[发明专利]压电基体微固体模态谐振式爆炸物探测器

说明书

技术领域

本发明涉及爆炸物检测器，特别是一种采用MEMS技术加工的压电基体微固体模态谐振式爆炸物探测器。

背景技术

近年来，恐怖爆炸袭击事件在世界各国范围内频繁发生，而且大多是发生在地铁站、机场等人群密集的地点，严重危害了人民群众的生命和财产安全。这使得爆炸物探测装置的研制成为各国科研工作者一项紧迫的任务，然而由于炸药种类繁多，包装越来越精巧、隐蔽，袭击目标的多样性，这样对爆炸物进行准确、及时地探测变得非常困难。传统的探测装置体积大、价格昂贵、便携性不好、灵敏度还待进一步提高，有的装置采用辐射或介入性机理进行探测，对被探测对象会产生一定程度的破坏或伤害。现阶段对价格便宜、具有高选择性、非介入、高灵敏度的爆炸物探测器有迫切需求，如果这样的传感器能够实现小型化，就可以利用它们在不同的地点实现便携式探测。

进入上世纪90年代以后，微电子机械系统(MEMS)开始取得了全面的发展。由于MEMS器件具有体积小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、多功能集成、可以批量生产等特点，随着MEMS工艺技术的日趋成熟，人们也将MEMS技术应用到爆炸物探测器件的研究工作中，并研制出各种以MEMS技术为基础的样品，其简单实用的结构使爆炸物探测器实现小型化、低成本、高精度成为可能。MEMS探测爆炸物技术通常采用硅梁作为敏感结构，硅梁与爆炸物样品直接接触，通过热激励或光激励，使爆炸物发生反应，引起硅梁的温度、位移、应力、谐振频率等物理量发生变化，并用光学或电学方法进行探测。根据被测硅梁的物理量的不同，将其分为测温法、位移法、压阻法、谐振法四种。现有的MEMS爆炸物探测器都是采用微悬臂梁结构，悬臂梁结构存在一些明显的不足。如：悬臂梁的刚度低，谐振频率难以进一步提高，并容易受到外界环境的冲击或震动干扰；悬臂梁结构在常压条件下的振动品质因数不高，一般都是工作在真空条件下，而爆炸物探测器必须和外界气体环境相连通，不可能进行真空封装，这限制了谐振式悬臂梁MEMS爆炸物探测器的测量灵敏度的提高。

发明内容

本发明针对现有爆炸物探测技术存在的不足，提出一种结构简单、加工方便、反应灵敏和抗干扰能力强的压电基体微固体模态谐振式爆炸物探测器，利用压电驱动激励微压电固体在特殊的振动模态下运动，并在参考电极上对谐振频率进行跟踪测量。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

本发明所述的压电基体微固体模态谐振式爆炸物探测器，包括压电基体、驱动电极、参考电极、加热电阻、绝缘层和爆炸物选择性吸附膜。压电基体采用微压电固体结构，压电基体上下表面的左右两侧分布有驱动电极和参考电极、加热电阻、绝缘层和吸附膜，这些部分在压电基体上下表面的左右两侧完全对称。在吸附膜的左右两侧分别布置一个驱动电极、一个参考电极，驱动电极用于引导探测器开始振动，参考电极主要用于获得探测器的振动状态，观察微压电固体谐振频率的变化情况。所述爆炸物选择性吸附膜的作用主要是吸附周围空气中的爆炸物分子，爆炸物选择性吸附膜一个表面连接压电基体，另一表面有一层加热电阻，作用是在完成爆炸物探测之后，对爆炸物进行加热，使其熔化或氧化，为下一次的探测做准备。加热电阻与具有吸附膜的压电基体表面之间有一层绝缘层，其作用主要是避免压电基体谐振运动变形对爆炸物选择性吸附膜层的影响。

所述绝缘层采用聚酰亚胺，氧化铝或二氧化硅等。

所述压电基体为长方体形状，材料为压电材料，一般为PZT，石英，铌酸锂。主要是为了利用压电材料的压电效应实现力学和电学信号之间的转换。

所述驱动电极和参考电极采用金属材料，可选择铜，铂金，银浆等。

所述爆炸物选择性吸附膜的作用主要是吸附周围空气中的爆炸物分子，如硝基芳烃、过氧化物、硝基酯类等爆炸物成分，同时也可以抑制周围空气中的水分子或者油分子等的非特异性吸附。

当在压电基体上下两侧的驱动电极上分别加上频率和幅值相等、相位相差180°的两路正弦电压时，驱动电极将电压传导至压电基体，驱动电极下的压电基体部分由于压电作用在其极化方向上产生拉伸和压缩运动。相应的，微固体压电基体的左右两端也随之受到拉伸和压缩运动的应力作用，从而产生电荷，产生的电荷可通过参考电极测得，反应了微固体的运动情况。对微固体进行扫频，根据参考电极上产生的电压变化情况，可得到微固体的谐振频率，它与材料本身特性和材料的外型尺寸和质量等因素有关，因此，当爆炸物落在吸附膜上时，探测器的质量发生了变化，则其谐振频率也发生变化，这可以通过参考电极的输出进行探测。