【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 避免熱量 轉(zhuǎn)移 , 我們使用共鳴反應(yīng)懸臂式。 由連續(xù)運(yùn)行力量定標(biāo)曲線 瞬間生產(chǎn)了在 AFM 顯微鏡積累 瞬間 共鳴。 對(duì)懸臂 ， 校正的推動(dòng)力量 ,是實(shí)現(xiàn)樣品 (采集領(lǐng)域在這種情況下 ),然后退出 。 照原樣被撤出 ,由于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(fù)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(fù)的力量更加迅速地減少 ,懸臂式迅速地加速和進(jìn)入泛音共鳴方式由它的大量和常數(shù)。 這個(gè)瞬變共鳴信號(hào)逐漸丟失它的 能量(即通過(guò)內(nèi)部摩擦 ) 并且來(lái) 停止 。 瞬變動(dòng)擺被記錄在一臺(tái)數(shù)字化的 使用赫茲 示波器 上，在一個(gè)輸出信號(hào)從偏折測(cè)量系統(tǒng)和然后 使用適當(dāng)?shù)能浖?來(lái) 分析。 力量距離曲線 在懸臂式和表面之間 擔(dān)當(dāng)距離措施。 由于力量梯度 在懸臂式共鳴頻率 充當(dāng)一個(gè)主要角色 , 距離的精確知識(shí)在要訣和表面之間是根本的為避免錯(cuò)誤在 頻率響應(yīng) 測(cè)量。 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(zhuǎn)移共鳴頻率 (不均勻的領(lǐng)域?qū)е乱粋€(gè)變化在共鳴頻率上由于力量常數(shù)的修改懸臂式由于領(lǐng)域梯度 ) 。 運(yùn)用這個(gè)方法 , 一個(gè)唯一阿爾法粒子可能被查出 , 提供頻率被測(cè)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(shè)備可能被優(yōu)選使用大區(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(shù)有同樣數(shù)量級(jí)的敏感性如上所述。圖 7 顯示共鳴頻率變異 (被計(jì)量從瞬間 ) 作為對(duì)阿爾法粒子的暴露功能。 直到現(xiàn)在 , 多數(shù) 關(guān)于 微型懸臂 傳感器的研究說(shuō)明 ,微型懸臂 涂層 以非常高敏感性 被開(kāi)發(fā) 出 各種各樣的種類 是 可能 的 。 但是 , 沒(méi)有操作員協(xié)助 ， 開(kāi)發(fā)同時(shí)查出各種各樣的威脅的一個(gè)微型傳感器系統(tǒng) ,以下基本的能力 是 必需 的 。 ．有選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(gè)懸臂式列陣包括十倍或上百 倍懸臂 也許是 可能 的。 ．信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方法 要求操作員協(xié)助 ，但不需要 是簡(jiǎn)單和緊湊 的 。 如果信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)無(wú)法 最小化，它不是傳感器元素。 ．測(cè)距術(shù) 必須納入設(shè)計(jì) ， 因此 ,在確定是一種威脅 后 ,可以發(fā)送到一個(gè)監(jiān)測(cè)站 。 V. 懸臂式列陣 比較其它傳感器技術(shù) , 相對(duì)地少量研究進(jìn)行了以 微型懸臂 列陣。在這些外面 , 模式識(shí)別算法使用辨認(rèn)蒸氣混合物組分在只中簡(jiǎn)單的混合物被分析使用一個(gè)八懸臂式列陣的二項(xiàng)研究中在 。 它是有趣注意到 , 微型懸臂 彎曲的信號(hào)被監(jiān)測(cè)了在兩項(xiàng)研究中 , 使用光學(xué)偵查。 圖 7. 核輻射探測(cè) 。 對(duì)阿爾法粒子 的 懸臂共振頻率的變化函數(shù) 。 所以 ,用 微型懸臂 平臺(tái) ， 在一個(gè)簡(jiǎn)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(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上研究化學(xué)傳感器陣列 , 部分或全部?jī)?nèi)容可能需要提高檢測(cè) 微型懸臂 傳感器陣列的能力 ， 這樣，它可以檢測(cè)出多種微量消耗 : 水汽蒸發(fā) 、 嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件 ，為模式識(shí)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(hào) 。 偵查速度是富挑戰(zhàn)性 , 特別是為化學(xué)制品 , 生物 , 和 輻射照射 。 例如 , 幾秒鐘的時(shí)間 ,所有可能的威脅作出反應(yīng)級(jí)神經(jīng)毒劑的數(shù)量 。 尤其是在反應(yīng)速度較慢的生物制劑 ,幾秒鐘的偵查 時(shí)間能限制 被吸入 數(shù)額和簡(jiǎn)化隨后預(yù)防疾病的行動(dòng)。 即使 微型懸臂傳感器 敏感性提高 ,主要是因?yàn)槠湟?guī)模小 (例如， 大型地空導(dǎo)彈數(shù)量的比例 ,大大擴(kuò)大了信號(hào)彎曲 )， 規(guī)模小 也減少了 比較對(duì)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(bǔ)這一損失 。 提前接觸器 能迅速使有足夠數(shù)量的檢測(cè)數(shù)量的懸臂部分可以大大減少檢測(cè)時(shí)間 是必不可少的 。 VI. 微型懸臂 的 力學(xué) 偵查彎曲 單通道 轉(zhuǎn)導(dǎo)方法適 和用于 一個(gè)微型傳感器。 當(dāng) 制作 一個(gè)微型傳感器 時(shí) , 只 有 小部分 傳感器 是不夠的 。 信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)變能力也必須納入這一小部分里 。 在這 個(gè)部分 , 我們簡(jiǎn)要地談?wù)撘粋€(gè)適當(dāng)?shù)?微型懸臂 信號(hào)轉(zhuǎn) 變 方法。 自從 AFM 誕生以來(lái) ,為監(jiān)視 微型懸臂 偏折 ， 探索了 數(shù)發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方法。 這些方法包括光學(xué) ,力學(xué) , 壓電 , 和電容方法。 在光學(xué)方法 中 , 激光二極管是集中在最后一個(gè)自由懸臂 。 一臺(tái)敏感探測(cè)器查出 被反射的光。 在 力學(xué) 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(dǎo)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(hào)是瞬變 , 它不是理想的靜態(tài) 測(cè)量 懸臂式彎曲的 方法 。 在電容方法 , 電容之間的懸臂 ,懸臂彎曲與基層 之間的空間 ,被測(cè)量 。 為原子力量顯微學(xué) ， 泰勒思 等最初開(kāi)發(fā)了 力式 微型懸臂 讀出方法 。 隨后 ,薄生 等 為傳感器應(yīng)用 ， 具體地開(kāi)發(fā)了一塊 有四個(gè) 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(gè) 力式 微型懸臂 平臺(tái) 對(duì)單 一傳感器平臺(tái) 是理想的，其 原因 將在 下面討 論。 我們最近 制定 了 一個(gè) 利用 四個(gè) 微型懸臂 芯片 的 手 持 傳感器 。 在 Canti4 芯片 里的 二個(gè)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(shí)驗(yàn) ,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(gè)手扶傳感器 為“ SniffEx ” 因?yàn)樗婚_(kāi)發(fā) 利用 為 探測(cè) 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(hào) 由 通過(guò)使用 二 個(gè) 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(xì)胞 。不銹鋼管被連接到流程細(xì)胞的輸入 口 。 在 “ sniffing”實(shí)驗(yàn)里 ,一個(gè) 連接到流程細(xì)胞出口 的 小泵浦 (被顯示在 圖 8的左上面 )被用來(lái) 從樣品瓶提取蒸氣。 在 INEEL 中所 發(fā)展 的 在一臺(tái)被校準(zhǔn)的易爆蒸氣發(fā)電器使用的實(shí)驗(yàn) 中 ,泵浦被關(guān)閉了并且進(jìn)水管被連接到 了 INEEL蒸氣發(fā)電器 ,爆炸蒸汽 以標(biāo)準(zhǔn)的50 公分立方米每分鐘 的低濃度進(jìn) 行流動(dòng)。 圖 8. SniffEx 手扶傳感器的相片。 流程細(xì)胞位于圖的上面 。 提取蒸氣 小泵浦經(jīng)常被顯示在頂面左邊 。 電池供給泵浦動(dòng)力是在 右手邊最上端 。 電池供給電子動(dòng)力位于底部。 雖然力量通常來(lái)自計(jì)算機(jī)的連續(xù)端口 , 這個(gè)電池將被使用當(dāng)計(jì)算機(jī)由一個(gè)個(gè)人數(shù)據(jù)助理替換 (PDA) 。 與便攜式計(jì)算機(jī)的通信是通過(guò)位于手扶的單位的底部 的 連續(xù)端口 。 圖 9 顯示 SniffEx 對(duì) 一條被校準(zhǔn)的 以 50 sccm 輸送 氮?dú)鈿怏w 的 RDX 蒸氣 流 的 反應(yīng) 。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(gè)大氣壓 的 RDX 蒸氣含量。 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(jí) (標(biāo)準(zhǔn)的 背景偏差 )是 伏 ,因此 ,單一的計(jì)量檢測(cè)上限 伏 (3 個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)偏差 ) 。 這個(gè) 限制 對(duì)應(yīng)于 RDX 蒸氣含量 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大氣壓 。 很顯然 ,微型懸臂 傳感器有 著 極高 的 敏感性。 圖 9. SniffEx 對(duì) 一條 標(biāo)準(zhǔn) 的 來(lái)自于 INEEL 蒸氣發(fā)電 機(jī)的 蒸氣 流的 反應(yīng) 。 天然氣輸送的氮?dú)饬髁渴?50sccm,并且 發(fā)電 幾的 溫度是 25攝士 度 ,其 對(duì)應(yīng)于 RDX 集中 的 6個(gè)大氣壓 。3日分別獲得不同的數(shù)據(jù)顯示 。 1毫伏 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于 牛 /平方米的表面壓力。 如我們的測(cè)量 所 發(fā)現(xiàn)的塑膠炸藥 , 轉(zhuǎn)導(dǎo) 敏感性 檢測(cè)性的方法能夠與 光學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)方法相媲美 ,它被 認(rèn)為是 對(duì)微型傳感懸臂來(lái)說(shuō)是 最敏感的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方法。 對(duì) 每次采用懸臂 , 在 橋梁測(cè)量 中 是固有 的 ,提供共同方式拒絕 并且 消 除 傳感器 轉(zhuǎn)移 由 于 外在作用造成譬如溫度和壓力變 化 。 它 可以感應(yīng) 制造 數(shù)以萬(wàn)計(jì)的 這樣 微型懸臂 集中 在一塊芯片 的 傳感器芯片 。 這些特點(diǎn) ,再加上有把所有電氣 檢測(cè) 線路 集中在一個(gè)芯 片 的能力 ,使 轉(zhuǎn)換 方法為 容易使用微型傳感器 最適合的方 法 。 VII. 測(cè)距術(shù) 在過(guò)去十年 ， 測(cè)距術(shù) 已經(jīng)有了很大的進(jìn)步 。許多數(shù)字式儀器 , 包括無(wú)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(shù) 是 因?yàn)樗麄兪?在自然 模式里。 在不遠(yuǎn)的將來(lái) ， 一個(gè)有特殊用途的 以固定測(cè)距術(shù) 集成電路的發(fā)展 是 不 能取得到 的 。 但是 ,一個(gè)微型傳感器 不是 以在一塊唯一芯片的測(cè)距術(shù)可能當(dāng)前被建立。 所以 , 它是可行的 , 在幾年內(nèi)一個(gè)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(yīng)用。 由于介入的復(fù)雜 ， 長(zhǎng)期需要擴(kuò)大對(duì) 聯(lián)合微型 傳感器 的用途 偵查 化學(xué)制品 , 生物 , 放射學(xué) , 或易爆威脅 的范圍 。 因?yàn)?合并更多 偵查能力增長(zhǎng) ,由于增加的部署聯(lián)合微型傳感器 的費(fèi)用將減少 ,類似于進(jìn)步了根據(jù)硅聯(lián)合電路的技術(shù)。 以固定測(cè)距術(shù)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 。 VIII. 結(jié)論 在反恐怖戰(zhàn)爭(zhēng)中 ， 能 提前 檢測(cè) CBRE 武器的能力 , 應(yīng)該站在長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略 角度從 已經(jīng)發(fā)生化學(xué)或生物戰(zhàn)劑攻擊 提早發(fā)現(xiàn) 。 這就要求無(wú)所不在微型傳感器 ,可探測(cè)多種具有高敏感度及選擇性的恐怖主義威脅 ,并能即時(shí)傳達(dá)警告 。 微型懸臂 傳感器的研究與分析儀器、遙測(cè)技術(shù) 的 進(jìn)步 ,表明基于單一 矽傳感器平臺(tái) 的微型懸臂傳感器的 可行性 。 其操作簡(jiǎn)單 ,檢測(cè)具有高度敏感性 ,規(guī)模小、靈活性和多種探測(cè)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 。 鳴謝 作者 十分 感謝 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 ， 他們 在本文里 的 試驗(yàn)中所提供的 幫助 。 參考 文獻(xiàn) [1] G. E. Moore, “ Cramming more ponents onto integrated circuits,” 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, and D. R. Walt, “ Crossreactive chemical sensor arrays,” Chem. Rev., vol. 100, no. 7, pp. 2595– 2626, 2021. [3] E. L. Hines, E. Llobet, and J. W. Gardner, “ Electronic noses: a review of signal processing techniques,” Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 146, no. 6, pp. 297– 310, 1999. [4] T. C. Pearce, “ Computational parallels between the biological olfactory pathway and its analogue ‘ the electronic nose’ . 1. Biological olfaction,” Biosystems, vol. 41, no. 1, pp. 43– 67, 1997. 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