外文翻譯-國防上的穆爾法律一個基于矽微型懸臂的智能傳感器平臺（中文）

1、<p><b>　　中文12450字</b></p><p>　　國防上的穆爾法律：一個基于矽微型懸臂的智能傳感器平臺</p><p>　　摘要——急需為發(fā)展存在廉宜的,高度地選擇的,和極端地敏感的傳感器幫助打擊恐怖主義。如果這樣的傳感器可以被制造成極其小的規(guī)模，他們可能在實際上任何形勢里被部署?？植婪肿佑卸喾N潛在代理和交付，這樣意味著從中選擇化學，生物學，

2、傳播學，或者爆炸攻擊。檢測恐怖分子武器已經(jīng)成為一項復雜和昂貴的工作，因為目前需要眾多傳感器平臺去發(fā)現(xiàn)不同類型的威脅。能集中生產(chǎn)和有效部署出一種能查出一系列威脅的單一傳感器是贏得這場反恐怖主義戰(zhàn)爭的根本?；诠璧奈⑿碗娮討冶蹅鞲衅鞔砹艘环N能與恐怖主義作斗爭的理想的傳感器平臺，因為這些微型傳感器是廉價的并且可以被部署在任何地方。最近，這種高靈敏性的微型懸臂傳感器已經(jīng)被用在各種各樣的威脅的偵查中。因此， 這種要求為單一微型傳感器平臺的需求已

3、經(jīng)被認識，并且實現(xiàn)這種綜合、廣泛、可部署的微型傳感器是幾乎可能的。</p><p>　　關鍵詞——化學，生物學，傳播學，爆炸察覺，國防，微型懸臂，微型電子，懸臂傳感器，恐怖主義。</p><p><b>　　I介紹</b></p><p>　　恐怖分子有超過法律的巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢，正因為這樣，很多次，發(fā)現(xiàn)恐怖分子威脅比部署恐怖分子威脅更昂貴。例如

4、，一個天然爆炸設備能在飛行過程中破壞一架飛機。換句話說，在飛機場部署的當今的爆炸察覺技術是昂貴的并且需要操作者的時刻注意。那些象征性的價錢和努力也可能進行的化學制品或生物攻擊甚至可能未被留意直到傷害的人們開始在醫(yī)院出現(xiàn)。在核的角度上，使用一枚涂有放射性物質(zhì)的常規(guī)炸彈，是其他可能的威脅。即使個人對于威脅敏感的察覺可能對于目前來說是可能的，但是這樣的技術/ 傳感器系統(tǒng)是龐大，昂貴的，并且需要費時的程序。此外，多次威脅的察覺需要使用基于不同的

5、技術/ 傳感器平臺的多種專業(yè)的儀器。因此，在傳感器技術方面的一種范例變化需要與反對恐怖主義作斗爭。最好，國防需要一個有下列特點的傳感器系統(tǒng)：1) 同時和迅速能發(fā)現(xiàn)多次威脅的一個單個傳感器的平臺; 2) 一個廉價，微型和可以被部署在任何地方的堅固的傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸;和(3)聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)置遙測術. 但是沒有可利用的技術滿足這些條件. 不過，基于微型懸臂傳感器的新興的傳感器技術能滿足這些條件。這樣的微型傳感器可能被有效地使用在任何地方例如飛機

6、場，海港，公共大樓</p><p>　　在多種領域方面的技術進步，包括計算，交互化學和遙測術，已經(jīng)足夠成熟被合成為微型懸臂傳感器技術。因此，微型懸臂傳感器平臺為這種傳感器技術方面的革命得到平衡。例如，提出傳感器技術可以與20世紀60年代內(nèi)計算機的地位相提并論，任何計算被限制在少數(shù)的巨型計算機內(nèi)。但是在穆爾里被簡明表示的硅革命已經(jīng)能夠廣泛使用在計算機。目前，昂貴和龐大的察覺系統(tǒng)已經(jīng)很少的被部署在戰(zhàn)略性位置，例如飛機

7、場。在傳感器技術方面的一次類似革命可能使數(shù)百萬對智能化，微型的傳感器的部署在一個基于微型懸臂的傳感器平臺是可能的。除反對恐怖主義戰(zhàn)爭外，這樣的一個傳感器平臺將被應用在醫(yī)學診斷，法律實施，地雷察覺，環(huán)境監(jiān)控和很多其他應用過程中。</p><p>　　因此，主要問題可能是如下，說明：需要能使用微型，廉價傳感器迅速對復雜混合的大量多種威脅蹤跡的察覺的技術。我們討論對用傳感器陣列達到這個目標的研究和當今的地位并且指出給微

8、型懸臂傳感器提供了一個合適的平臺。應當指出這篇文章沒打算是一篇全面的回顧文章。我們將短暫評論傳感器陣列的當今的地位并且參考在微型懸臂和其他傳感器技術上的文件。我們的意圖是指出基于一個微型懸臂傳感器平臺用于國防的可能性。</p><p><b>　　II同步和迅速偵破</b></p><p>　　在剛剛過去的二十年里，我們一直在研究開發(fā)基于陣列的傳感器的的“電子鼻”。在

9、1982年，皮特 和多德首次發(fā)表了一份關于現(xiàn)代電子鼻，試圖模仿的嗅覺系統(tǒng)：他們指出哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)基于寬轉動的感受神經(jīng)細胞，并且嗅覺系統(tǒng)的特性區(qū)別是整體上的系統(tǒng)的特性。對于特定的有氣味物體，嗅覺受體是非高度選擇性的；每個感受器能響應多種有氣味物體，并且很多感受器對任何規(guī)定的物體都能作出反應。模式識別方法被認為是嗅覺信號處理的主要方式。電子鼻技術的基礎上廣泛使用同一概念調(diào)整多種傳感器。這種做法的優(yōu)勢是同時檢測各種分析的能力。</p

10、><p>　　到目前為止，幾個可能的傳感器陣列平臺已經(jīng)在被研究，作為電子鼻子的候選，包括那些基于金屬氧化物，導電的聚合物，光纖，電化學，和聲音的波傳感器。加德納和巴特利特詳細描述這些傳感器技術。多種統(tǒng)計和神經(jīng)網(wǎng)絡技術已經(jīng)被應用處理源于傳感器陣列的數(shù)據(jù)。</p><p>　　最早應用基于電子鼻傳感器陣列是對氣味的評估和用于工業(yè)數(shù)據(jù)處理，這個并不奇怪。傳感器陣列已被證明是成功的,這其中最令人感興趣

11、的應用是依靠變動傳感器陣列響應模式來進行質(zhì)量分析?；趥鞲衅麝嚵械纳虡I(yè)證書適用于這些應用。在這些應用過程中的通常使用的傳感器技術是金屬氧化物，聚合物，和聲音 [表面聲波]傳感器。金屬氧化物傳感器是龐大的，但是他們有每平方米1000000水平的敏感性；傳感器與聚合物進行小型低功率消耗,但一般的敏感程度比金屬氧化物傳感器低；傳感器從涂層得到他們的蒸汽檢測功率并且能從有時候可以歪曲，涂料的粘彈性的特性的變化來識別吸附的蒸汽，。</p&g

12、t;<p>　　然而,發(fā)現(xiàn)微量的煙霧混合物總量尚未成功地實現(xiàn)傳感陣列。幾乎所有的傳感器陣列研究到現(xiàn)在已經(jīng)用傳感器探測范圍水平達到或接近1百萬分率,最高約在12個傳感器陣列。好察覺敏感性和高質(zhì)量的傳感器每陣列可能需要在復雜的混合物內(nèi)取得蹤跡察覺。最近的一項研究得出的結論是,增加了大量傳感器性能沒有大幅提高混合物的分析；最多6臺傳感器被在陣列里使用，并且為零部件蒸汽在陣列里使用的鋸傳感器的檢測極限在低的1平方。而且，已經(jīng)注意到

13、在人類里有超過1000種嗅覺的基因和在一個狗鼻子里的超過1億個嗅覺的細胞。</p><p>　　相信微型懸臂傳感器可以提供高靈敏度和在一陣列里用更多的單個傳感器的能力，如此使在復雜的混合物里的蹤跡蒸汽的察覺成為可能。這種高靈敏性微型懸臂傳感器起源于大量固有表面集成的微觀物體。因此，一臺基于為信號傳輸而表面相互作用微型懸臂傳感器預計能在敏感性方面提供巨大的擴展。</p><p>　　過去十年

14、里集成電路技術的迅速發(fā)展，已經(jīng)在硅或者補充的金屬氧化物半導體上起動化學傳感器的制造?；旧隙S集成電路和化學傳感器結構以結合石印處理，薄膜，蝕刻，散播，并且氧化臺階被最近延長進第3 尺寸使用微型機制或者微型懸臂技術一結合的特別特殊，蝕刻停止，以及犧牲層。因此， 微型懸臂技術提供極好的方法達到化學傳感器的其他關鍵標準， 例如設備，低功耗并且還有低成本的批捏造的微型化。</p><p>　　目前，兩臺基于CMOS技術

15、的微型懸臂傳感器正被研究，彎曲的盤子波(FPW)傳感器和微懸臂的傳感器。FPW 傳感器對更多的公用草地在很多方面相似看見和QCM 傳感器， 并且它能監(jiān)控在一層薄層上吸收的群眾在傳感器上沉積。它已經(jīng)在最高的測量的敏感級顯示高的每1000000000000平方米(ppt)水平的察覺敏感性。另一方面，微型懸臂傳感器有另外的察覺方式，包括這種非常敏感的彎曲的方式， 利用這高表面把收集成卷比率的這微型懸臂傳感器元素和在在第III 部分討論時，經(jīng)常

16、展示附屬察覺敏感性。</p><p>　　III. 微型懸臂傳感器</p><p>　　在1994年，研究人員觀察用原子力量顯微鏡學(AFM)使用的微型懸臂對外部物理和化學影響敏感，指出彎曲的可能的用途，頻率為化學制品感覺等等用微型懸臂移動在熱量熱學方面指出應用。從那以后，全世界的研究人員一直報告為檢測使用微型懸臂各種各樣的物理，化學，生物學，和傳播學的影響。</p><

17、;p>　　圖1. 掃描一套的電子顯微鏡圖象不同的大小和形狀懸臂。為比較, 人發(fā)被顯示出來。</p><p>　　微型懸臂是從硅或者其他材料微機械加工的微型板。這種長度這些經(jīng)常在100范圍內(nèi)-200米，而那些厚度分布在從0.3到1米的范圍內(nèi)。(在人嗅覺的系統(tǒng)里注意到那是有趣的，有香的分子的小屋的相互作用的場所在像頭發(fā)一樣長的發(fā)生，到200米長并且為氣味提供增加的表面面積感覺是.) 高靈敏性的關鍵的那些微型懸臂

18、在這巨大表面把收集成卷比率，導致放大的表面重音，因為在下面討論。圖1與為比較的一根人頭發(fā)一起顯示一套微型懸臂。</p><p>　　微型懸臂有兩種主要顯著轉變方法，彎曲和裝群眾?？傮w上加載方式，微表現(xiàn)正如一樣其他重量傳感器(例如QCM，看見，以及FPW 轉換器)：他們的共振頻率由于被吸附的群眾減少。在這種"重量的方式"里，微型懸臂 察覺敏感性好像可與其它重量的傳感器的相比較。</p>

19、;<p>　　其它顯著轉變方法，即，彎曲的反應，對微型懸臂獨特；例如，如果不同表面壓力通過優(yōu)先對它的一個寬的表面(通過在那個表面上使用一層化學薄層)吸附目標分子被達到， 微型懸臂 將彎曲。因為不同表面壓力需要彎曲，只有一個寬的表面應該被為彎曲方式的操作涂上。因此，裝群眾的信息被只用作一筆紅利。在彎曲的方式方面， 微型懸臂 察覺敏感性是至少比其他微型傳感器，例如也正被作為化學傳感器調(diào)查的鋸和高的一項重要的命令。即使準確地為不

20、同的傳感器比較察覺敏感性很難， 低或者在每平方米下面察覺敏感性通常與微型懸臂 傳感器一起取得沒被被任何其他傳感器匹配。近比較將使用的 (DNT)的察覺看見和微型懸臂 傳感器，兩臺傳感器使用相同的聚合薄層。</p><p>　　因為彎曲信號的微型懸臂起源于表面壓力，對一層濃的薄層的大量的蒸汽的擴散是不必要。因此，即使一單層厚的薄層可能不適合于重型傳感器，他們很適于微型懸臂傳感器。因為對這層薄層的大部分的蒸汽的擴散被

21、避免，對被涂上的微型懸臂的反應和擴散可能是快的。 圖2顯示反應 在1.4平方米上集中涂上酸在可塑炸藥S的微型懸臂。與 (頻率)測量相比較彎曲的信號以及彎曲的信號的優(yōu)勢的迅速和敏感的反應是清楚的。</p><p>　　圖2。 一種酸的反應 -對這定期涂上硅的懸臂進攻環(huán)境空氣集中。固體曲線描繪彎曲的反應，小圓點短劃線連結描繪伸臂式的共振頻率。</p><p>　　必須強調(diào)微型懸臂的彎曲程度并不

22、是由被放置的材料的重量決定的。40千克的微型懸臂大約1納米是由于它本身所引起的，在噪聲級之上為一個懸臂式彎曲的信號。因此，由水平放置的材料的重量引起的彎曲是無意義的。另一方面，對于微米大小的物體，像微型懸臂一樣，表面對容量的比率很大，表面作用極大地被擴大化。因此，吸附引起的表面力量可能極其大。吸附引起的力量可能歸因于在表面自由能方面的變化。自由能密度與表面壓力是相同(牛頓/米)。這表面壓力在一種液體里與表面張力相似。偶然，表面壓力有單位

23、的恒定的單位伸臂式。如果這表面自由能密度變化可與這恒定的系數(shù)相比較，因此單位伸臂式將彎曲。當探查分子對他們的目標束縛時，位置妨礙和靜電將引起復合體的分開。因為他們被限制在一個末端，因為表面面積是有限的，他們將力作用于表面上。</p><p>　　微型懸臂傳感器的另一個優(yōu)勢是它能在空氣里和在液體里工作。共振頻率和彎曲的方式可以被在液體里使用。因為這小微型懸臂，他們在空氣和液體里執(zhí)行熱運動(布朗運動)。因此，外部激勵

24、不技術被需要進行激動；在液體里的被降低的質(zhì)量因素可以用一種反饋途徑改進。不過，如同在蒸汽階段，彎曲信號的微型懸臂主要用于在液體里。</p><p>　　盡管它的高靈敏性，懸臂式平臺并不像其他化學傳感器那樣提供任何固有的化學選擇性。硅的微型懸臂的表面可能功能化，當這暴露于蒸汽時，一個特定分子將優(yōu)先被固定在那個表面上。因此，察覺敏感性通過在一個懸臂表面上涂一層合適的薄層而被大大地提高。這樣的一層薄層能，原則上，也能提

25、供選擇性。</p><p>　　一個傳感器系統(tǒng)的基本要求是敏感性，選擇性和可逆性。雖然敏感性和選擇性是關鍵的，但是可逆性可能在一些條件下是不必要。缺乏選擇性導致錯誤頻繁局面（錯誤警報），這跟由于缺乏敏感性而導致錯誤底片一樣有害。不過，選擇性的程度跟察覺的可逆性有關。</p><p>　　選擇性和可逆性是化學傳感器的競爭特性。在分解分子與懸臂薄層之間的相互作用的類型決定了吸附和解吸特性。象物

26、理吸附那樣的低能量，可逆的相互作用一般缺乏可接受的選擇性的程度。而且，弱的相互作用可能導致不明顯的吸附，這將導致傳感器反應變?nèi)酢Ｔ诹硪欢?，高度選擇的相互作用在性質(zhì)上通常是共價的，并且在正常狀態(tài)下是不可逆。</p><p>　　兩個"中間范圍"相互作用能提供限制的選擇性。一是氫壓焊，并且另一個是協(xié)調(diào)化學。一氫原子與一個負電的原子能夠讓其移動離開它的電子云， 因此它能用另一個負電原子形成氫結合體。

27、例如，許多炸藥的氧原子在特性合成方面能參加氫壓焊。協(xié)調(diào)化合物由包圍以中立或者帶電的中心金屬原子組成，經(jīng)常有機的，液態(tài)。在液態(tài)里，一個或更多原子與金屬離子相互作用。現(xiàn)在選擇性可以受金屬離子選擇和通過液態(tài)的選擇的影響，都是來自于電子或者靜態(tài)的觀點。</p><p>　　在大多數(shù)應用過程中，最好是能夠恢復傳感器，因此使用"中間范圍"的相互作用將是必要的，它反過來能擴大目標范圍。因此，如果可逆的傳感器

28、操作被要求，單個的微型懸臂薄層可能不會提供充分的選擇性。不過，通常，使用有多層薄層的一系列微型懸臂獲得足夠的選擇性將是必要的，特別是如果傳感器被要求監(jiān)控多次威脅。模式識別計劃需要選出這個目標蒸汽的組成成分。</p><p>　　涂層材料的大量工作已經(jīng)進行多年，特別是微型傳感器的發(fā)展。在這上下文里，各種各樣的聚合物薄層已經(jīng)被調(diào)查。這主要是為了優(yōu)化已在使用中看到高分子材料。這次主要考慮已經(jīng)導致主要電影的發(fā)展，它允許迅

29、速的擴散進大部分電影。因為他們的簡單和穩(wěn)定性，微型薄層最近已經(jīng)獲得注意了。即使微型薄層由于對適合鋸，相似的傳感器來說缺乏"卷吸收"而不可能提供感性，他們對于微型懸臂傳感器以理想的彎曲方式工作為下列理由：1)象浸泡那樣，一個簡單的程序可以使用或者接觸這層薄層，2)對傳感器表面的捆對捆的由于微型懸臂為一層穩(wěn)定的薄層提供壓力的直接的輸送，并且3) 因為避免了結合分子與厚薄層的擴散，傳感器反應和松弛是最快的。聚合物和有微型懸

30、臂傳感器的微型薄層用法的一些例子將在下面被提出。</p><p>　　在過去10 年中，很多突破已經(jīng)在微型懸臂傳感器的區(qū)域內(nèi)進行。在微型機制方面的發(fā)展使用要求的敏感性來發(fā)展一系列微型懸臂梁成為可能。更早討論的，很多化學選擇薄層適合特殊化學的發(fā)展。感受器，抗體抗原或者酶底層反應已經(jīng)被用來作為生物學的察覺研究。許多進步也在一些重要的領域取得。通過這樣的工具幫助，物理，化學，并且生物學的察覺已經(jīng)被使用微型懸臂傳感器示范

31、。這篇文章的以后的章節(jié)討論有關于基于微型懸臂的國防安全的代表性的察覺結果。</p><p>　　IV. 選擇一些用微型懸臂研究恐怖分子威脅察覺的相關例子</p><p><b>　　炸藥</b></p><p>　　大多數(shù)炸藥需要低汽壓的環(huán)境溫度。表格I表現(xiàn)一些普通炸藥對大氣壓的氣壓。TNT是更多的通常使用的炸藥之一。即使DNT不是一種炸藥，因

32、為下列理由，炸藥的察覺可能基于DNT的察覺。1)即使炸藥的主要成分是TNT，用生產(chǎn)等級較大的不是TNT而是DNT。2)DNT是TNT的合成副產(chǎn)品。3)在空氣里的DNT的飽和濃度大約比TNT(見表格I)大25 倍。烈性炸藥，例如PETN和RDX， 是在飛機破壞過程中的最嚴重的威脅， 因為他們可能容易被隱藏(不名譽的"鞋轟炸機"讓人處在他的位置隱藏PETN)塑造， 缺乏一個雷管的情況下是很穩(wěn)定，并且能用少量在飛行過程中破

33、壞一架大的飛機。他們是，實際上，炸藥最通常用于這目的。</p><p>　　表I一些普通炸藥的汽壓(對大氣壓正?；?</p><p>　　我們現(xiàn)在搞兩個并行探測水汽爆炸方案。一個是基于常用的"被動檢測",那里被涂上合適物質(zhì)的爆炸分子的微型懸臂優(yōu)先吸附在導致伸臂式的彎曲的一個表面。使用這種方法，我們已經(jīng)使用一層4酸的薄層和聚合物涂上的微型懸臂。用微型懸臂用薄層報告TNT

34、和DNT的察覺。</p><p>　　第二種方法利用一種新奇的"活躍的察覺"方法，在那里爆炸蒸汽是沉積在粗糙的微型器的表面，并且搏動的電壓被用于微型懸臂來把它加熱成高溫，那里沉積的爆炸性物體經(jīng)過燃燒。因為燃燒事件只有爆炸材料才會發(fā)生，這種方法產(chǎn)生炸藥的清晰的察覺。</p><p>　　在愛達荷國家工程和環(huán)境實驗室發(fā)展的一臺蒸汽發(fā)電機用來產(chǎn)生PETN，RDX 和TNT 蒸

35、汽。水庫周圍空氣流通過含有少量的水汽流產(chǎn)生爆炸性物質(zhì)。</p><p>　　圖3 顯示當一微型伸臂式暴露于PETN時伸臂式彎曲和共振頻率變化。象從圖3 看見的那樣，對暴露于PETN的彎曲的懸臂的反應極其敏感和快速。因為在這些實驗過程中的彎曲的反應的噪聲電平是2納米(噪聲電平的3個標準偏差)， 符合圖3的察覺敏感性是14。最大的伸臂式的彎曲被在20 秒內(nèi)取得。固體的曲線描繪彎曲的反應，并且小圓點描繪伸臂式的共振頻率

36、。由于PETN 蒸汽的吸附的頻率移動相當于在懸臂上聚集15千克的重量。</p><p>　　圖3.在自由流通的空氣里，一矽懸臂對于集中蒸汽的反應。堅實曲線描述彎曲的反應, 并且小點描述懸臂式共鳴頻率。由于PETN 蒸氣的吸附頻率轉移對應于大量聚集在懸臂式的重量。</p><p>　　圖二顯示爆炸可以迅速偵破和當蒸汽流被關掉時煙霧可以快速釋放。當PETN 蒸汽流被調(diào)為10秒時，一個40納米的

37、撓度信號可以被觀察到。當這條蒸汽流被關上時，伸臂式被放松，在60秒內(nèi)可以幾乎返回它的原先的位置。像以前提及的那樣，來自另一篇重要的報告在圖2顯示的數(shù)據(jù)是在伸臂式的共振頻率下的，由于存在10秒的少許PETN 改變。伸臂式的彎曲仍然容易被發(fā)現(xiàn)。</p><p>　　就爆炸蒸汽的"活躍的察覺"而論， 爆炸蒸汽被允許沉積在piezoresistive 微型懸臂上和10伏，10毫秒脈沖電壓才應用它。這導

38、致爆炸材料放出空氣，在彎曲信號的微型懸臂(伸臂式的彎曲被使用光學探測監(jiān)控)上導致一放熱的"碰撞"。另外，清楚看見濃煙產(chǎn)生的羽毛保存在大量超過幾百的圖片。圖4顯示被一架高速照相機捕獲的一系列圖像。圖4(a)在一個電壓脈沖的應用之前顯示一個TNT 裝的懸臂的圖像。圖4(b)-(d)在加熱的脈搏之后正好顯示一連串框架。圖4(b)-(d)清楚顯示演化的反應對伸臂式發(fā)生的一縷氣體；在激光燈(過去常常監(jiān)控伸臂式的彎曲)下濃煙羽毛

39、被照亮，清楚展示這濃煙環(huán)。伸臂式的離開散布的激光在圖4(d)幾乎不是可見的，而這在圖4(a)顯然可見。這可以被解釋如下：在電壓脈沖的應用前一會兒 [圖4(a) ],懸臂表面為TNT所覆蓋，導致在圖4(d)更高鏡面反射反射激光束與那相比較無一適合TNT伸臂式。</p><p>　　圖4。 到導致突然燃燒(a)的一個電壓脈沖征服的伸臂式一TNT 存的高速照片， 這個脈沖電壓和(b)-(d)一連串框架在電壓脈沖之后正好

40、。左側 (紅)部分的(b)這圈羽毛-(d)被因為燈常常這伸臂式彎曲的那些激光照亮。這TNT的總量在那些微型懸臂上沉積在1毫克(從觀察計算在微型懸臂共振頻率移動)。炸藥的被描述的"活躍的察覺"方法， 雖然象有多次威脅的察覺功率的一臺微型傳感器的一個零部件一樣不合適，可以被在爆炸察覺的傳感器包里使用提供被這種"被動的察覺"傳感器陣列方法產(chǎn)生的一個積極的信號的確認。</p><p&g

41、t;<b>　　毒素作用</b></p><p>　　雖然不象炸藥一樣流行，使用化學/生物學作用成為戰(zhàn)爭或者恐怖分子嚴重威脅的武器。一些生物戰(zhàn)劑存在,可作為戰(zhàn)劑。毒素作用的例子包括臘腸毒素，白喉炎毒素，炭疽和蓖麻毒素。大多數(shù)生物學的作用由細菌而來。蓖麻毒素由蓖麻產(chǎn)生。臘腸毒素是一些知道的最致命的物質(zhì)，這些毒素比神經(jīng)作用毒100000倍，比VX毒10000倍，并且比蓖麻毒1000倍。一種臘腸毒

42、素（A類）被估計的致死劑量是體重的1 ng/kg， 并且毒素的致命的血水平是大約20毫克/毫升。蓖麻的被估計的致死劑量是3 克/ 千克體重。目前，并不廣泛存在可提供為非常生物學迅速的試驗的作用。</p><p>　　圖5. 毒素作用的偵查。懸臂式彎曲的反應作為對蓖麻毒素照射時間函數(shù)。</p><p>　　我們成功地偵破了利用蓖麻毒素改造有毒微型懸臂。微型懸臂的一側被蓖麻抗體修改。當蓖麻毒素

43、被引入安放伸臂式的一間液體小屋時，伸臂式由于蓖麻抗體相互作用而彎曲。圖5在蓖麻毒素被引入之后作為一個時間函數(shù)顯示伸臂式的彎曲的反應。實驗沒有在流動條件下做。對于伸臂式，由于蓖麻毒素的擴散影響到擴散時間。</p><p>　　生物學的種類的察覺的關鍵要求是修改承認的微型懸臂表面的能力。但是，大多數(shù)分子識別-劑分子不含有可供商業(yè)使用，于是大量的合成工作,必須下大力氣開發(fā)每個分子特定微型懸臂的表面。在這方面，一般微型懸

44、臂表面通過一層又一層去識別技術的修改方法已經(jīng)被報道。使用職能化的微型懸臂報道有關具體的沙門氏菌的察覺的情況。</p><p><b>　　化學戰(zhàn)作用</b></p><p>　　基本上，有3 類化學戰(zhàn)作用：神經(jīng)作用，水泡作用，和窒息作用。神經(jīng)作用影響神經(jīng)推動在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的輸送。全部神經(jīng)作用化學屬于原始化合物小組。神經(jīng)作用的例子是GA(tabun)，GB(sarin)，

45、以及GD(soman)。水泡燃燒作用在水泡皮或者他們接觸的身體的任何其他部分。他們對眼睛，粘液膜，肺，皮和造血器官起作用。當吸入時，他們損壞呼吸道，在被攝取時，引起嘔吐和腹瀉。水泡作用包括硫芥末(HD)，氮芥末(HN)。窒息作用是使肺組織發(fā)病，主要引起肺水腫。在低濃度內(nèi)，阻塞作用對呼吸系統(tǒng)起作用引起一流體在肺內(nèi)的積累，能導致死亡。在高度集中過程中，使作用窒息由于相同原因導致死亡，但是他們也可能感染上呼吸道。把使窒息作用的化學制品歸類為(

46、PS)，氯(Cl)，二氯化碳(CG)。</p><p>　　圖6。 自我采集的銅半胱氨酸雙層膜給在上面的微型懸臂涂上的DMMP的彎曲的(左)總體說明。(中間)彎曲反應作為一個時間函數(shù)，為一個被涂上自我裝配的銅在微型懸臂上的半胱氨酸雙層膜的懸臂，各種各樣的電解液的10個M 解決辦法的注射。右邊)一個硅懸臂的最大的撓度與DMMP在0.01緩沖區(qū)在pH值=5:0內(nèi)的集中有關被涂上一自我裝配銅半胱氨酸雙層膜在黃金表面上。

47、</p><p>　　化學戰(zhàn)作用過去已經(jīng)被使用。神經(jīng)作用是在所知道的物質(zhì)中的最有毒。那些神經(jīng)作用吸入或者通過那些皮膚作為氣體，煙，或者液體進入到身體。如果被神經(jīng)作用污染的液體或者食品被消耗，中毒可能也發(fā)生。如果一個人暴露于一高度的集中的神經(jīng)作用(例如，200毫克的sarin/m)的，當通過呼吸系統(tǒng)吸入時，死亡可能在幾分鐘內(nèi)發(fā)生。當神經(jīng)作用通過皮膚或者因消耗進入身體時，死亡就不會那么突然。在一個金表面上最近已經(jīng)被描

48、述的一層自我收集的銅的雙層膜并且因為強大的銅契約的形成，能用來承認磷。我們使用一銅半胱氨酸識別神經(jīng)作用在基于這機制的水解決辦法內(nèi)的雙層膜修改懸臂。DMMP被用作一種神經(jīng)毒氣。層銅雙層膜通過使形成浸入進一溶液緩沖區(qū)解決辦法(pH值)的伸臂式適合24 h。微型懸臂然后與緩沖區(qū)解決辦法一起沖洗并且專心于緩沖區(qū)解決辦法適合另外。當DMMP被引入懸臂寢室時，伸臂式經(jīng)歷由于相互作用彎曲。當DMMP被替換緩沖區(qū)解決辦法時，伸臂式?jīng)]返回它的原先的位置。

49、流速是4 毫升每小時.圖6與DMMP 集中有關顯示伸臂式的彎曲的反應。</p><p>　　已經(jīng)顯示磷強烈用銅和銅化合物組成。磷的化合物在高的pH值水平不穩(wěn)定。伸臂式的彎曲由DMMP的暴露引起通過改變表面壓力在微懸臂的表面上的銅，很可能是有銅半胱氨酸雙層膜的DMMP的化合的結果。一懸臂5納米的將近的撓度可以識別甚至適合一DMMP M.的集中觀察的表面從例如鈉磷酸鹽的分析成分那里，天冬氨酸，二甲胺，二氮雜菲，乙酸和

50、乙腈是可以忽視的。</p><p><b>　　核輻射</b></p><p>　　迄今為止沒有因為恐怖主義發(fā)生而釋放放射性物質(zhì)。不過，由炸藥和放射性物質(zhì)做成的重型炸彈的威脅仍然是一種可能性。在其他國家的這個黑市上核材料增加這威脅水平的可能性并且強調(diào)對需要改進的設備可能會被大量地部署。重型炸彈可能被一個爆炸蒸汽的檢測器發(fā)現(xiàn)。</p><p>　

51、　我們成功地并且展示了一臺為阿爾法粒子微型輻射探測器。在空氣里執(zhí)行偵查。在這個實驗, 阿爾法粒子被允許沖擊在被絕緣的金屬表面直徑1毫米電子。作為殘余的充電儲積功能在表面被保留在一個固定的距離幾毫微米的微型懸臂進行偏折。靜態(tài)偏折方法從熱量轉移遭受干涉。為避免熱量轉移, 我們使用共鳴反應懸臂式。由連續(xù)運行力量定標曲線瞬間生產(chǎn)了在AFM顯微鏡積累瞬間共鳴。對懸臂，校正的推動力量,是實現(xiàn)樣品(采集領域在這種情況下),然后退出。照原樣被撤出,由于

52、地面粘合劑力量懸臂端不首先打破表面; 反而, 懸臂式彎直到它恢復的力量(由于它的常數(shù)) 超出黏附力力量。由于隨著打翻表面距離的增加，打翻表面吸引力比恢復的力量更加迅速地減少,懸臂式迅速地加速和進入泛音共鳴方式由它的大量和常數(shù)。這個瞬變共鳴信號逐漸丟失它的能量(即通過內(nèi)部摩擦) 并且來停止。瞬變動擺被記錄在一臺數(shù)字化的使用赫茲示波器上，在一個輸出信號從偏折測量系統(tǒng)和然后使用適當?shù)能浖矸治?。力量距離曲線在懸臂式和表面之間擔當距離措施。由于

53、力量梯度在懸臂式共鳴頻率充當一個主要角色, 距離的精確知識在要訣和表面之間是根本的為避免錯誤在頻率響應測量。</p><p>　　我們查出了由于靜電力量阿爾法粒子在微型懸臂中使用轉移共鳴頻率(不均勻的領域導致一個變化在共鳴頻率上由于力量常數(shù)的修改懸臂式由于領域梯度) 。運用這個方法, 一個唯一阿爾法粒子可能被查出, 提供頻率被測量以赫茲頻率敏感性, 然而, 使用可利用的電子能查出以更高的敏感性。設備可能被優(yōu)選使用

54、大區(qū)域收藏家。我們并且使用彎曲的變異并且變異在阻止懸臂式頻率查出阿爾法粒子。這些技術有同樣數(shù)量級的敏感性如上所述。圖7 顯示共鳴頻率變異(被計量從瞬間) 作為對阿爾法粒子的暴露功能。</p><p>　　直到現(xiàn)在, 多數(shù)關于微型懸臂傳感器的研究說明,微型懸臂涂層以非常高敏感性被開發(fā)出各種各樣的種類是可能的。但是, 沒有操作員協(xié)助，開發(fā)同時查出各種各樣的威脅的一個微型傳感器系統(tǒng),以下基本的能力是必需的。</p

55、><p>　?。羞x擇性地查出各種各樣的威脅(甚至各種各樣的化工種類), 一個懸臂式列陣包括十倍或上百倍懸臂也許是可能的。</p><p>　　．信號轉導方法要求操作員協(xié)助，但不需要是簡單和緊湊的。如果信號轉導無法最小化，它不是傳感器元素。</p><p>　?。疁y距術必須納入設計，因此,在確定是一種威脅后,可以發(fā)送到一個監(jiān)測站。</p><p>

56、;<b>　　V. 懸臂式列陣</b></p><p>　　比較其它傳感器技術, 相對地少量研究進行了以微型懸臂 列陣。在這些外面, 模式識別算法使用辨認蒸氣混合物組分在只中簡單的混合物被分析使用一個八懸臂式列陣的二項研究中在; 它是有趣注意到, 微型懸臂 彎曲的信號被監(jiān)測了在兩項研究中, 使用光學偵查。</p><p>　　圖7. 核輻射探測。對阿爾法粒子的懸臂共振

57、頻率的變化函數(shù)。</p><p>　　所以,用微型懸臂平臺，在一個簡單的混合物里組分的可行性內(nèi)容被鑒定了。到目前為止，在經(jīng)驗教訓的基礎上研究化學傳感器陣列, 部分或全部內(nèi)容可能需要提高檢測微型懸臂傳感器陣列的能力，這樣，它可以檢測出多種微量消耗: 水汽蒸發(fā)、嚴格控制實驗條件，為模式識別提供良好的記憶，并且將各種不同材料提供了充足的信號。</p><p>　　偵查速度是富挑戰(zhàn)性, 特別是為化

58、學制品, 生物, 和輻射照射。例如, 幾秒鐘的時間,所有可能的威脅作出反應級神經(jīng)毒劑的數(shù)量。尤其是在反應速度較慢的生物制劑,幾秒鐘的偵查時間能限制被吸入數(shù)額和簡化隨后預防疾病的行動。</p><p>　　即使微型懸臂傳感器敏感性提高,主要是因為其規(guī)模小(例如，大型地空導彈數(shù)量的比例,大大擴大了信號彎曲)，規(guī)模小也減少了比較對象放在傳感器表面分子被抓獲的概率。在微型懸臂傳感器的前端使用提前接觸系統(tǒng)可以彌補這一損失。

59、提前接觸器能迅速使有足夠數(shù)量的檢測數(shù)量的懸臂部分可以大大減少檢測時間是必不可少的。</p><p>　　VI. 微型懸臂的力學偵查彎曲單通道轉導方法適和用于一個微型傳感器。</p><p>　　當制作一個微型傳感器時, 只有小部分傳感器是不夠的。信號傳輸和轉變能力也必須納入這一小部分里。在這個部分, 我們簡要地談論一個適當?shù)奈⑿蛻冶坌盘栟D變方法。</p><p>　

60、　自從AFM誕生以來,為監(jiān)視微型懸臂偏折，探索了數(shù)發(fā)信號轉導方法。這些方法包括光學,力學, 壓電, 和電容方法。在光學方法中, 激光二極管是集中在最后一個自由懸臂。一臺敏感探測器查出被反射的光。在力學方法中, 硅懸臂式被涂同硼或亞磷。被摻雜的渠道的電子抵抗改變作為懸臂式彎曲功能。在壓電方法中,懸臂式彎曲導致在一部壓電影片瞬變充電, 譬如氧化鋅,在懸臂式。由于信號是瞬變, 它不是理想的靜態(tài)測量懸臂式彎曲的方法。在電容方法, 電容之間的懸臂

61、,懸臂彎曲與基層之間的空間,被測量。</p><p>　　為原子力量顯微學，泰勒思等最初開發(fā)了力式微型懸臂讀出方法。隨后,薄生等為傳感器應用，具體地開發(fā)了一塊有四個微型懸臂的微型懸臂芯片。這樣微型懸臂芯片最近由丹麥商業(yè)化。這個力式微型懸臂平臺對單一傳感器平臺是理想的，其原因將在下面討論。</p><p>　　我們最近制定了一個利用四個微型懸臂芯片的手持傳感器。在Canti-4 芯片里的二個

62、懸臂被噴上了光滑的金子(30納米厚金子層在3納米鉻黏附力層的頂部)。在這些實驗,我們只用了兩層金鍍微型懸臂, 其中有一層涂上了酸性的SAM。我們命名我們第一個手扶傳感器為“SniffEx ”因為它被開發(fā)利用為探測易爆的蒸氣。圖8顯示了SniffEx 的相片。在層鍍金的微型懸臂之間的差分信號由通過使用二個微型懸臂在橋梁電路而得到。4腳芯片位于所觀察到的圖2上面的鋁流程細胞。不銹鋼管被連接到流程細胞的輸入口。在“sniffing”實驗里,一

63、個連接到流程細胞出口的小泵浦(被顯示在圖8的左上面)被用來從樣品瓶提取蒸氣。在INEEL中所發(fā)展的在一臺被校準的易爆蒸氣發(fā)電器使用的實驗中,泵浦被關閉了并且進水管被連接到了INEEL蒸氣發(fā)電器,爆炸蒸汽以標準的50公分立方米每分鐘的低濃度進行流動。 </p><p>　　圖8. SniffEx手扶傳感器的相片。流程細胞位于圖的上面; 提取蒸氣小泵浦經(jīng)常被顯示在頂

64、面左邊; 電池供給泵浦動力是在右手邊最上端。電池供給電子動力位于底部。雖然力量通常來自計算機的連續(xù)端口, 這個電池將被使用當計算機由一個個人數(shù)據(jù)助理替換(PDA) 。與便攜式計算機的通信是通過位于手扶的單位的底部的連續(xù)端口。</p><p>　　圖9 顯示SniffEx對一條被校準的以50 sccm輸送氮氣氣體的RDX 蒸氣流的反應。三天采集了三套不同數(shù)據(jù)，用了相同的懸臂式芯片為了顯示6個大氣壓的RDX 蒸氣含量

65、。這表明,控制在這種情況下獲得的數(shù)據(jù)具有良好的再生性。圖9顯示的數(shù)據(jù)的噪聲級(標準的背景偏差)是1.8伏,因此,單一的計量檢測上限1.8伏 (3個標準偏差) 。這個限制對應于RDX 蒸氣含量遠遠低于大氣壓。很顯然,微型懸臂傳感器有著極高的敏感性。</p><p>　　圖9. SniffEx對一條標準的來自于INEEL 蒸氣發(fā)電機的蒸氣流的反應。天然氣輸送的氮氣流量是50-sccm,并且發(fā)電幾的溫度是25攝士度,其

66、對應于RDX 集中的6個大氣壓。3日分別獲得不同的數(shù)據(jù)顯示。1毫伏信號強度對應于1.25 牛/平方米的表面壓力。</p><p>　　如我們的測量所發(fā)現(xiàn)的塑膠炸藥, 轉導敏感性檢測性的方法能夠與光學轉導方法相媲美,它被認為是對微型傳感懸臂來說是最敏感的信號轉導方法。對每次采用懸臂, 在橋梁測量中是固有的,提供共同方式拒絕并且消除傳感器轉移由于外在作用造成譬如溫度和壓力變化。它可以感應制造數(shù)以萬計的這樣微型懸臂集中

67、在一塊芯片的傳感器芯片。這些特點,再加上有把所有電氣檢測線路集中在一個芯片的能力,使轉換方法為容易使用微型傳感器最適合的方法。</p><p><b>　　VII. 測距術</b></p><p>　　在過去十年，測距術已經(jīng)有了很大的進步。許多數(shù)字式儀器, 包括無線監(jiān)視儀器, 今天仍然是在使用中。但傳感器部分不利用硅技術是因為他們是在自然模式里。在不遠的將來，一個有特

68、殊用途的以固定測距術集成電路的發(fā)展是不能取得到的。但是,一個微型傳感器不是以在一塊唯一芯片的測距術可能當前被建立。</p><p>　　所以, 它是可行的, 在幾年內(nèi)一個基于懸臂式的, 聯(lián)合微型傳感器能在易爆蒸氣偵查和一些化工蒸氣偵查中得到有限的應用。由于介入的復雜，長期需要擴大對聯(lián)合微型傳感器的用途偵查化學制品, 生物, 放射學, 或易爆威脅的范圍。因為合并更多偵查能力增長,由于增加的部署聯(lián)合微型傳感器的費用將

69、減少,類似于進步了根據(jù)硅聯(lián)合電路的技術。以固定測距術制造一塊真正的芯片將在我們那兒得到更加快速的發(fā)展。</p><p><b>　　VIII. 結論</b></p><p>　　在反恐怖戰(zhàn)爭中，能提前檢測CBRE武器的能力, 應該站在長遠戰(zhàn)略角度從已經(jīng)發(fā)生化學或生物戰(zhàn)劑攻擊提早發(fā)現(xiàn)。這就要求無所不在微型傳感器,可探測多種具有高敏感度及選擇性的恐怖主義威脅,并能即時傳達

70、警告。微型懸臂傳感器的研究與分析儀器、遙測技術的進步,表明基于單一矽傳感器平臺的微型懸臂傳感器的可行性。其操作簡單,檢測具有高度敏感性,規(guī)模小、靈活性和多種探測恐怖主義威脅,加上低生產(chǎn)成本,使微型懸臂傳感器具有吸引力解決。</p><p><b>　　鳴謝</b></p><p>　　作者十分感謝X. Yan博士, V. Boiadjiev博士, F. Tian博士,

71、 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，他們在本文里的試驗中所提供的幫助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] G. E. M

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