專利名稱：壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及爆炸物檢測器，特別是一種采用MEMS技術(shù)加工的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器。
背景技術(shù)：
近年來，恐怖爆炸襲擊事件在世界各國范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，而且大多是發(fā)生在地鐵站、機(jī)場等人群密集的地點(diǎn)，嚴(yán)重危害了人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。這使得爆炸物探測裝置的研制成為各國科研工作者一項(xiàng)緊迫的任務(wù)，然而由于炸藥種類繁多，包裝越來越精巧、 隱蔽，襲擊目標(biāo)的多樣性，這樣對爆炸物進(jìn)行準(zhǔn)確、及時地探測變得非常困難。傳統(tǒng)的探測裝置體積大、價格昂貴、便攜性不好、靈敏度還待進(jìn)一步提高，有的裝置采用輻射或介入性機(jī)理進(jìn)行探測，對被探測對象會產(chǎn)生一定程度的破壞或傷害。現(xiàn)階段對價格便宜、具有高選擇性、非介入、高靈敏度的爆炸物探測器有迫切需求，如果這樣的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)小型化， 就可以利用它們在不同的地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)便攜式探測。
進(jìn)入上世紀(jì)90年代以后，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開始取得了全面的發(fā)展。由于 MEMS器件具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、多功能集成、可以批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，隨著MEMS工藝技術(shù)的日趨成熟，人們也將MEMS技術(shù)應(yīng)用到爆炸物探測器件的研究工作中，并研制出各種以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的樣品，其簡單實(shí)用的結(jié)構(gòu)使爆炸物探測器實(shí)現(xiàn)小型化、低成本、高精度成為可能。MEMS探測爆炸物技術(shù)通常采用硅梁作為敏感結(jié)構(gòu)，硅梁與爆炸物樣品直接接觸，通過熱激勵或光激勵，使爆炸物發(fā)生反應(yīng)，引起硅梁的溫度、位移、應(yīng)力、諧振頻率等物理量發(fā)生變化，并用光學(xué)或電學(xué)方法進(jìn)行探測。根據(jù)被測硅梁的物理量的不同，將其分為測溫法、位移法、壓阻法、諧振法四種。現(xiàn)有的MEMS爆炸物探測器都是采用微懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)存在一些明顯的不足。如懸臂梁的剛度低，諧振頻率難以進(jìn)一步提高，并容易受到外界環(huán)境的沖擊或震動干擾；懸臂梁結(jié)構(gòu)在常壓條件下的振動品質(zhì)因數(shù)不高，一般都是工作在真空條件下，而爆炸物探測器必須和外界氣體環(huán)境相連通，不可能進(jìn)行真空封裝，這限制了諧振式懸臂梁MEMS爆炸物探測器的測量靈敏度的提尚ο發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有爆炸物探測技術(shù)存在的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、反應(yīng)靈敏和抗干擾能力強(qiáng)的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，利用壓電驅(qū)動激勵微壓電固體在特殊的振動模態(tài)下運(yùn)動，并在參考電極上對諧振頻率進(jìn)行跟蹤測量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
本發(fā)明所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，包括壓電基體、驅(qū)動電極、參考電極、加熱電阻、絕緣層和爆炸物選擇性吸附膜。壓電基體采用微壓電固體結(jié)構(gòu)，壓電基體上下表面的左右兩側(cè)分布有驅(qū)動電極和參考電極、加熱電阻、絕緣層和吸附膜，這些部分在壓電基體上下表面的左右兩側(cè)完全對稱。在吸附膜的左右兩側(cè)分別布置一個驅(qū)動電極、一個參考電極，驅(qū)動電極用于引導(dǎo)探測器開始振動，參考電極主要用于獲得探測器的振動狀態(tài)，觀察微壓電固體諧振頻率的變化情況。所述爆炸物選擇性吸附膜的作用主要是吸附周圍空氣中的爆炸物分子，爆炸物選擇性吸附膜一個表面連接壓電基體，另一表面有一層加熱電阻，作用是在完成爆炸物探測之后，對爆炸物進(jìn)行加熱，使其熔化或氧化，為下一次的探測做準(zhǔn)備。加熱電阻與具有吸附膜的壓電基體表面之間有一層絕緣層，其作用主要是避免壓電基體諧振運(yùn)動變形對爆炸物選擇性吸附膜層的影響。
所述絕緣層采用聚酰亞胺，氧化鋁或二氧化硅等。
所述壓電基體為長方體形狀，材料為壓電材料，一般為PZT，石英，鈮酸鋰。主要是為了利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力學(xué)和電學(xué)信號之間的轉(zhuǎn)換。
所述驅(qū)動電極和參考電極采用金屬材料，可選擇銅，鉬金，銀漿等。
所述爆炸物選擇性吸附膜的作用主要是吸附周圍空氣中的爆炸物分子，如硝基芳烴、過氧化物、硝基酯類等爆炸物成分，同時也可以抑制周圍空氣中的水分子或者油分子等的非特異性吸附。
當(dāng)在壓電基體上下兩側(cè)的驅(qū)動電極上分別加上頻率和幅值相等、相位相差180° 的兩路正弦電壓時，驅(qū)動電極將電壓傳導(dǎo)至壓電基體，驅(qū)動電極下的壓電基體部分由于壓電作用在其極化方向上產(chǎn)生拉伸和壓縮運(yùn)動。相應(yīng)的，微固體壓電基體的左右兩端也隨之受到拉伸和壓縮運(yùn)動的應(yīng)力作用，從而產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷可通過參考電極測得，反應(yīng)了微固體的運(yùn)動情況。對微固體進(jìn)行掃頻，根據(jù)參考電極上產(chǎn)生的電壓變化情況，可得到微固體的諧振頻率，它與材料本身特性和材料的外型尺寸和質(zhì)量等因素有關(guān)，因此，當(dāng)爆炸物落在吸附膜上時，探測器的質(zhì)量發(fā)生了變化，則其諧振頻率也發(fā)生變化，這可以通過參考電極的輸出進(jìn)行探測。
現(xiàn)有的MEMS爆炸物探測器都是采用微懸臂梁結(jié)構(gòu)，但是懸臂梁結(jié)構(gòu)剛度低、抗沖擊或震動等干擾能力差、常壓條件下的振動品質(zhì)因數(shù)不高、測量靈敏度有待于進(jìn)一步提高。 本發(fā)明探測器充分利用微壓電固體諧振頻率的變化來探測爆炸物的種類，不需要從外部引入復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)探測系統(tǒng)的小型化。這種微壓電固體工作在特殊的振動模態(tài)下， 它的諧振頻率可達(dá)到幾十兆甚至幾百兆赫茲，具有很高的剛度，抗沖擊、抗震動性能好。微壓電固體利用它的特殊體聲波諧振模態(tài)工作，在常壓下具有較高的品質(zhì)因數(shù)，因此不需真空封裝，可獲得較高的靈敏度。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明一實(shí)施例探測器對爆炸物分子的選擇性吸附機(jī)制示意圖；其中(a) 為吸附膜吸附爆炸物之前，(b)為吸附膜吸附爆炸物之后；
圖3為本發(fā)明一實(shí)施例工作原理圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本發(fā)明的爆炸物探測器結(jié)構(gòu)比較簡單，壓電基體13的材料是PZT，在探測爆炸物的過程中利用了這種材料的壓電效應(yīng)，也可選擇石英或者鈮酸鋰，其形狀為長方體，可選用4mmX5mmX0. 2mm規(guī)格。表面兩側(cè)的電極材料為銅，也可選擇鉬金或者銀漿。 表面兩側(cè)的電極一共有8個，包括驅(qū)動電極和參考電極，其中1、11、12、21是驅(qū)動電極，5、 9、14、17均為參考電極。上下表面和表面左右的驅(qū)動電極和參考電極都是完全對稱的。驅(qū)動電極用來引導(dǎo)探測器開始振動，當(dāng)壓電基體兩側(cè)的驅(qū)動電極1，11與12，21之間同時加上頻率和幅值相等、相位相差180°的兩路正弦電壓時，根據(jù)壓電基體的逆壓電效應(yīng)，壓電基體6左右兩側(cè)(從圖1看)分別產(chǎn)生拉伸和壓縮；參考電極的作用是獲取爆炸物探測器的振動狀態(tài)，以便提取諧振頻率。當(dāng)壓電基體6左右兩側(cè)(從圖1看)分別產(chǎn)生拉伸和壓縮時，由于壓電效應(yīng)，將在參考電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，產(chǎn)生電壓值最大的驅(qū)動電壓頻率即是探測器的諧振頻率。
如圖2所示，本實(shí)施例中，爆炸物選擇性吸附膜一共設(shè)置了 4個，分別是位于壓電基體13上表面的兩個吸附膜10，13，位于壓電基體13下表面的兩個吸附膜2，20，這四個吸附膜2，10，13，20的一側(cè)布置一個驅(qū)動電極，另一側(cè)布置一個參考電極。其中驅(qū)動電極位于同一表面上兩個吸附膜的中間，參考電極位于同一表面上兩個吸附膜的外側(cè)。
本實(shí)施例中，爆炸物選擇性吸附膜2，10，13，20可采用雙自組裝膜(SAM)的壓阻二氧化硅層6-巰基尼古丁酸(6-MNA)自組裝膜和十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)自組裝膜。作為一個特定的感應(yīng)層，6-MNA自組裝膜(SAM)主要用來吸附爆炸物分子，如圖2中 22所示。這6-MNA自組裝膜具有高度識別含有-N02基團(tuán)爆炸物的能力，主要原因是6-MNA 中含有-COOH基團(tuán)，它與爆炸物當(dāng)中的-N02基團(tuán)之間具有強(qiáng)烈的氫鍵鍵合作用；然而，不幸的是，二氧化硅表面同樣具有親水性，對周圍的潮濕環(huán)境中的水或油等分子具有非特異性吸附能力，這樣將使爆炸物探測結(jié)果不可信。為了解決這個問題，在二氧化硅表面加上一層低表面能和疏水性的FAS-17自組裝膜(SAM)，這樣便解決了二氧化硅表面對水或油等分子的非特異性吸附問題。探測器對爆炸物分子的選擇性吸附機(jī)制如圖2所示。除此以外，爆炸性選擇性吸附膜的材料還有其它一些選擇，比如，聚合物(如聚硅氧烷，有機(jī)聚合物，聚碳硅烷)，鹽和硅膠等。
爆炸物選擇性吸附膜一個表面在壓電基體13上，另一表面有一層加熱電阻3，8， 15，19，用于對爆炸物進(jìn)行加熱。加熱電阻的作用是在進(jìn)行爆炸物的種類的探測之后，將爆炸物加熱至某一溫度，使吸附在探測器表面的爆炸物熔化或氧化分解，以便進(jìn)行下一次的探測。
每層加熱電阻與具有吸附膜的壓電基體表面之間均有一層絕緣層4，7，16，18，采用聚酰亞胺，氧化鋁或二氧化硅等。作用是避免微壓電基體的諧振運(yùn)動變形對爆炸物選擇性吸附膜層的影響。
如圖3所示，本實(shí)施例上述爆炸物探測器的工作原理如下在探測器的驅(qū)動電極 1,11與12，21之間加上頻率和幅值相等、相位相差180°的兩路正弦電壓，驅(qū)動電極將電壓傳導(dǎo)至壓電基體6，驅(qū)動電極下的壓電基體部分由于壓電基體的壓電作用在其極化方向上產(chǎn)生拉伸和壓縮運(yùn)動，如圖3所示，箭頭方向表示壓電體運(yùn)動的方向。相應(yīng)的，微固體壓電基體的左右兩端也隨之受到拉伸和壓縮運(yùn)動的應(yīng)力作用，壓電基體左右兩側(cè)由于壓電效應(yīng)在參考電極5、9、14、17上產(chǎn)生電荷，于是在參考電極上可觀察到輸出電壓的大小變化情況。用這樣的兩路正弦電壓對探測器進(jìn)行掃頻，可觀察到參考電極5、9、14、17的電壓大小，其中電壓最大時對應(yīng)的驅(qū)動電壓頻率即為探測器的諧振頻率。當(dāng)爆炸物選擇性吸附膜2， 10，13，20上吸附有爆炸物22后，由于探測器質(zhì)量的增加，諧振頻率將會有所下降，參考電極5、9、14、17上的電壓下降。根據(jù)諧振頻率的漂移情況和參考電極上電壓的變化情況，可推算出爆炸物的種類和濃度。最后通過加熱電阻3，8，15，19對爆炸物進(jìn)行加熱至某一溫度，爆炸物便會因?yàn)槿刍蛘哐趸舭l(fā)，為下一次探測爆炸物做準(zhǔn)備。
本發(fā)明提出了一種新型的爆炸物探測器結(jié)構(gòu)-微固體結(jié)構(gòu)，利用這種結(jié)構(gòu)所特有的高諧振頻率，爆炸物探測器對外界的振動具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時，微壓電固體利用它的特殊體聲波諧振模態(tài)工作，在常壓下具有較高的品質(zhì)因數(shù)，即使探測器上吸附有微量爆炸物，也會引起諧振頻率的明顯變化，這樣就大大增加了探測器的靈敏度。此外，這種探測器結(jié)構(gòu)簡單，加工比較方便，大大降低了制造成本。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于包括壓電基體、驅(qū)動電極、參考電極、加熱電阻、絕緣層和爆炸物選擇性吸附膜，其中壓電基體采用微壓電固體結(jié)構(gòu)，壓電基體上下表面的左右兩側(cè)分布有驅(qū)動電極和參考電極、加熱電阻、絕緣層和吸附膜，這些部分在壓電基體上下表面的左右兩側(cè)完全對稱，在所述吸附膜的左右兩側(cè)分別布置一個驅(qū)動電極、一個參考電極，所述吸附膜一個表面連接壓電基體，另一表面設(shè)有一層加熱電阻，該加熱電阻與具有吸附膜的壓電基體表面之間有一層絕緣層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于，所述驅(qū)動電極和參考電極均采用金屬材料，在位于壓電基體表面中央的驅(qū)動電極之間加上頻率和幅值相等、相位相差180°的兩路正弦電壓，探測器左右兩端將因驅(qū)動電極的壓電效應(yīng)同時產(chǎn)生拉伸和壓縮，迫使參考電極也產(chǎn)生拉伸或壓縮運(yùn)動，左右兩端的參考電極由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，在壓電基體兩側(cè)的參考電極上觀察到諧振頻率的變化情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于，所述爆炸物選擇性吸附膜分別是位于壓電基體上表面的兩個吸附膜，位于壓電基體下表面的兩個吸附膜，這四個吸附膜的兩側(cè)分別布置一個驅(qū)動電極、一個參考電極，其中驅(qū)動電極位于同一表面上兩個吸附膜的中間，參考電極位于同一表面上兩個吸附膜的外側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于， 所述爆炸物選擇性吸附膜采用雙SAM的壓阻二氧化硅層6-MNA自組裝膜和FAS-17自組裝膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于， 所述爆炸物選擇性吸附膜材料采用聚合物，鹽或硅膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于，所述聚合物為聚硅氧烷，有機(jī)聚合物，或聚碳硅烷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于， 所述壓電基體材料為PZT，石英，或鈮酸鋰。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其特征在于， 所述壓電基體為長方體形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開一種壓電基體微固體模態(tài)諧振式爆炸物探測器，其中壓電基體上下表面的左右兩側(cè)分布有驅(qū)動電極和參考電極、加熱電阻、絕緣層和吸附膜，這些部分在壓電基體上下表面的左右兩側(cè)完全對稱，在吸附膜的左右兩側(cè)布置驅(qū)動電極和參考電極，吸附膜表面有一層加熱電阻，該加熱電阻與具有吸附膜的壓電基體表面之間有一層絕緣層。本發(fā)明利用壓電驅(qū)動激勵微壓電固體在特殊的振動模態(tài)下運(yùn)動，并在參考電極上對諧振頻率進(jìn)行跟蹤測量。所需的激勵電壓低，諧振頻率可達(dá)到幾十兆甚至幾百兆赫茲，具有很高的剛度，抗沖擊、抗振動性能好，并利用它的特殊體聲波諧振模態(tài)工作，在常壓下具有較高的品質(zhì)因數(shù)，不需真空封裝，可獲得較高的靈敏度。
文檔編號G01N5/02GK102507362SQ20111034197
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者劉武, 吳校生, 崔峰, 張衛(wèi)平, 鄭福, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)