1、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
2、，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
3、，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
4、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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
