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近年来,针对平民的恐怖爆炸活动频繁发生。为应对越来越机动灵活的安检任务,还需要更多价格低廉、检测快速、灵敏度高、选择性好的便携型爆炸物探测器。MEMS传感器具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高、可以批量生产等优点,在研发便携型爆炸物探测器方面具有很大的应用前景。
本文提出了一种基于MEMS技术、利用爆炸物爆燃放热特性检测爆炸物的方法。痕量爆炸物爆燃放热比熔化、蒸发吸热等其他微反应引起的探测敏感元件温度变化量高得多,因此利用此特性探测爆炸物有很高的灵敏度,不同的爆炸物具有不同的爆燃温度点,可以分辨出爆炸物的种类,因此具有良好的选择性。本文通过实验观察并总结了痕量TNT和RDX的爆燃反应现象及其规律,提出了痕量爆炸物探测敏感元件应同时具备温度分布均匀、升温迅速、灵敏度高三方面性能,在设计时应考虑的因素包括:形状尺寸、加热电阻分布、热传递、测温电阻分布。在此基础上,设计了三种集成有加热元件和检测元件的EMS硅梁结构——单端悬臂梁、双端悬臂梁和四端悬臂梁,采用理论计算对这三种结构探测痕量爆炸物爆燃放热的性能进行了分析,并进一步用ANSYS有限元软件对这一电热耦合场非线性问题进行了仿真分析,分析结果表明:单端梁具有最高的灵敏度,温度分布一般,升温速度差;双端梁具有最高的升温速度,但是温度分布差,灵敏度低;四端梁的温度分布最好,灵敏度较好,升温速度处于单端梁和双端梁之间。最后,进行综合分析选取了四端梁作为探测爆炸物的敏感元件,并采用MEMS工艺加工出了四端梁微结构,搭建了检测电路,检测到了痕量黑索今颗粒的爆燃反应信号,为进一步研制便携式爆炸物探测器奠定了基础。