CN101528454A - 利用可逆式自组装系统的安全装置 - Google Patents

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CN101528454A CNA2007800362087A CN200780036208A CN101528454A CN 101528454 A CN101528454 A CN 101528454A CN A2007800362087 A CNA2007800362087 A CN A2007800362087A CN 200780036208 A CN200780036208 A CN 200780036208A CN 101528454 A CN101528454 A CN 101528454A
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Abstract

本发明提供了一种安全装置(10)，该安全装置具有：其上具有图案(14)的基部(12)；被设置成与基部(12)相接触的可移动组件(16)，该可移动组件(16)包含多个可逆式吸附粒子；以及覆盖部(20)，该覆盖部围绕着所述可移动组件(16)附接到该基部而保持与所述基部接触的所述可移动组件(16)；其中，所述多个可吸附粒子是可移动的并且在第一状态与第二状态之间能够可逆地变化，在第一状态下，所述可吸附粒子被吸附到至少预定百分比的图案上，而在第二状态下，所述可吸附粒子被吸附到小于预定百分比的图案上。

Description

利用可逆式自组装系统的安全装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年9月27日提交的名称为“Security Device usingReversibly Self-Assembling Systems”的美国专利申请11/535875的优先权，其全部内容通过引证并入于此。
技术领域
本发明涉及将作为真产品的货物区分于其伪造型式而识别和验证出来。具体来说，本发明涉及可以附加至或以其它方式并入真货物的标签或特征。
背景技术
伪造诸如钞票、支票、票据、信用卡等的文件和产品以及贵重商品和贵重物品是常见问题。为了防止伪造，许多安全文件和其它贵重物品都包括设置在该物品上或该物品中的一个或更多个安全装置。安全装置通常通过验证该文件并防止伪造的一个或更多个技术策略(例如金属安全特征、磁安全特征或发光安全特征)来工作。
然而，现有安全装置常常遭受下列问题中的一个或更多个：它们容易被直接伪造或仿造而绕过、生产成本昂贵、寿命有限，并且需要专用且通常昂贵的检测设备。因而，需要能够克服现有技术的缺点的改进安全装置。
发明内容
因此，本发明致力于一种安全装置，该安全装置具有：其上具有图案的基部；被设置成与所述基部相接触的可移动组件，该可移动组件包含多个可逆式吸附的粒子；以及覆盖部，该覆盖部围绕着所述可移动组件附接到该基部而包含与所述基部接触的所述可移动组件。
所述吸附粒子是可移动的并且能够在第一状态与第二状态之间可逆地变化，在所述第一状态下，所述可吸附粒子被吸附到至少预定百分比的所述图案上，而在所述第二状态下，所述吸附粒子被吸附到小于预定百分比的所述图案上。优选的是，所述粒子能够通过分子自组装而可逆地进行上述改变。可选的是，当所述可吸附粒子处于所述第一状态下时，所述图案可通过肉眼在视觉上检测。可选的是，图案可以通过微米级或纳米级组分的总和来形成。
所述可吸附粒子可以具有染料。所述基部可以具有围绕着外缘的唇部，使得所述覆盖部附接到该唇部上。所述基部还可以具有保护层和接合至该保护层的基板，使所述图案形成在基板上。可选地，所述保护层还可以由硅橡胶(silicone rubber)或硅酮弹性体(silicone elastomer)制成。所述覆盖部可以是聚酰亚胺(polyimide)膜或含氟聚合物(fluoropolymer)膜。
通过调节所述可移动组件或所述表面的物理化学组成，可以将吸附能量性质调节成，使得所述可吸附粒子可以在小于5秒钟的时间内从所述第一状态改变成所述第二状态接着返回到所述第一状态。另外，所述吸附粒子可以从所述第一状态改变到所述第二状态并返回到所述第一状态超过10,000次。该装置可在大约-20摄氏度到大约70摄氏度的温度范围下工作。
本发明还致力于一种用于制造安全装置的方法，该方法包括以下步骤：形成具有图案的基部；将该基部连接到覆盖部上；通过所述覆盖部在所述基部与所述图案之间注入可移动组件，所述可移动组件包括多个可吸附粒子；以及密封所述覆盖部。另外，形成所述基部的步骤还可以包括以下步骤：按照图案在基板上沉积图案材料；并且将所述基板附接到保护层上。
可以将本发明的装置附加至或并入文件或产品(如货币、驾驶执照、护照和钱包或其它消费品)中。在该装置的一个实施方式中，所述装置中的图案或图像将肉眼可见。然而，通过向所述装置施加能量，如通过用手指按压它，该图案或图像将消失一小段时间(如五秒钟)并接着再出现。因而，用户可以通过观察该图案或图像的解体和重组来将验证该文件或产品为真的。对于附加的安全性来说，该装置还可以包含肉眼不可见的并且仅可以利用合适的机器来检测的图案或图像。另外，可以通过添加只有制造商和具有安全授权的(security-cleared)用户才知道检测方法的附加图案和互补化学性质来形成司法特征(forensic features)。
附图说明
参照附图，将更好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的装置在第一状态下的示意性侧视图，在第一状态中至少一部分可吸附粒子被吸附到基部上的图案上；
图2是图1的装置在第二状态下的示意性侧视图，在第二状态中大多数可吸附粒子没有被吸附到图案上；
图3是图1的装置的示意性俯视图；
图4是图2的装置的示意性俯视图；
图5是根据本发明的一个附加实施方式的、具有保护层的装置在第一状态下的示意侧视图，在第一状态中至少一部分可吸附粒子被吸收到基部上的图案上；以及
图6是根据图5的装置的示意性侧视图，其中覆盖部已经被压缩并且大多数吸附粒子没有被吸附到图案上。
具体实施方式
如这里所使用的，术语“粒子”指尺寸从原子到中等尺度的金属粒子或胶体(colloid)范围的可移动实体。
如这里所使用的，术语“可吸附的”指粒子依附到基板上的图案上的能力。该吸附可以是物理吸附或化学吸附，使得结合能足够低，以便该吸附可逆，从而形成组装(assembly)、解体(disassembly)和重组(reassembly)的循环(“ADR循环”)。
如图1到4所示，根据一个实施方式，本发明致力于一种识别和安全装置10，其使用可逆式自组装分子表面结构，以形成可检测的图像。该装置10具有基部12。基部上形成有图案14。图案14可以通过对基部材料的特定区域以物理化学方式进行微米构图或纳米构图来形成；或者，可以将不同材料微米构图或纳米构图到基部上来形成图案14。可移动组件16覆盖基部12和图案14。
可移动组件16包含多个可吸附粒子18，该吸附粒子18可逆地吸附到基部12上的图案14上，但不吸附到基部的其余部分。这在可吸附粒子选择性地吸附到图案上时形成高分辨率图像。可逆性基于吸附过程的准均衡(quasi-equilibrium)性质，由此，输入相对少量的能量(通常低到1-5千卡/摩尔(kcal/mole))将导致自组装分子表面结构的解吸附，并由此，导致解体。覆盖部20包围并且密封与基部12和图案14接触的可移动组件16。
该装置形成封闭热力学系统。该装置10可以经历组装、解体和重组的反复循环。在组装期间，如图1和3所示，可吸附粒子18吸附(通过分子自组装)到基部12上的图案14的材料上，以形成可检测的图像。选择基部的化学性质，以使基部不吸附这些可吸附粒子。在解体期间，如图2和4所示，吸附粒子18从图案14分离，其又造成失去可检测图像。在重组期间，可吸附粒子18通过分子自组装再吸附到图案上，由此，再次形成图3所示的可检测图像。
在本发明的替代实施方式中，当没有吸附粒子18被吸附至图案14时，例如可以通过肉眼来检测图案14，而当将吸附粒子吸附到图案的表面上时，基本上不可检测。
在另一替代实施方式中，可吸附粒子18可以从第一状态改变成第二状态有限次数，并接着可吸附粒子将永久地改变状态，使得ADR循环不再发生。可吸附粒子18的化学降解可以导致永久丧失图案检测。或者，氧化或另一过程会改变吸附能量性质，致使可吸附粒子18利用足够能量结合到构图表面14，使得ADR循环不能发生，从而获得永久可见图案。
在另一个实施方式中，可以利用具有不同表面化学性质的一个或更多个附加图案对基部12进行微米构图或纳米构图。在该实施方式中，可移动层包含多组吸附粒子18，各组都具有专门吸附到这些图案中的一个的化学性质。结果，该装置可以包含仅可借助于机器来检测的附加的可见或机器可读图案和数据，如条形码或加密信息。
下面，对各层进行更详细描述。基部12提供针对可移动组件的支承和局部容纳。优选的是，基部足够柔韧，以使通过手指的压力而被压下，由此，增加到封闭热力学系统的能量，致使可吸附粒子18与图案的表面解吸附。优选的是，基部足够坚固，以避免因操纵、阳光以及洗涤随着时间的过去而撕裂和劣化。
如图5所示，基部12可以具有多层。基部12具有基板22，基板22上形成有图案14。在本发明的一个示例性实施方式中，基板是多层半导体芯片。例如，该半导体芯片可以具有GaAs表面，在该GaAs表面上沉积有Si3N4层，以使形成图案14。可以利用半导体工业中已知的蚀刻和沉积技术对Si3N4层进行微米构图或纳米构图。因此，伴随的可吸附粒子具有使得粒子吸附到Si3N4而不吸附到GaAs上的化学性质。
另外，基板可以是结合有寡核苷酸(oligonucleotide)、抗体或抗原的图案的塑料。因此，伴随的可吸附粒子是以荧光团或其它生色(color-generating)剂标注的抗原决定基(epitope)或同源寡核苷酸。在本发明的一个实施方式中，基部12是作为基板22的聚酰亚胺(polyimide)膜(诸如涂覆有FEP
Figure A20078003620800081
的
Figure A20078003620800082
)，使铝迹线与该基板结合，以形成可视图案14。
优选的是，基板具有大约5微米到大约100微米的厚度，由此，使得能够贴标签到与联邦储备券(Federal Reserve Note)一样薄的物品或其它纸品上。本领域技术人员可以理解的是，选择用于基板和图案的材料可以根据该装置中使用的可移动组件和可吸附粒子而有很大不同。
在另一个实施方式中，基部12或基板22可以是包含还形成了微电路的多个图案的半导体材料。通过使这些微电路延续通过该装置的壁部并且连接至电有源集成电路系统，可以将由带电表面现象(或其它电磁现象)导致的吸附并入该装置中。结果，可以按半导体工业中已知的方式通过微电路切换工艺来形成多个图案。另外，如果基部12是光学透明的，则由吸附所形成的图案可以在该装置两侧上可见。
可选的是，如图5和6所示，基部12具有保护层24，该保护层24连接到基部22的未构图侧。保护层24使得系统能够被压缩至更大程度，其又导致将更多能量输入到封闭系统中。保护层24例如可以由硅橡胶或硅酮弹性体以及能够按与该装置的期望尺寸相称的比例加工的其它材料制成。
可以利用例如粘合剂、化学、热或超声波焊接将保护层24连接到基板22上。另外，例如可以通过印制、溅涂(sputter coating)或旋涂(spincoating)将基板直接沉积在保护层上。随后，可以通过对完全沉积的层进行蚀刻或仅在基板22的表面上的预选区域中沉积图案材料来形成图案材料。
硅橡胶和弹性体例行地按0.005英寸的商用厚度来生成，并且将这些材料加工成更小厚度是可实现的。可以将包括微压印光刻技术(microimprinting lithography)、软光刻技术、直接沉积技术、三维印制技术以及激光立体光刻技术(laser stereolithography)的已知技术用于利用聚合材料和弹性体材料来制作亚微米结构。例如，参见Y.Lu和S.C.Chen的Microand nanofabrication of biodegradable polymers for drug delivery，AdvancedDrug Delivery Reviews(56)：1621-1633，2004(Elsevier)，其全部内容通过引证并入于此。保护层的厚度优选为从大约5微米到大约100微米，并且更优选为从大约20微米到大约50微米。因为基部12不吸附粒子18，所以基部12形成了图案14在粒子18被吸附至图案14时形成图像所需的对比度。
优选的是，基部12具有围绕外缘以支持与基部相邻的可移动组件16并支承覆盖部20的唇部26。该唇部26可以由保护层24的材料形成。或者，在基部12与覆盖部20之间插入实间隔物(未示出)以使能够在基部12与覆盖部20之间放置可移动组件16。或者，通过蚀刻、沉积或其它已知加工方法在基部12上形成间隔物。或者，可以将基部12直接密封到覆盖部20上，使两者之间在表面积上留有轻微差别，使得能够直接引入包含可吸附粒子18的可移动组件16。取决于特定组成参数，没有间隔物时可以实现轻微的研磨力来增强解吸。
如上所述的基部与覆盖部的唇部结构或直接密封结构形成容纳可移动组件16的功能容器，使得吸附粒子18能够通过随机热运动与互补化学性质的吸附图案14恒定地接触。通过调节吸附粒子18的浓度、可移动层16的化学组成、图案表面积以及容器的总容量，可以控制基于吸附的分子自组装的速率和ADR循环的速度。通过粘合剂或其它方法韧化边22和覆盖部，以使经得住与多个ADR循环相关联的压缩。
对于在由纸或塑料材料制成的联邦储备券或诸如驾驶执照和身份证的其它应用中用作宽度在100微米到120微米的范围内的窗口化特征来说，唇部从基部12起延伸出大约20微米到大约100微米，并且更优选地延伸出大约40微米到大约80微米。
可以利用表面衍生作用在基部上形成图案。构图可以利用如下面将进一步讨论的电路设计和生物工艺学中使用的纳米构图和微米构图技术。图案的尺寸优选为肉眼可见。例如，针对联邦储备券、驾驶执照或身份证中的窗口化特征的常规可见图案尺寸可以占用大约1cm×大约1cm的窗口化面积的一半或以上。
图案本身通过对准基板上的一系列微米构图或纳米构图的几何区域来形成。例如，可以通过交替间隔布置吸附表面上的散布有500条基板材料线(宽度1微米×长度1厘米)的500条微米构图线(宽度1微米×长度1厘米)，来形成具有宽度1毫米而长度延伸1厘米的尺度的可见线。吸附和非吸附材料的比率和特定取向例如通过与可检测图案相关联的对比度、颜色以及亮度的期望等级来确定。优选的是，在没有吸附可吸附粒子的情况下，图案不能按通常方式(例如通过肉眼)来检测。
另外，基部可以包含一个或更多个附加图案(未示出)，其仅可利用机器读取器来检测(并且可吸附粒子不附着其上)。这种图案可以利用与用于形成原始图案的过程类似的过程来形成。
可移动组件16可以是包含可吸附粒子18的水溶液。该溶液还可以包含非水溶剂、清洁剂，或其它药剂来改变吸附的自由能。另外，该水溶液可以包含抗氧化剂或其它防腐剂，以延长选定生色剂的寿命。另外，该溶液可以包含用于改变粘性的元素，进而可以控制可吸附粒子经历ADR循环的速率。
可吸附粒子例如可以是诸如荧光团的发光材料或诸如亲水染料的着色剂。另外，可吸附粒子例如可以包括用于结合到互补寡核苷酸的染料链接寡核苷酸，该互补寡核苷酸结合到基部12上的图案14上。另外，可吸附粒子可以包括结合到形成图案14的金属(例如，铝)表面迹线上的寡肽。另外，可吸附粒子可以包括抗体(或能够结合具有高特异性的非生物学材料的融合蛋白质或肽)，而图案14具有对应的抗原，反之亦然。
重要的是，可吸附粒子18在基部12与覆盖部20之间悬浮时可移动，使得吸附和解吸能够发生。优选的是，选择可移动组件16，以使可吸附粒子18在大约-20摄氏度到大约70摄氏度的温度范围内可移动并且可吸附到图案14上。可移动组件16还可以是在向封闭热力学系统施加压力或输入其它形式的能量时释放吸附剂的凝胶体或固体材料。
可吸附粒子18具有两种功能。第一功能是针对基部上的图案的可逆式吸附。可吸附粒子的第二功能是与可见光或其它类型的激发光相互作用，使得在吸附和形成构图图像时，该图案可以快速且容易地被肉眼或另一检测者看到。可吸附粒子可以利用可检测标签来标注。另外，可吸附粒子本身可检测。
可以将诸如孔雀绿(malachite green)、溴百里酚蓝(bromothymolblue)以及苯胺衍生物的色原染料链接至可吸附粒子。可以使用其它小分子着色染料，其中，该染料具有使得能够在没有破解可吸附粒子或染料的功效的情况下附着到该可吸附粒子的功能链接化学性质。
常规染料分子通过吸收或散射光来产生它们的作用。尽管单个染料分子的作用可能较小，但当组装成宏观图案时，就可以获得至少一个可见参数的显著变化。另外，当染料因淬火(quenching)或能量传递作用而处于紧密的物理接近度时，宏观结构的组装会导致可检测的变化。
另外，可以将发光染料、磷光染料以及荧光染料用作可检测标签。许多已知荧光发色团吸收通过正常形式照明(阳光、白炽灯泡或荧光灯管)所提供的并且以可见光谱波长发射的环境光。利用发光标签、磷光标签以及荧光标签的优点在于发射光处于与激发光和背景光不同的波长，由此，在背景上提供可接受的信噪比。优选的是，选择染料和发色团，并且排列可吸附粒子的图案，以使以下各项最小化：1)表面分子对较深分子的遮蔽，2)染料-染料相互作用，以及3)荧光共振能量转移(FRET：fluorescence resonance energy transfer)。
优选的是，浓度至少大约为每平方微米图案1000个染料分子，以供肉眼可见。更优选的是，染料浓度在每平方微米图案大约10,000个染料分子与30,000个染料分子之间。
对利用可见光的人体检测有用的荧光/发光染料的示例包括Invitrogen公司(Invitrogen Corporation，1600Faraday Avenue，Carlsbad，California 92008)的Alexa
Figure A20078003620800121
488和Alexa
Figure A20078003620800122
555。用于利用可见光的人体检测的磷光染料的示例包括在标志图样中使用的微粒状金属，如Capricorn Chemicals公司(Capricorn Chemicals，Lisle Lane，Ely，CabsCB7 4AS United Kingdom)的Glowbug颜料(Glowbug Pigment)。
另外，标签可以是量子点，例如Invitrogen公司(InvitrogenCorporation，1600Faraday Avenue，Carlsbad，California 92008)和Evident公司(Evident Technologies，216 River Street，Suite 200，Troy，New York12180)制造的量子点。另外，标签可以是显示颜色生成或反射特性的较小金属胶体、微米级微粒状或纳米级微粒状金属，例如金和铜。铁基铁磁体微米级粒子或纳米级粒子也是可用的。
覆盖部20优选为半透明的并且更优选为相当透明，使得能够观看可吸附粒子。对于装置的深度受限的应用来说(例如对于并入针对纸币的窗口化安全特征来说)，覆盖部厚度范围可以从大约5微米到大约100微米，并且更优选地是范围从大约5微米到大约15微米。
覆盖部20可以由聚合物制成，如
Figure A20078003620800123
(聚酯膜)、线性高密度聚丙烯(LHDP)、聚乙烯、聚碳酸酯以及聚甲基丙烯酸甲酯。优选的是，覆盖部20由杜邦公司(DuPontTM，Wilmington Delaware)商业上提供的聚酰亚胺膜制成，作为具有7.5微米厚度的膜。另外，覆盖部20可以由其它柔性透明材料制成，如由杜邦公司(DuPontTM)商业上提供的
Figure A20078003620800131
含氟聚合物膜，作为具有12.7微米厚度的光学透明膜。
该装置的性能部分受控于覆盖部的特性。可移动组件优选地相对不可压缩。这有助于减小在压缩循环期间使覆盖部破裂或损坏的可能性。覆盖部和保护层(如果存在)的材料的物理参数(例如弹性形变度、杨氏模量以及刚度)影响到在压缩期间能量如何传递到该装置中。覆盖部材料有助于该覆盖部在压缩之后“迅速恢复”的速度。
假设用于解吸附的主驱动力是流体动力，尤其是溶液中单个分子的增加热能和液力流体运动造成的湍流。这两者的影响都因压缩而生成。然而，如果“迅速恢复”足够快，则会在该装置恢复其原始形状之前在流体之上形成较小真空，造成短暂的气穴现象。该气穴现象可以进一步解吸附。当该装置的厚度大约为100微米(在货币的窗口化安全特征内)时，即使轻微的压缩也可以导致覆盖部与构图基部之间的物理磨损。这种磨损力也有助于解吸附。
另外，如果吸附粒子悬浮在水溶液中，则憎水性覆盖部会由于没有与水溶剂和亲水吸附粒子的相互作用而增强气穴现象，并且通常增强产品性能和延长寿命。憎水性性能可以从诸如
Figure A20078003620800132
的材料得到。在一个优选的实施方式中，使用粘合剂将覆盖部连接到基部。
在使用中，当将可吸附粒子吸附到基部上的图案上时，形成人体或机器可识别图像。施加压力会破坏可见图像。释放压力会导致图像快速自发重组。组装、解体接着重组的循环应当是可重复的，除非该装置的物理完整性被破坏。
针对该装置的使用，最佳化所使用的染料。例如，在将该装置用作货币中的安全特征的情况下，优选的是，因为人的色视觉的固有效能，所以针对可见光的绿光范围中的可见性而选择染料。诸如该装置将并入的物品的对比度和背景色的其它因素将影响染料、发色团或其它颜色和对比度生成剂的选择。对于许多应用来说，吸附和解吸附时间应当落入对于人视敏度和识别力来说最佳的时间内。这个时间优选为大约1/2秒钟到大约5秒钟，以提供真实性的快速检查，但也不是快到不可检测。破坏所需压力量优选为能够通过人手导致，而不需要专用仪器或“读取器”。该装置可以经历的组装、解体和重组循环的次数优选为大于1000次，更优选为大于100,000次。
该装置可以用于货币中，并由此将具有范围从大约1毫米到几厘米的宽度和长度，以及大约50微米到大约100微米的深度。在其他应用中，该尺寸可变，并且仅受限于采用无论什么检测装置进行检测时所需的尺寸。
该装置的其它变量(例如压力灵敏度)可针对特定应用定制。例如，可能有用的是，使吸附粒子为在规定时间量之后在化学性质上劣化的荧光染料。还可能有用的是，使用多个图案和多个吸附种类，其中的一些发射不直接可见于人眼、而是机器可读的光或其它类型的信号。
将该装置优选地集成到要保护的产品中，以使去除该装置将致使该装置不起作用。例如，在耐用品的情况下，优选地利用粘合剂附接该装置。在衣服、外衣以及纸币的情况下，优选地，进一步利用粘合剂材料将该装置与这些物品的纤维交织。
在本发明的另一个实施方式中，可以将多个装置夹在一起，以形成三维装置。根据单个装置的组成和它们在三维上排列的方式，可能的是，通过倾斜或以其它方式改变察看装置的角，来产生全息或运动效果。如果图案由半导体或其它电子有源材料制成并且延续通过装置的主体，则可以通过如前所述输入电气或电子能量来实现动态效果。
图案形成
基板22可以利用诸如抛光(100)取向非掺杂GaAs晶片的标准半导体加工过程来制作。图案14可以通过沉积普通绝缘体(如通过等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)在基板上沉积的膜中的非晶Si3N4和SiO2)而形成在基板22上。
可以使用光刻技术来制作微米长度图案，并且分别利用CF4和CHF3来实现Si3N4和SiO2的干蚀刻，以显露出下面的基板。光刻技术同样可以被用于限定沉积的图案，并且随后利用电子束或热蒸发来剥离(liftoff)沉积的金属：Au、Pd、Pt、Ti以及Al。可以将构图基板暴露于作为最终干洗的氧等离子体蚀刻，以去除有机残留物。
构图基板还可以由分层GaAs和AlGaAs的分子束外延(MBE)晶片制成，利用H2O2/NH4OH的蚀刻来暴露AlGaAs层。
在本发明的另一个实施方式中，构图基部利用柔性电路加工过程(举例来说，如光刻技术、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、溅涂、离子打磨，以及分子束外延(MBE))来形成。
在本发明的另一个实施方式中，构图基部利用弹性体冲压技术来形成，例如Colin D.Bain、E.Barry Troughton、Yu Tai Tao、Joseph Evall、George M.Whitesides和Ralph G.Nuzzo的Formation of monolayer films bythe spontaneous assembly of organic thiols from solution onto gold(J.Am.Chem.Soc.111：321-335(1989))所教导的技术，其全部内容通过引证并入于此。
如Bain等人所教导的，向玻璃盖片或硅晶片上蒸发1nm到5nm的钛膜，以促使将金粘合到表面上。接着，向表面上蒸发10nm-200nm的金膜。接着，可以通过选择性地涂抹乙醇烷基硫醇(ethanolic alkylthiol)的溶液来对所得金表面进行构图。如果T-功能化烷基硫醇的乙醇溶液包含两个或更多个不同硫醇，则可以形成混合单层。
可以利用光刻技术来制作图案，例如在Xia，Y.；Whitesides，G.M.ARMater.Res.1998，28，153，Soft Lithiography中教导的，其全部内容通过引证并入于此。可以使用的一种光刻方法是微接触印刷(microcontactprinting)。具有构图浮雕的印记由已经灌注在原版(master)上、固化并接着剥离的弹性体(如聚(二甲基硅氧烷)(PDMS：polydimethylsiloxane)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA：polymethylmethacrylate))形成。该原版由光刻技术、电子束刻写、微机械加工或蚀刻到金属中的浮雕结构来制造。各原版都可以用于制作多达50个印记，并且各印记都可以多次使用。
印记被涂上T-功能化(T-functionalized)硫醇的乙醇溶液，并且与金表面接触10秒钟-20秒钟，从而在接触区域处形成烃硫基金(gold thiolate)单层。一种特定方法使用根据能够将硫醇传送至金表面的光刻技术构图的聚甲基丙烯酸甲酯原版复制的印记。
还可以利用亲水性HS(CH2)15COOH和憎水性HS(CH2)15CH3自组装形成复合物的组合在该表面上形成图案。包含水的溶液中的憎水性染料可以用于选择性地吸附至所得亲水性构图区域。
制造方法
如上所述，一旦已经将图案14制作到基板22上，就可以利用硅酮胶将基板22的未构图侧密封到保护层24上。在将基板22密封至保护层24之后，可以利用诸如硅酮胶的粘合剂将覆盖部20密封至唇部26。或者，利用化学、超声波或热焊接将覆盖部密封至唇部26。或者，利用熔接或者诸如硅酮胶的粘合剂将表面积稍大的覆盖部直接密封至基部。接着，将可移动组件16抽运进基部的基板22与覆盖部之间的空间中。
可以利用分别连接至可移动组件的容器和真空系统的两个微量吸管来完成可移动组件的抽运，该微量吸管通过唇部或覆盖部插入。一旦该装置被充满可移动组件，就将吸管抽出，并且通过局部加热或通过施用密封剂来密封唇部或覆盖部中的穿透点。
示例
下面的实施例仅出于说明性目的。本领域技术人员可以理解，该装置的尺寸可以根据应用而变，并且在此描述的尺度和组件仅作为示例，而不是要限定可能尺寸和组件的范围。
示例性装置使用基于半导体技术的制作方法，来制造符合标准美国联邦储备券的透明塑料窗口特征中的装置。为了适合美国联邦储备券，该装置优选地具有大约1厘米×大约1厘米×大约109微米(长×宽×高)的物理尺度。
基部具有GaAs形成的基板，基板上形成有Si3N4图案。基板的厚度大约为10微米到大约30微米。基板还被由单片硅酮弹性体形成的保护层包住，该硅酮弹性体具有大约10微米到大约30微米的厚度。保护层的一部分被形成为该装置的唇部。该唇部部分地包含可移动组件。唇部从保护层的剩余部分起延伸出来，超出图案平面达大约60微米到70微米。利用硅酮胶或其它已知方法将GaAs基板的面对保护层的一侧密封至保护层。
将由具有7.5微米厚度的DuPonttm
Figure A20078003620800171
聚酰亚胺膜制成的覆盖部密封至由保护层形成的唇部。具有密封至唇部的覆盖部的装置的总厚度小于大约109微米。
可移动组件是具有0.4微摩尔到4.0微摩尔浓度的、末端标记有用于选择性吸附至Si3N4纳米级图案的二氢荧光素(Fluorescin)染料的8到10-聚体(mer)聚赖氨酸(polylysine)溶液。关于将聚赖氨酸选择性吸附至GaAs背景上的Si3N4图案的详细讨论可在R.L.Willett等人的题为Differential adhesion of amino acids to inorganic surfaces(Proc.Nat.Acad.(USA)：102(22)，p.7817-7822，2005)的文章中找到，其全部内容通过引证并入于此。
因为染料标记的聚赖氨酸可以利用合适溶液从Si3N4表面洗掉，所以可逆式吸附是可以设想的。可以通过改变可移动层的溶剂成分来改变吸附能量。已知由Willett等人得出的数据，假设每平方微米Si3N4表面上有20,000个分子发生这种分子的吸附。算上30微米的基板厚度和30微米的保护层厚度以及10微米的覆盖部厚度，包括密封剂的厚度达总计70微米的占用空间。已知联邦储备券的总厚度为109微米，则39微米的深度可用于移动相(mobile phase)。在长度和宽度尺度各自大约为1厘米的情况下，该装置具有大约4微升的容积用于可移动组件。
假设吸附覆盖度为每平方微米Si3N4 20,000个染料标记的寡肽，并且还假设仅50％的基板表面被构图有Si3N4；则0.4微摩尔浓度的吸附剂溶液包含足够多的分子来完全覆盖Si3N4表面。这假设溶液中100％的吸附剂分子都被吸附。通过将吸附剂的微摩尔浓度从0.4微摩尔浓度提高到4.0微摩尔浓度，就可以仅用10％的吸附就能够来实现完全覆盖度。诸如包含荧光染料标签(例如二氢荧光素)的8或10-聚体聚赖氨酸的生物分子可望以4.0微摩尔浓度甚至更高的微摩尔浓度溶解。
结论
本发明使用微加工(micro-fabrication)或纳米级加工(nanofabrication)来制成可逆式分子自组装系统(其还是能够交换能量但与其环境无关的闭合热力学系统)。输入相对少量的能量或损失相对少量的能量将导致该系统从组装状态改变成解体状态或相反。通过组装、解体以及重组循环的动态性能来证实验证。
在其最简单形式中，通过将粒子自组装到图案上从而在产品标签内形成图像。分子具有针对图案的化学性质的特定结合亲和力。优选的是，分子具有用于在环境光的条件下在可见光谱中发荧光或以其它方式充任着色剂的能力。作为稳定结合至表面的结果，通过组装结构发射的一般相干光形成宏观可视图像。
当该结构被以热运动、流体力学湍流以及磨损的某种组合输入的少量能量扰动(举例来说，如由在标签上按下拇指造成的扰动)时，标签内部的图像在用户面前完全消失。随着热能和流体湍流自发地消散，分子经历在图案上自组装的新循环，并且宏观图像再出现。将该装置按照这样的方式集成到产品中，即，使得从其原始位置在物理上改变或去除它的任何尝试都会使ADR特性破坏或者畸变到使得这种篡改显见的程度。
本发明的装置具有许多优点。由于其技术复杂性和制成该装置所需要的设备，本发明的装置不能被容易地伪造或仿造。本发明通过封闭热力学系统内的分子自组装的循环来形成动态性能。一旦制作完，该装置就可以仅根据通过装置自身的内部物理化学结构和输入简单物理能或损失简单物理能而起作用的热力学第二定律无限驱动地操作。
与产生或需要某种类型的有源信号作为其验证算法的一部分的射频识别装置或其它识别装置不同，本发明的装置优选地被设计成在正常范围的环境光条件(从低白炽光(low incandescent)到全阳光)下激活并由人眼检测。这使得能够在没有附加使能技术或装置的情况下在任何地点任何时间进行产品检验。这使得本发明的装置适用于许多不同产品，例如货币和各种各样的消费品。
然而，该装置还可以具有隐蔽信号生成系统，其需要仪器设备或特殊训练以进行检测，例如附着到可吸附粒子上的荧光标签、红外线标签、电磁标签以及电光标签。另外，宏观图像的选定分子成分可以开发二次秘密图案以用于增加安全性。
尽管已经参照本发明的特定优选形式对本发明进行了相当详细的描述，但其它形式也是可以的。因此，所附权利要求的精神和范围不应当限于在此描述的优选形式的描述。
在本说明书(包括权利要求、摘要以及附图)中公开的全部特征和在公开的任何方法和处理中的全部步骤都可以按除了这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤相互排斥的组合以外的其它任何组合来进行组合。在本说明书(包括权利要求、摘要以及附图)中公开的各特征都可以用起到相同、等同或相似目的的替代特征来替换，除非另外明确地指明。因而，除非另外明确地指明，所公开的各个特征都仅是一类属系列的等同或相似特征的一个示例。

Claims (16)

1、一种安全装置，该安全装置包括：
基部，该基部上具有图案；
可移动组件，该可移动组件被设置成与所述基部相接触，所述可移动组件包含多个可逆式吸附的粒子；以及
覆盖部，该覆盖部围绕着所述可移动组件附接到所述基部上而包含与所述基部接触的所述可移动组件；
其中，所述可吸附粒子是可移动的并且能够在第一状态与第二状态之间可逆地变化，在所述第一状态下，所述可吸附粒子被吸附到至少预定百分比的所述图案上，而在所述第二状态下，所述可吸附粒子被吸附到小于所述预定百分比的所述图案上。
2、根据权利要求1所述的安全装置，其中，当所述可吸附粒子处于所述第一状态时，所述图案肉眼可见。
3、根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述基部还包括当所述可吸附粒子处于所述第一状态时肉眼不可见的第二图案。
4、根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述基部还包括肉眼不可见的第二图案。
5、根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述可吸附粒子包括染料。
6、根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述可吸附粒子包括着色剂。
7、根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述基部还包括：
保护层；和
基板，该基板附接到所述保护层上，所述图案形成在所述基板上。
8、根据权利要求7所述的安全装置，其中，所述保护层包括由硅橡胶和硅酮弹性体构成的群中的至少一个。
9、根据权利要求8所述的安全装置，其中，所述覆盖部还包括由聚酰亚胺膜和含氟聚合物膜构成的群中的至少一个。
10、根据权利要求1所述的安全装置，其中：
当所述可吸附粒子处于所述第一状态时，所述图案肉眼不可见；并且
当所述可吸附粒子处于所述第二状态时，所述图案肉眼可见。
11、根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述可吸附粒子在小于5秒钟的时间内从所述第一状态改变成所述第二状态并返回至所述第一状态。
12、根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述安全装置能够在大约-20摄氏度到大约70摄氏度的温度范围下工作。
13、根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述可吸附粒子能够从所述第一状态到所述第二状态并返回至所述第一状态循环多于10,000次。
14、根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述基部包括围绕外缘的唇部；并且所述覆盖部附接到所述唇部上。
15、一种用于制造安全装置的方法，该方法包括以下步骤：
形成具有图案的基部；
将所述基部连接到覆盖部上；
通过所述覆盖部在所述基部与所述图案之间注入可移动组件，所述可移动组件包括多个可吸附粒子；以及
密封所述覆盖部；
其中，所述可吸附粒子是可移动的并且能够在第一状态与第二状态之间可逆地变化，在所述第一状态下，所述可吸附粒子被吸附到至少预定百分比的所述图案上，而在所述第二状态下，所述可吸附粒子被吸附到小于所述预定百分比的所述图案上。
16、根据权利要求15所述的方法，其中形成基部的步骤包括以下步骤：
按照图案在基板上沉积图案材料；并且
将所述基板附接到保护层上。
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