionforsimplevapormixturesdeterminedwithamicrosensorarray,”Anal.Chem.,vol.76,no.7,pp.1885–1895,2004.[11]J.Park,W.A.Groves,andE.T.Zellers,“Vaporrecognitionwithsmallarraysofpolymer-coatedmicrosensors.Acomprehensiveanalysis,”Anal.Chem.,vol.71,no.17,pp.3877–3886,1999.[12]A.HierlemannandH.Baltes,“CMOS-basedchemicalmicrosensors,”Analyst,vol.128,no.1,pp.15–28,2003.[13]G.Muller,P.P.Deimel,W.Hellmich,andC.Wagner,“Sensorfabricationusingthinfilm-on-siliconapproaches,”ThinSolidFilms,vol.296,no.1–2,pp.157–163,1997.[14]A.VandenBerg,P.D.vanderWaal,B.B.vanderSchoot,andN.F.deRooij,Sens.Mater.,vol.6,pp.23–43,1994.[15]Q.Y.Ca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