专利名称：用于触发并使快速介电激活响应最大化的选择性极化匹配过滤器的制作方法
背景技术：
本发明涉及介电激活(电泳现象)、静电弛豫动力学、电子装置和系统这些领域，更具体地说，涉及通过检测力或所存储的电能的补充能量密度而检测某些特殊的实体时，用于触发并使介电激活响应最大化的选择性极化匹配过滤器，所述那些特殊的实体由有机和无机材料组成。
检测是否存在特定的实体＿＿人类、塑料(各种各样的聚合物以及带有添加剂的聚合物的混合物)以及其它有机/无机材料，而不考虑存在有看不见的插入结构、障碍或EMI信号，这种检测业已极广泛地用于各种各样的应用领域，例如，(a)消防和营救；(b)国家边境安全；(c)在预装货的飞机、列车和汽车上的运输安全；(d)新的和旧的建筑工业；(e)执法；(f)军事行动；(g)反入店行窃的保护措施；(h)其它的安全和紧急的需要和工作等等。
人们知道，人类、动物以及其它一些有生命的种类产生一种外电场及其梯度。例如，在人类生理学中，中央和周围神经系统的神经细胞、传感系统细胞、骨干肌肉系统、以及心脏传导细胞和心脏肌肉系统细胞都通过退极化和重新极化现象来工作，所述退极化和重新极化现象出现在它们的整个细胞膜，所述细胞膜自然处于一种介电极化状态。
横跨膜的离子电流和电位利用了Na-1、K+1离子等，所有的工作都是要建立一个横跨细胞膜的静电位，该静电位的特征是一种高度极化状态。在无髓鞘的细胞轴突内及其周围的离子浓度(每立方厘米中的摩尔数)确立了上述静电位。流体本身是中性的。使离子保持在膜上的力是它们横跨膜的、彼此间的吸引力。与这个过程无关的是Cl-1离子趋于扩散进细胞，这是由于它们在外边的浓度较高。K+1和Cl-1的扩散都趋于使细胞的内部带负电并使细胞的外部带正电。当电荷累积在细胞的表面时，就越来越难以使更多的离子扩散。试图向外移动的K+1离子被已经存在的正电荷排斥。当横跨膜的电位差平衡了由于浓度而引起的扩散趋势时，就达到了平衡。浓度差越大，横跨膜的电位差就越大。可通过Nernst方程来计算静电位，其中电位(V)＝V内部-V外部，这使得
这里，Co和Ci是内部和外部的离子浓度，K是波尔茨曼常数，T是绝对温度，e是电子电荷，而z是离子的化合价(电子电荷数)。
神经和传导脉冲、以及感觉、心脏、和肌肉动作电位还有后续的反应都通过连续的周期性脉冲(波)来显示，这些连续的周期性脉冲导致了最初的快速退极化，而且，不久以后，就快速地重新极化，一般重新确立静态，即，膜的原来的极化状态。横向的膜离子电流产生沿着细胞膜移动的偶极子电荷。刺激越大，沿着膜所产生的脉冲就越多。
动态电势与在不同类型的膜的内部和外部的、各自的离子浓度的比值有关。最终所得到的极化电场分布图形具有高度的空间非均匀性，并且可表征为一种边界偶极电荷分布图形。在R.A.Rhodes，的“人类生理学”(Harcourt Brace Javanovich(1992))以及D.C.Gianocoli，的“应用物理原理”(Prentice Hall(1980))中，都可以见到有关人类所产生的电场的讨论，这里，引用这些文献中的教导作为参考。
可以选择地，外电场及其梯度可通过静电起电装置由一个外部的源来提供，该静电起电装置用于无生命的目标，例如，塑料、金属、水等等。
能够在一种实体的、具体的基础上检测外电场及其梯度是有益的，该外电场是由有生命的物种自然产生的或是由一个外部的源感应出来的。进而，能够在很大的距离上、并且穿过障碍物来进行这种检测也是有益的。业已发现，采用本发明的、利用介电电泳原理的、选择性极化匹配过滤器就可能进行这种检测。
介电电泳说明了作用在初始为电中性的物质上的力以及该初始为电中性的物质的机械行为，通过外部的、空间非均匀的电场，经由感应使得所述初始为电中性的物质介电极化带电。通过电场的空间梯度(空间的变化率)来测量该电场空间不均匀的程度。介电电泳效应的一个基本的原理是在某一点处和随着时间的推移在空间中所产生的空气中的力(或力矩)总是指向(或寻求指向)相同的方向，主要是朝向局部电场的最大梯度的方向，这与电场(电压)以及周围介质的介电性质的、符号(+或-)和随时间的变化(DC或AC)无关。
介电电泳力的大小显著地、非线性地依赖于周围介质的介电极化率、初始为电中性的物质的介电极化率，并且非线性地依赖于所述电中性的物质的几何形状。这种依赖性是通过固体物理学的极化率研究中众所周知的Clausius-Mossotti函数来表示。介电电泳力非线性地依赖于由局部施加的、目标所产生的电场。介电电泳力依赖于空间和时间中某一点处的目标的局部电场分布的平方(二次幂)的空间梯度，检测器位于所述的空间和时间的那一点处。通过在由检测器上感应出的极化电荷所产生的介电电泳力来测量局部电场的平方的空间梯度。这种寻求恒定方向的力的大小，作为角位置(距目标一个固定的径向距离)的函数、以及作为径向位置(在一个固定的角位置)的函数、并作为“有效”介质极化率的函数是高度可变的。力的检测特征图形是目标的经过平方的局部电场的空间梯度的独特的图形，同时检测器总是指出(试图指出)梯度图形的局部最大梯度的方向。所有的实验结果和介电电泳的方程都与基本的电磁定律(麦克斯韦方程)一致。
有五种已知的介电极化的方法。这些方法包括由于所施加的外电场使得围绕原子核的电子分布稍微扭曲的电子极化；由于所施加的外电场使得初始为电中性的物质中的原子分布稍微扭曲的原子极化；由于所施加的外电场使得在极为特殊的聚合物等中高度非定域的电子或质子分布高度扭曲的游离极化；使得柔顺地附着在材料的分子上的永久性偶极子(H2O、NO、HF)和可定向的未定的偶极基(-OH、-Cl、-CN、-NO2)朝向具有特征时间恒量的外电场可旋转地排齐的旋转极化(偶极和定向的)；以及由于小的电导率的差别而造成非均匀的介电界面累积电荷载体的界面(空间电荷)极化。对于界面极化，所得到的、累积起来使得界面电荷中性化的空间电荷扭曲了具有特征时间恒量的外电场。
介电极化的头三种方法，电子极化、原子极化、和游离极化，都是在分子距离的尺度上的方法，并且，一施加外电场就即时出现，而且，在极高频率(红外和旋光)时影响材料的介电常数。后面的两种极化方法，旋转极化和界面极化都是在分子和宏观距离尺度上的方法，并且随时间呈现动态变化，同时具有特征时间恒量，以便使得高频介电响应常数朝向零频率时的介电常数变化(通常是增加)。这些特征材料时间恒量控制着材料的介电和机械特性曲线。
各种出版物中都讨论了那些极化模式和它们对介电常数的随时间的变化的作用的动力学，例如，H.A.Pohl的“介电电泳”(剑桥大学出版社(1978年))；R.Schiller的“介电介质中的电子”(C.Ferradini，J.Gerin(eds.)，CRC出版社(1991年))；以及R.Schiller的“宏观摩擦和介电弛豫”(IEEE Transactions on Electical Insulation，24，199(1989))；还有那些众所周知的教科书，这里都引为参考。
发明概述本发明涉及一种利用初始为电中性的材料的、由几种物质成份构成的、选择性极化匹配过滤器，选择所述初始为电中性的材料为任何要通过介电激活(电泳现象)检测的实体的严格同样的介电样品。所述过滤器在利用介电激活(电泳现象)方法、触发并且还要使机械力矩和能量补充方式这两者最大化、以便检测实体时，是一个关键性的要素。
这种过滤作用应用于实际上范围不受限制的、作为所感兴趣的目标实体的、要受到检测的材料。例如，所述检测材料包括用于检测人类的、钠米结构的、人类角蛋白蛋白质聚合物，用于检测动物的、钠米结构的、动物角蛋白蛋白质聚合物，用于塑料检测的、特殊的塑料(聚合物与添加剂的混合物)，等等。由选择性极化过滤器构成的介电样品材料的功能是进行在所感兴趣的实体和设置实体的定位装置之间的空间介电性质的匹配。过滤器使得上述装置能够利用介电激活(电泳现象)现象工作，以便专门只检测那些与极化过滤器组件的介电响应特征匹配的实体。介电特征包括介电常数和介电损耗频率谱，以及所有控制在外电场中极化演变/结构的特征时间恒量。
使介电激活实体定位检测装置工作有两个主要的要素。第一个要素是外电场及其空间梯度，而第二个要素是本发明的选择性介电极化匹配过滤器。如上所述，外电场及其梯度可由所感兴趣的实体本身来提供，就像有生命的物种就是所感兴趣的要检测的实体时的情况那样。可以选择地，外电场及其梯度可通过经由一个外部的静电起电装置的外部源来提供，就像无生命的实体就是所感兴趣的要检测的实体时的情况那样。
本发明中所体现的选择性极化匹配过滤器作为一种无源电路或有源电路组件(分别是没有电流流动或流动着连续电流)可用于检测装置本身。本发明中所实现的这种选择性极化匹配过滤器，在所有的探测器装置类型的工作装置中，可与通常的电子元件(电阻器、电容器、电感器、晶体管等等)一起使用，所述那些探测器类型的工作装置是用来检测是否存在预定类型的特定实体。
附图简述将参照附图详细地说明本发明的其它优点和目的，在附图中
图1是本发明的选择性极化匹配过滤器的第一个实施例的示意图；图2是本发明的选择性极化匹配过滤器的第二个实施例的示意图；图3是本发明的选择性极化匹配过滤器的第三个实施例的示意图；图4说明了本发明中所用的一种辅助性附件。
优选实施例的详细说明目标实体的外电场及其梯度确定了该实体的特定的极化式样。为了检测目标实体的电场及其梯度，就必须在诸如天线等那样的检测器元件上给予相反的极化式样。本发明的选择性极化匹配过滤器用作在检测器的操作者和反向极化了的检测器组件之间的一种匹配桥梁，以便产生相反的极化式样。
业已发现，材料的一些特定的组合提供了所需要的选择性极化过滤器的效果。图1示出了用于不导电材料的、本发明的第一个实施例的过滤器。如图1所示，过滤器10包括封装在一个过滤器主体14内的、同样的介电性质匹配材料12，该过滤器主体14由诸如聚氨酯那样的聚合物构成。放置一对平行板16封装所述同样的介电性质匹配材料12，这对平行板16也装在过滤器外壳14中。那些板16优选地由一种诸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)那样的不同的聚合物构成。在这种装置中，那些板16通过异氰酸酯胶的钻头承窝18及其诸如此类的东西，与金属电线20连接。
按照要检测的实体的特性来选择同样的介电性质匹配材料12。也就是说，同样的性质匹配材料与要检测的实体材料具有相同的介电性质、时间恒量、以及相关的宏观摩擦系数。合适的同样的介电性质匹配材料的例子包括用于人类检测的钠米结构的人类角蛋白蛋白质聚合物、用于动物检测的钠米结构的动物角蛋白蛋白质聚合物、用于塑料检测的特殊的塑料(聚合物与添加剂的混合物)、以及诸如此类的材料。
参照图2，在用于导电的同样的材料的第二个实施例中，结构基本上类似于第一个实施例的结构。不过，过滤器10’中的板16’是由诸如铜、黄铜、铝或钢那样的金属构成。金属板16’通过焊料钻头承窝18’与电线20’连接。例如，合适的导电的同样的性质匹配的材料例子包括金、银、白金、钯和铁。
在第三个实施例中，参照图3，对于不导电的同样的材料，该同样的介电性质匹配的材料本身就可以用作过滤器外壳。如图3所示，本发明的第三个实施例的过滤器30包括一个过滤器外壳32，该过滤器外壳32由同样的介电性质匹配材料构成并在其中确定了一个空腔34。在过滤器外壳32中形成空腔34的出口38，而且，该出口38充满了最好是金属的导电材料40，导电材料40与外电路联接器以及接地端(未示出)连接。
业已发现，采用辅助性附件50可增强本发明的选择性极化匹配过滤器的效果。如图4所示，辅助性附件50含有容纳在塑料容器52中的2-丙醇的溶液或者是固体或液体的2-甲基-2-丙醇。附件50包括一个与丙醇或2-甲基-2-丙醇接触的导电棒54，该2-甲基-2-丙醇与延伸到容器52的外部的电线56耦合。工作时，辅助性附件50与本发明的过滤器一起工作，以便提供增强了的效果。
至少在两种方法中，介电激活(电泳现象)现象可与目前本发明所公开的介电极化匹配过滤器一起使用，以便使得能够检测并定位所感兴趣的、特定的实体。第一种方法直接利用了介电电泳力。通常是通过围绕一个明确确定了的枢轴点和线作用的、力矩的“超距作用”运动来观察这一点。在同样为本人所拥有的、申请号为08/758,248的、待审查的专利申请中，说明了这种应用的一个例子，此处引用这篇文献作为参考。
第二种方法是由外电场及其空间梯度提供要检测的、所感兴趣的材料的、同样的介电样品，由一个外部的静电起电装置产生所述外电场及其空间梯度。这使得当与上述同样的参照材料介电匹配的第二种材料紧密靠近该参照材料附近、并经历由上述静电起电装置提供的外电场所产生的极化时，能够出现可测量的电能补充。
尽管已经参照目前认为是最实用并且是优选的实施例说明了本发明，应该理解，本发明并不限于所公开的那些实施例，而是相反，打算使所有各种改进和等同的方案都包括在所附的权利要求书的构思和范围内。
权利要求
1.一种选择性极化匹配过滤器包括一个由第一种材料构成的外壳；一种封装置于所述那个过滤器外壳中的、同样的(replicate)性质匹配的材料；封装置于所述那个过滤器外壳内、在所述同样的性质匹配的材料的相对两边的、一对实际上是平行的板；所述这对板由与所述第一种材料不同的第二种材料构成。
2.如权利要求1所述的一种选择性极化匹配过滤器，进一步包括一对置于分别与所述那对板连接、并延伸到所述过滤器外壳的外部的接地导线。
3.如权利要求1所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第一种材料是一种聚合物，所述第二种材料是一种与所述第一种材料不同的聚合物，而所述同样的性质匹配的材料是一种介电材料。
4.如权利要求3所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第一种材料是聚氨酯。
5.如权利要求4所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第二种材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物。
6.如权利要求5所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于按照要检测的实体的介电极化特性来选择所述同样的性质匹配的材料。
7.如权利要求6所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述同样的性质匹配的材料包括下述物质之一钠米结构的人类角蛋白蛋白质聚合物、钠米结构的动物角蛋白蛋白质聚合物、或聚合物的混合物。
8.如权利要求3所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第二种材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物。
9.如权利要求3所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于按照要检测的实体的介电极化特性来选择所述同样的性质匹配的材料。
10.如权利要求9所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述同样的性质匹配的材料包括下述物质之一钠米结构的人类角蛋白蛋白质聚合物、钠米结构的动物角蛋白蛋白质聚合物、或聚合物的混合物。
11.如权利要求1所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第一种材料是一种聚合物，所述第二种材料是金属，而所述同样的性质匹配材料是一种导电材料。
12.如权利要求11所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第一种材料是聚氨酯。
13.如权利要求12所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述第二种材料是铜、黄铜、铝和钢之一。
14.如权利要求13所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于按照要检测的实体的介电极化特性来选择所述同样的性质匹配的材料。
15.如权利要求14所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述同样的性质匹配的材料是金、银、白金、钯或铁之一。
16.如权利要求1所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于按照要检测的实体的介电极化特性来选择所述同样的性质匹配的材料。
17.如权利要求16所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述同样的性质匹配的材料包括下述物质之一钠米结构的人类角蛋白蛋白质聚合物、钠米结构的动物角蛋白蛋白质聚合物。
18.如权利要求16所述的一种选择性极化匹配过滤器进一步包括一种辅助性附件，这种辅助性附件含有2-丙醇或2-甲基-2-丙醇之一，并与所述过滤器一起工作。
19.一种选择性极化过滤器包括一个由同样的介电性质匹配的材料构成的过滤器外壳，所述这个过滤器外壳在其中确定了一个空腔，所述空腔具有一对出口；一种置于所述那个空腔中的介电材料，所述这种介电材料与所述同样的介电性质匹配的材料不同；以及一对分别置于所述那对出口中的导电插入件，所述这对导电插入件延伸到所述过滤器外壳的外部。
20.如权利要求19所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述置于所述空腔中的介电材料是空气。
21.如权利要求19所述的一种选择性极化匹配过滤器进一步包括一种辅助性附件，这种辅助性附件含有2-丙醇或2-甲基-2-丙醇之一，并与所述过滤器一起工作。
22.一种选择性极化匹配过滤器包括一种材料构成，使得所述材料构成能够基于要检测的实体的极化式样产生一种相反的极化式样。
23.如权利要求22所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述材料的构成包括按照要检测的实体的介电极化特性而选择同样的性质匹配的材料。
24.如权利要求23所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述材料的组份进一步包括至少一种介电材料。
25.如权利要求22所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述材料的构成包括封装置于聚氨酯中的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)。
26.如权利要求25所述的一种选择性极化匹配过滤器，其特征在于所述材料的构成进一步包括封装置于所述聚氨酯中、并由是ABS封闭的、一种同样的介电性质匹配的材料。
27.一种制造选择性极化匹配过滤器的方法包括组合成一种材料构成，以便基于要检测的实体的极化式样、产生一种相反的极化式样。
28.一种如权利要求27所述的方法，其特征在于所述组合步骤包括封装按照在某种介电材料中的要检测的实体的介电极化特性所选择的、一种同样的性质匹配的材料。
29.如权利要求28所述的一种方法，其特征在于上述组合步骤进一步包括在上述介电材料中封装一对实际上是平行的板，并用所述这对板封闭上述同样的性质匹配的材料。
全文摘要
一种物质构成利用了一种严格同样的介电匹配参照材料,以便制作一种检测装置组件,该组件触发介电激活(电泳现象)现象(力、力矩、能量补充)并使得该现象最大化,可用这种物质构成来检测某种预定类型的特定的实体的存在,所述这种预定类型的特定的实体包含作为一种主要组份的、上述介电匹配材料。用于所述检测装置组件的、不同的结构设计和材料使得能够检测各种各样的特定的实体,所述各种各样的特定的实体包括人类、动物、塑料、金属、水、等等。采用了上述组件的检测器可检测某种特定的实体的存在,而无需考虑是否存在任何类型的、插入的、看不见的材料结构或障碍、照明情况、天气情况、或电磁干扰(EMI)。
文档编号G01V3/08GK1260877SQ98806126
公开日2000年7月19日 申请日期1998年4月15日 优先权日1997年4月24日
发明者T·阿菲拉尼 申请人:Dkl国际有限公司