专利名称：一种爆炸物探测器和制作方法
技术领域：
本发明涉及仪器、仪表检测危险品领域，特别涉及一种爆炸物探测器和制作方法。
背景技术：
目前已知的爆炸物探测器主要有金属探测器、X射线探测设备、热中子活化探测设备、光谱分析仪、“电子鼻”(化学传感器)、离子迁移谱探测器等。
金属探测器只能用来探测带有金属装置的可疑物，为认定爆炸装置提供信息，可对人员进行身体检查，但对于恐怖分子经常使用的塑胶炸药则无法进行探测。X射线探测设备也无法探测塑胶炸药，并且它还存在辐射安全问题，因此只能对行李进行检查。
热中子活化探测设备能够直接检测到爆炸物的成分，因此准确度较高，可用于探测塑胶炸药，但它同样也存在辐射安全问题，因此不能用于人员的身体检查，只能对行李中是否有爆炸物品进行检测。
光谱分析仪在用于爆炸物的探测时，需要先进行采样，然后对其进行光谱分析，并与已知爆炸物的特征光谱进行比对，进而判断被测物品中是否含有爆炸物，其检测结果较为准确，但该设备较为笨重，体积较大，价格也十分昂贵，难以灵活地用于各种公共场所，目前还只能在实验室中进行使用。
用于探测爆炸物的“电子鼻”属于化学传感器，灵敏度较高，但其敏感膜的寿命较短，并且选择性不是很好，其稳定性和抗干扰能力还有待进一步提高。
离子迁移谱探测器是一种近年来出现的新型爆炸物探测器，已经商品化，它工作时首先进行采样，然后将被测样品气化并离子化，通过测量样品的气相离子迁移率来判断它是否为某种已知的爆炸物，其灵敏度很高，但价格较为昂贵。
此外，国外还提出了一种探测爆炸物的新方法，它利用硅悬臂梁作为敏感元件，采用红外光源对其进行加热，使有可能附着在硅悬臂梁上的爆炸物微粒发生爆燃反应，引起硅悬臂梁变形和振动，然后通过光学方法对硅悬臂梁的位移变形进行检测，进而判断硅悬臂梁上是否有爆炸物。该技术目前仍处于实验室阶段，尚未研制出实验样机。
发明内容
根据现有技术中各种爆炸物探测器的一些不足之处，本发明的目的是提出了一种爆炸物探测器和制作方法。其检测机理主要是基于不同的固态爆炸物具有不同的熔点和蒸发点这个物理特性。该探测器采用双端固支硅梁阵列作为敏感元件，对硅梁阵列进行电加热并精确控温，使经过采样后附着在硅梁阵列上的爆炸物微粒熔解或蒸发，产生相变吸热，并引起相应硅梁的表面温度改变，通过测量每个硅梁在爆炸物熔点或蒸发点附近的温度变化即可判断出是否存在爆炸物并识别出其种类。
本发明的技术方案是一种爆炸物探测器，由采样装置、硅敏感阵列对、信号控制与处理电路(12)三部分组成，其特征在于所述的第一部分采样装置包括超声波发射器(3)、负压进气风机(4)和超声振动管道(5)，用于完成爆炸物微粒的采集并将其输送到硅敏感阵列(7)的表面，其中超声波发射器(3)由多个排列成环形的压电陶瓷片(2)组成，压电陶瓷片(2)的频率为1兆赫兹，将其组装成一个压电陶瓷环；负压进气风机(4)的进气口(1)在压电陶瓷环的中间，风机的出气口与超声振动管道(5)的入口对接；超声振动管道(5)与硅敏感阵列(7)都采用正方形设计，管道内壁边长与硅敏感阵列(7)的边长相当，将管道加热元件(13)均匀布置在管道外壁的四个面上，用于对管壁进行加热，在管道外壁的四个面上还粘贴有压电陶瓷片(2)，用于对管壁进行超声激励并使其产生振动；在超声振动管道(5)的末端有两个管道插槽(8)，在管道插槽(8)中制作有电极，这些电极与硅敏感阵列环形衬底(9)的外电极一一对应，用于连接硅敏感阵列(7)与外围的信号控制和处理电路(12)；制作超声振动管道(5)所用的材料可以是石英、陶瓷、耐热硬塑料、金属，当采用金属材料制作超声振动管道(5)时，需要将管道与管道加热元件(13)、压电陶瓷片(2)、管道插槽(8)中的电极进行绝缘处理；
超声振动管道(5)的入口处和出口处各有一个阀门，采样时两个阀门同时开启以便于采样，采样结束后两个阀门同时关闭，使管道中的两个硅敏感阵列(7)处于与外界相对隔离的环境中，减少外界气流及温度变化引起的干扰；在管道出口阀门(10)的外侧还安装有一个排气风扇(11)，用以加强采样时气流在管道中的单向流动，超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、排气风扇(11)、管道加热元件(13)与超声激励元件、管道入口阀门(6)及管道出口阀门(10)均采用连动电气开关控制；在打开超声波发射器(3)的开关发射超声波的同时，超声振动管道(5)中的两个阀门同时打开，风机启动并开始进气，排气风扇(11)开始排气，超声振动管道(5)开始加热并进行超声振动；当关闭超声波发射器(3)时，负压进气风机(4)和排气风扇(11)也同时停止工作，超声振动管道(5)进出口阀门全部关闭，并且管道停止加热及超声振动；所述的第二部分硅敏感阵列对是两个硅敏感阵列(7)固定在两个管道插槽(8)中，将其垂直于进气方向安装在超声振动管道(5)中，一前一后组成硅敏感阵列对，安装时相互错位，使得后一个硅敏感阵列中的硅梁(14)正对着前一个硅敏感阵列中硅梁之间的间隙(15)；硅敏感阵列(7)由多个相互平行且尺寸相同的双端固支硅梁(14)构成，在每个硅梁(14)上均制作有加热元件和测温元件，在硅梁(14)之间有间隙(15)并且其间距相等；由于硅敏感阵列(7)结构不是一个完整连续的平面，在硅梁(14)之间有间隙(15)，因而不会堵塞管道，保证在超声振动管道(5)中含有爆炸物微粒的气体能进行单向流通，便于爆炸物微粒能够落到硅梁(14)的表面；一部分爆炸物微粒会穿过第一个硅敏感阵列(7)中硅梁之间的间隙(15)，由于该间隙(15)正对着第二个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)，因此穿过第一个硅敏感阵列(7)的爆炸物微粒将直接落到第二个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)上，这样既增大了采集到爆炸物微粒的几率，同时又不影响超声振动管道(5)中气体的流动；
通过加热元件对硅梁(14)进行加热，使有可能落到硅梁(14)表面的爆炸物微粒发生熔解或蒸发反应并产生相变吸热，然后通过测温元件测量出相变吸热所引起的硅梁(14)表面的温度变化信号，并将该信号送入信号控制与处理电路(12)中加以放大和处理；所述的第三部分信号控制与处理电路(12)主要包括电源、测温信号反馈与加热控制电路、开关选通电路、差分放大电路、积分电路、信号比较电路、单片机、存储器、报警电路等，通过超声振动管道(5)末端管道插槽(8)中的电极对硅梁(14)的温度信号进行读取并进行精确控温加热，将硅梁(14)加热至爆炸物微粒的熔点或蒸发点，然后通过开关选通电路读取每个硅梁(14)上由于爆炸物微粒熔解或蒸发引起的温度变化信号，经过差分放大后与存储器中已经存储的无爆炸物微粒时的硅梁(14)温度变化信号进行对比，进而判断硅梁(14)上是否存在爆炸物微粒以及是否报警。
所述的爆炸物探测器的制作方法是1)先制作硅敏感阵列(7)；1.1)选取双面抛光的硅片进行化学清洗，硅片的直径为2～8英寸，取直径为3～4英寸的硅片，其厚度为300～500微米，电阻率为10欧姆·厘米，100、110、111或其它晶向硅片均可；1.2)对清洗过的硅片进行热氧化，在硅片正反两面均生长一层二氧化硅，其厚度为0.3微米；1.3)在硅片正面的二氧化硅表面淀积一层多晶硅，厚度为1微米左右，在淀积多晶硅的同时对多晶硅进行原位硼掺杂，使多晶硅具有较低的电阻率，其方块电阻为10欧姆左右；1.4)再次热氧化，在多晶硅的表面生长一层二氧化硅，厚度0.2微米左右；1.5)正面光刻，先腐蚀出二氧化硅窗口，随后在二氧化硅的掩膜下刻蚀多晶硅，制作出多晶硅加热电阻；1.6)第三次热氧化，使多晶硅电阻的侧壁生长一层二氧化硅；1.7)正面第二次光刻，刻蚀出多晶硅加热电阻的引线孔区；1.8)正面第三次光刻，去除多晶硅加热电阻的引线和测温电阻所在位置处的光刻胶，随后利用射频溅射工艺依次淀积钛、铂、金三层金属，其厚度分别为0.02微米、0.1微米和0.3微米，并采用金属剥离工艺制作出多晶硅加热电阻的引线和测温电阻及其引线；1.9)正面第四次光刻，去除测温电阻区的三层复合金属最上层的金，露出金属铂；1.10)正面第五次光刻，刻蚀出硅敏感阵列(7)的正面结构，刻蚀深度应等于或略大于硅梁的设计厚度；1.11)背面光刻，并采用具有高深宽比的刻蚀技术对背面进行深刻蚀，直至与正面结构穿通，从而制作出硅梁(14)阵列，同时完成多个硅敏感阵列(7)之间的分离；1.12)将硅敏感阵列(7)与事先加工好的环形衬底(9)封接，随后采用金丝球焊机将硅敏感阵列(7)中的内电极用金丝引出到环形衬底(9)的外电极上，至此，硅敏感阵列(7)的制作工艺全部结束；2)制作爆炸物微粒的采样装置，该装置主要包括超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、超声振动管道(5)三个部分；超声波发射器(3)由多个排列成环形的压电陶瓷片(2)组成，这些压电陶瓷片(2)的频率为1兆赫兹左右，已经商品化，可直接购买并将其组装成一个压电陶瓷环；在压电陶瓷环的中间是负压进气风机的进气口(1)，负压进气风机(4)可根据尺寸、功率的设计要求直接购买或定做；负压进气风机(4)的出气口与超声振动管道(5)的入口对接；由于硅敏感阵列(7)为方形，因此超声振动管道(5)也采用方形设计，管道内壁边长与硅敏感阵列(7)的边长相当；将管道加热元件(13)均匀布置在管道外壁的四个面上，用于对管壁进行加热；此外，在管道外壁的四个面上还粘贴有压电陶瓷片(2)，用于对管壁进行超声激励并使其产生振动；在超声振动管道(5)的末端有两个管道插槽(8)，在管道插槽(8)中制作有电极，这些电极与敏感阵列环形衬底(9)的外电极一一对应，用于连接敏感阵列(7)与外围的信号控制和处理电路(12)；将两个硅敏感阵列(7)固定在这两个管道插槽(8)中，安装时相互错位，使得后一个敏感阵列中的硅梁(14)正对着前一个敏感阵列中硅梁之间的间隙(15)；制作超声振动管道(5)所用的材料可以是石英、陶瓷、耐热硬塑料、金属等，当采用金属材料制作管道时，需要将管道与管道加热元件、压电陶瓷片、管道插槽中的电极等进行绝缘处理；超声振动管道(5)的入口处和出口处各有一个阀门(6)和(10)，采样时两个阀门同时开启以便于采样，采样结束后两个阀门同时关闭，使管道中的两个敏感阵列(7)处于与外界相对隔离的环境中，减少外界气流及温度变化引起的干扰；在管道出口阀门的外侧还安装有一个排气风扇(11)，用以加强采样时气流在管道中的单向流动；超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、排气风扇(11)、管道加热元件(13)与超声激励元件、管道入口阀门(6)及出口阀门(10)均采用连动电气开关控制；在打开超声波发射器(3)的开关发射超声波的同时，超声振动管道(5)中的两个阀门同时打开，负压进气风机(4)启动并开始进气，排气风扇(11)开始排气，超声振动管道(5)开始加热并进行超声振动；当关闭超声波发射器(3)时，负压进气风机(4)和排气风扇(11)也同时停止工作，管道进出口阀门全部关闭，并且超声振动管道(5)停止加热及超声振动；3)制作信号控制与处理电路(12)，该部分主要包括电源、测温信号反馈与加热控制电路、开关选通电路、差分放大电路、积分电路、信号比较电路、单片机、存储器、报警电路等；通过超声振动管道(5)的末端插槽中的电极对硅梁(14)的温度信号进行读取并进行精确控温加热；整个信号控制与处理电路(12)中所采用的各主要元器件及集成电路已全部商品化，可直接购买并按照拟实现的信号控制与处理的功能要求进行电子线路的连接和调试。
爆炸物探测器探测爆炸物微粒的检测过程是首先对超声振动管道中的两个硅敏感阵列(7)进行热清洗和标定，即对所有硅梁(14)先进行高温加热，加热温度应高于爆炸物的蒸发点，使得前一次实验中残留在硅梁(14)上的爆炸物微粒完全蒸发；热清洗结束后，对所有硅梁(14)进行无爆炸物微粒时的测温标定，即对所有硅梁(14)进行精确控温加热，记录其在爆炸物熔点或蒸发点附近的温度变化，并将数据储存到存储器中；随后，进行爆炸物微粒的采样，即打开超声波发射器(3)向检测对象发射一定功率和一定频率的超声波，在超声波的激励作用下，附着在被测对象表面的一些爆炸物微粒松动并脱附，与此同时，超声振动管道(5)的进出口阀门(6)、(10)被打开，负压进气风机(4)和排气风扇(11)启动，将可能含有爆炸物微粒的空气吸入管道并流向管道出口；此时，超声振动管道(5)以一定的超声频率振动，同时，分布在管壁上的加热元件开始对管道进行均匀加热使之产生由管壁指向管道中心轴线的向心气流，使爆炸物微粒不能附着在管道的内壁表面；一对平行但相互错位的硅敏感阵列(7)位于超声振动管道(5)的末端，部分爆炸物微粒随着管道中气流的流动到达并附着在第一个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)表面，还有部分爆炸物微粒可能会穿过第一个硅敏感阵列(7)中硅梁之间的间隙(15)到达并附着在第二个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)表面；采样过程结束后，将超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、排气风扇(11)、管道进出口阀门(6)、(10)同时关闭，并停止对管壁加热和超声振动，此时管道中无流动气流，硅敏感阵列对处于一个与外界隔离的相对稳定的环境中；通过信号控制与处理电路(12)对两个硅敏感阵列(7)中的所有硅梁(14)进行精确控温加热，将硅梁(14)加热至爆炸物微粒的熔点或蒸发点，然后由单片机控制开关选通电路读取每个硅梁(14)上由于爆炸物微粒熔解或蒸发引起的温度变化信号，经过差分放大后与采样前就已经储存在存储器中的无爆炸物微粒时的对应硅梁(14)的温度变化信号进行对比，从而判断该硅梁(14)上是否有爆炸物微粒；在两个硅敏感阵列(7)中只要在任意一个硅梁(14)上检测出爆炸物微粒，就立即由报警电路进行报警。
本发明的有益效果是该爆炸物探测器通过改变硅梁阵列的工作温度，可以对不同的固态爆炸物进行检测，具有体积小、重量轻、成本低、可便携使用等特点。爆炸物探测器能够非接触、无损伤地探测人员随身携带以及藏匿在行李中的多种固态爆炸物，可应用于机场、码头、车站等公共场所的安全检查。
图1是爆炸物探测器示意图；图2是超声波发射器与进气口相对位置示意图；图3是超声振动管道示意图；图4是硅梁阵列立体图；图5是一对相互错位的硅梁阵列截面示意图。
图中1.进气口，2.压电陶瓷片，3.超声波发射器，4.负压进气风机，5.超声振动管道，6.管道入口阀门，7.硅敏感阵列对，8.管道插槽，9.环形衬底，10.管道出口阀门，11.排气风扇，12.信号控制与处理电路，13.管道加热元件，14.硅梁，15.硅梁之间的间隙，安装在前一个插槽8中的硅梁阵列为7A，安装在后一个插槽8中的硅梁阵列为7B。
具体实施例方式
图1是本发明所提出的爆炸物探测器，由爆炸物采样装置、硅敏感阵列对、信号控制与处理电路12这三部分组成。首先制作工艺难度较大的硅敏感阵列7，其加工步骤如下1)选取双面抛光的硅片进行化学清洗，硅片的直径为2～8英寸，取直径为3～4英寸的硅片，其厚度为300～500微米，电阻率为10欧姆·厘米，100、110、111或其它晶向硅片均可；2)对清洗过的硅片进行热氧化，在硅片正反两面均生长一层二氧化硅，其厚度为0.3微米；3)在硅片正面的二氧化硅表面淀积一层多晶硅，厚度为1微米左右，在淀积多晶硅的同时对多晶硅进行原位硼掺杂，使多晶硅具有较低的电阻率，其方块电阻为10欧姆左右；4)再次热氧化，在多晶硅的表面生长一层二氧化硅，厚度0.2微米左右；5)正面光刻，先腐蚀出二氧化硅窗口，随后在二氧化硅的掩膜下刻蚀多晶硅，制作出多晶硅加热电阻；6)第三次热氧化，使多晶硅电阻的侧壁生长一层二氧化硅；7)正面第二次光刻，刻蚀出多晶硅加热电阻的引线孔区；8)正面第三次光刻，去除多晶硅加热电阻的引线和测温电阻所在位置处的光刻胶，随后利用射频溅射工艺依次淀积钛、铂、金三层金属，其厚度分别为0.02微米、0.1微米和0.3微米，并采用金属剥离工艺制作出多晶硅加热电阻的引线和测温电阻及其引线；9)正面第四次光刻，去除测温电阻区的三层复合金属最上层的金属金，露出金属铂；10)正面第五次光刻，刻蚀出硅敏感阵列7的正面结构，刻蚀深度应等于或略大于硅梁的设计厚度；11)背面光刻，并采用具有高深宽比的刻蚀技术对背面进行深刻蚀，直至与正面结构穿通，从而制作出硅梁14阵列，同时完成多个硅敏感阵列7之间的分离；12)将硅敏感阵列7与事先加工好的环形衬底9封接，随后采用金丝球焊机将硅敏感阵列7中的内电极用金丝引出到环形衬底9的外电极上，至此，硅敏感阵列7的制作工艺全部结束。
随后制作爆炸物微粒的采样装置，该装置主要包括超声波发射器3、负压进气风机4、超声振动管道5三个部分；超声波发射器3由多个排列成环形的压电陶瓷片2组成，这些压电陶瓷片2的频率为1兆赫兹左右，已经商品化，可直接购买并将其组装成一个压电陶瓷环；在压电陶瓷环的中间是负压进气风机的进气口1，负压进气风机4可根据尺寸、功率的设计要求直接购买或定做；负压进气风机4的出气口与超声振动管道5的入口对接；由于硅敏感阵列7为方形，因此超声振动管道5也采用方形设计，管道内壁边长与硅敏感阵列7的边长相当；将管道加热元件13均匀布置在管道外壁的四个面上，用于对管壁进行加热；此外，在管道外壁的四个面上还粘贴有压电陶瓷片2，用于对管壁进行超声激励并使其产生振动；在超声振动管道5的末端有两个管道插槽8，在管道插槽8中制作有电极，这些电极与敏感阵列环形衬底9的外电极一一对应，用于连接敏感阵列7与外围的信号控制和处理电路12；将两个硅敏感阵列7固定在这两个管道插槽8中，安装时相互错位，使得后一个敏感阵列中的硅梁14正对着前一个敏感阵列中硅梁之间的间隙15；制作超声振动管道5所用的材料可以是石英、陶瓷、耐热硬塑料、金属等，当采用金属材料制作管道时，需要将管道与管道加热元件13、压电陶瓷片2、管道插槽8中的电极等进行绝缘处理；超声振动管道5的入口处和出口处各有一个阀门6和10，采样时两个阀门同时开启以便于采样，采样结束后两个阀门同时关闭，使管道中的两个敏感阵列7处于与外界相对隔离的环境中，减少外界气流及温度变化引起的干扰；在管道出口阀门的外侧还安装有一个排气风扇11，用以加强采样时气流在管道中的单向流动；超声波发射器3、负压进气风机4、排气风扇11、管道加热元件13与超声激励元件、管道入口阀门6及出口阀门10均采用连动电气开关控制；在打开超声波发射器3的开关发射超声波的同时，超声振动管道5中的两个阀门同时打开，负压进气风机4启动并开始进气，排气风扇11开始排气，超声振动管道5开始加热并进行超声振动；当关闭超声波发射器3时，负压进气风机4和排气风扇11也同时停止工作，管道进出口阀门全部关闭，并且超声振动管道5停止加热及超声振动。
最后制作信号控制与处理电路12，该部分主要包括电源、测温信号反馈与加热控制电路、开关选通电路、差分放大电路、积分电路、信号比较电路、单片机、存储器、报警电路等；通过超声振动管道5的末端插槽中的电极对硅梁14的温度信号进行读取并进行精确控温加热；整个信号控制与处理电路12中所采用的各主要元器件及集成电路已全部商品化，可直接购买并按照拟实现的信号控制与处理的功能要求进行电子线路的连接和调试。
该探测器制作完成后，即可用于爆炸物的探测。以一种最常见的爆炸物梯恩梯为例利用梯恩梯在其熔点温度下的熔解吸热特性对它进行检测。首先打开探测器的电源，对超声振动管道5中的两个硅敏感阵列7进行热清洗和标定，即对所有硅梁14先进行高温加热，加热温度应高于梯恩梯的蒸发点，使得前一次实验中残留在硅梁14上的梯恩梯微粒完全蒸发；热清洗结束后，对所有硅梁14进行无梯恩梯微粒时的测温标定，即对所有硅梁14进行精确控温加热，将硅梁加热到梯恩梯的熔点温度80℃，并记录各个硅梁14在梯恩梯熔点附近的温度变化，将数据储存到存储器中；随后，进行梯恩梯微粒的采样，即打开超声波发射器3向检测对象发射一定功率和一定频率的超声波，在超声波的激励作用下，附着在被测对象表面的一些梯恩梯微粒松动并脱附；与此同时，超声振动管道5的进出口阀门6和10被打开，负压进气风机4和排气风扇11启动，将可能含有梯恩梯微粒的空气吸入管道并流向管道出口；此时，该超声振动管道5也以一定的超声频率振动，同时，分布在管壁上的管道加热元件13开始对管道进行均匀加热使之产生由管壁指向管道中心轴线的向心气流，使梯恩梯微粒不能附着在管道的内壁表面；一对平行但相互错位的硅敏感阵列7位于超声振动管道5的末端，部分梯恩梯微粒随着管道中气流的流动到达并附着在第一个敏感阵列的硅梁14表面，还有部分梯恩梯微粒可能会穿过第一个敏感阵列中硅梁之间的间隙15到达并附着在第二个敏感阵列的硅梁14表面；采样过程结束后，将超声波发射器3、负压进气风机4、排气风扇11、管道进出口阀门6和10同时关闭，并停止对管壁加热和超声振动，此时超声振动管道5中无流动气流，敏感阵列对处于一个与外界隔离的相对稳定的环境中；随后，通过信号控制与处理电路12对两个敏感阵列7中的所有硅梁14进行精确控温加热，将硅梁14加热至80℃，然后由单片机控制开关选通电路读取每个硅梁14上由于梯恩梯微粒熔解引起的温度变化信号，经过差分放大后与采样前就已经储存在存储器中的无梯恩梯微粒时的对应硅梁14的温度变化信号进行对比，从而判断该硅梁14上是否有梯恩梯微粒。在两个敏感阵列7中只要在任意一个硅梁14上检测出梯恩梯微粒，就立即由报警电路进行报警。
当探测其他种类的固态爆炸物时，需要改变硅梁阵列的工作温度，即在热清洗和测温标定时，通过单片机将硅梁14的工作温度分别设定到其他爆炸物的蒸发点温度和熔点温度，然后重复上述操作过程，即可实现对不同种类的固态爆炸物的探测。
权利要求
1.一种爆炸物探测器，由采样装置、硅敏感阵列对、信号控制与处理电路(12)三部分组成，其特征在于所述的第一部分采样装置包括超声波发射器(3)、负压进气风机(4)和超声振动管道(5)，用于完成爆炸物微粒的采集并将其输送到硅敏感阵列(7)的表面，其中超声波发射器(3)由多个排列成环形的压电陶瓷片(2)组成，压电陶瓷片(2)的频率为1兆赫兹，将其组装成一个压电陶瓷环；负压进气风机(4)的进气口(1)在压电陶瓷环的中间，风机的出气口与超声振动管道(5)的入口对接；超声振动管道(5)与硅敏感阵列(7)都采用正方形设计，管道内壁边长与硅敏感阵列(7)的边长相当，将管道加热元件(13)均匀布置在管道外壁的四个面上，用于对管壁进行加热，在管道外壁的四个面上还粘贴有压电陶瓷片(2)，用于对管壁进行超声激励并使其产生振动；在超声振动管道(5)的末端有两个管道插槽(8)，在管道插槽(8)中制作有电极，这些电极与硅敏感阵列环形衬底(9)的外电极一一对应，用于连接硅敏感阵列(7)与外围的信号控制和处理电路(12)；制作超声振动管道(5)所用的材料可以是石英、陶瓷、耐热硬塑料、金属，当采用金属材料制作超声振动管道(5)时，需要将管道与管道加热元件(13)、压电陶瓷片(2)、管道插槽(8)中的电极进行绝缘处理；超声振动管道(5)的入口处和出口处各有一个阀门，采样时两个阀门同时开启以便于采样，采样结束后两个阀门同时关闭，使管道中的两个硅敏感阵列(7)处于与外界相对隔离的环境中，减少外界气流及温度变化引起的干扰；在管道出口阀门(10)的外侧还安装有一个排气风扇(11)，用以加强采样时气流在管道中的单向流动，超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、排气风扇(11)、管道加热元件(13)与超声激励元件、管道入口阀门(6)及管道出口阀门(10)均采用连动电气开关控制；在打开超声波发射器(3)的开关发射超声波的同时，超声振动管道(5)中的两个阀门同时打开，风机启动并开始进气，排气风扇(11)开始排气，超声振动管道(5)开始加热并进行超声振动；当关闭超声波发射器(3)时，负压进气风机(4)和排气风扇(11)也同时停止工作，超声振动管道(5)进出口阀门全部关闭，并且管道停止加热及超声振动；所述的第二部分硅敏感阵列对是两个硅敏感阵列(7)固定在两个管道插槽(8)中，将其垂直于进气方向安装在超声振动管道(5)中，一前一后组成硅敏感阵列对，安装时相互错位，使得后一个硅敏感阵列中的硅梁(14)正对着前一个硅敏感阵列中硅梁之间的间隙(15)；硅敏感阵列(7)由多个相互平行且尺寸相同的双端固支硅梁(14)构成，在每个硅梁(14)上均制作有加热元件和测温元件，在硅梁(14)之间有间隙(15)并且其间距相等；由于硅敏感阵列(7)结构不是一个完整连续的平面，在硅梁(14)之间有间隙(15)，因而不会堵塞管道，保证在超声振动管道(5)中含有爆炸物微粒的气体能进行单向流通，便于爆炸物微粒能够落到硅梁(14)的表面；一部分爆炸物微粒会穿过第一个硅敏感阵列(7)中硅梁之间的间隙(15)，由于该间隙(15)正对着第二个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)，因此穿过第一个硅敏感阵列(7)的爆炸物微粒将直接落到第二个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)上，这样既增大了采集到爆炸物微粒的几率，同时又不影响超声振动管道(5)中气体的流动；通过加热元件对硅梁(14)进行加热，使有可能落到硅梁(14)表面的爆炸物微粒发生熔解或蒸发反应并产生相变吸热，然后通过测温元件测量出相变吸热所引起的硅梁(14)表面的温度变化信号，并将该信号送入信号控制与处理电路(12)中加以放大和处理；所述的第三部分信号控制与处理电路(12)主要包括电源、测温信号反馈与加热控制电路、开关选通电路、差分放大电路、积分电路、信号比较电路、单片机、存储器、报警电路，通过超声振动管道(5)末端管道插槽(8)中的电极对硅梁(14)的温度信号进行读取并进行精确控温加热，将硅梁(14)加热至爆炸物微粒的熔点或蒸发点，然后通过开关选通电路读取每个硅梁(14)上由于爆炸物微粒熔解或蒸发引起的的温度变化信号，经过差分放大后与存储器中已经存储的无爆炸物微粒时的硅梁(14)温度变化信号进行对比，进而判断硅梁(14)上是否存在爆炸物微粒以及是否报警。
2.根据权利要求1所述的一种爆炸物探测器的制作方法，其特征在于1)先制作硅敏感阵列(7)；1.1)选取双面抛光的硅片进行化学清洗，硅片的直径为2～8英寸，取直径为3～4英寸的硅片，其厚度为300～500微米，电阻率为10欧姆·厘米，100、110、111或其它晶向硅片均可；1.2)对清洗过的硅片进行热氧化，在硅片正反两面均生长一层二氧化硅，其厚度为0.3微米；1.3)在硅片正面的二氧化硅表面淀积一层多晶硅，厚度为1微米左右，在淀积多晶硅的同时对多晶硅进行原位硼掺杂，使多晶硅具有较低的电阻率，其方块电阻为10欧姆左右；1.4)再次热氧化，在多晶硅的表面生长一层二氧化硅，厚度0.2微米左右；1.5)正面光刻，先腐蚀出二氧化硅窗口，随后在二氧化硅的掩膜下刻蚀多晶硅，制作出多晶硅加热电阻；1.6)第三次热氧化，使多晶硅电阻的侧壁生长一层二氧化硅；1.7)正面第二次光刻，刻蚀出多晶硅加热电阻的引线孔区；1.8)正面第三次光刻，去除多晶硅加热电阻的引线和测温电阻所在位置处的光刻胶，随后利用射频溅射工艺依次淀积钛、铂、金三层金属，其厚度分别为0.02微米、0.1微米和0.3微米，并采用金属剥离工艺制作出多晶硅加热电阻的引线和测温电阻及其引线；1.9)正面第四次光刻，去除测温电阻区的三层复合金属最上层的金，露出铂；1.10)正面第五次光刻，刻蚀出硅敏感阵列(7)的正面结构，刻蚀深度应等于或略大于硅梁的设计厚度；1.11)背面光刻，并采用具有高深宽比的刻蚀技术对背面进行深刻蚀，直至与正面结构穿通，从而制作出硅梁(14)阵列，同时完成多个硅敏感阵列(7)之间的分离；1.12)将硅敏感阵列(7)与事先加工好的环形衬底(9)封接，随后采用金丝球焊机将硅敏感阵列(7)中的内电极用金丝引出到环形衬底(9)的外电极上，至此，硅敏感阵列(7)的制作工艺全部结束；2)随后制作爆炸物微粒的采样装置，该装置主要包括超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、超声振动管道(5)三个部分；超声波发射器(3)由多个排列成环形的压电陶瓷片(2)组成，这些压电陶瓷片(2)的频率为1兆赫兹左右，已经商品化，可直接购买并将其组装成一个压电陶瓷环；在压电陶瓷环的中间是负压进气风机的进气口(1)，负压进气风机(4)可根据尺寸、功率的设计要求直接购买或定做；负压进气风机(4)的出气口与超声振动管道(5)的入口对接；由于硅敏感阵列(7)为方形，因此超声振动管道(5)也采用方形设计，管道内壁边长与硅敏感阵列(7)的边长相当；将管道加热元件(13)均匀布置在管道外壁的四个面上，用于对管壁进行加热；此外，在管道外壁的四个面上还粘贴有压电陶瓷片(2)，用于对管壁进行超声激励并使其产生振动；在超声振动管道(5)的末端有两个管道插槽(8)，在管道插槽(8)中制作有电极，这些电极与敏感阵列环形衬底(9)的外电极一一对应，用于连接敏感阵列(7)与外围的信号控制和处理电路(12)；将两个硅敏感阵列(7)固定在这两个管道插槽(8)中，安装时相互错位，使得后一个敏感阵列中的硅梁(14)正对着前一个敏感阵列中硅梁之间的间隙(15)；制作超声振动管道(5)所用的材料可以是石英、陶瓷、耐热硬塑料、金属等，当采用金属材料制作管道时，需要将管道与管道加热元件、压电陶瓷片、管道插槽中的电极等进行绝缘处理；超声振动管道(5)的入口处和出口处各有一个阀门(6)和(10)，采样时两个阀门同时开启以便于采样，采样结束后两个阀门同时关闭，使管道中的两个敏感阵列(7)处于与外界相对隔离的环境中，减少外界气流及温度变化引起的干扰；在管道出口阀门的外侧还安装有一个排气风扇(11)，用以加强采样时气流在管道中的单向流动；超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、排气风扇(11)、管道加热元件(13)与超声激励元件、管道入口阀门(6)及出口阀门(10)均采用连动电气开关控制；在打开超声波发射器(3)的开关发射超声波的同时，超声振动管道(5)中的两个阀门同时打开，负压进气风机(4)启动并开始进气，排气风扇(11)开始排气，超声振动管道(5)开始加热并进行超声振动；当关闭超声波发射器(3)时，负压进气风机(4)和排气风扇(11)也同时停止工作，管道进出口阀门全部关闭，并且超声振动管道(5)停止加热及超声振动；3)最后制作信号控制与处理电路(12)，该部分主要包括电源、测温信号反馈与加热控制电路、开关选通电路、差分放大电路、积分电路、信号比较电路、单片机、存储器、报警电路等；通过超声振动管道(5)的末端插槽中的电极对硅梁(14)的温度信号进行读取并进行精确控温加热；整个信号控制与处理电路(12)中所采用的各主要元器件及集成电路已全部商品化，可直接购买并按照拟实现的信号控制与处理的功能要求进行电子线路的连接和调试；所述的爆炸物探测器探测爆炸物微粒的检测过程是首先对超声振动管道中的两个硅敏感阵列(7)进行热清洗和标定，即对所有硅梁(14)先进行高温加热，加热温度应高于某种待测爆炸物的蒸发点，使得前一次实验中残留在硅梁(14)上的该种爆炸物微粒完全蒸发；热清洗结束后，对所有硅梁(14)进行无爆炸物微粒时的测温标定，即对所有硅梁(14)进行精确控温加热，记录其在该种爆炸物熔点或蒸发点附近的温度变化，并将数据储存到存储器中；随后，进行爆炸物微粒的采样，即打开超声波发射器(3)向检测对象发射一定功率和一定频率的超声波，在超声波的激励作用下，附着在被测对象表面的一些爆炸物微粒松动并脱附，与此同时，超声振动管道(5)的进出口阀门(6)、(10)被打开，负压进气风机(4)和排气风扇(11)启动，将可能含有爆炸物微粒的空气吸入管道并流向管道出口；此时，超声振动管道(5)以一定的超声频率振动，同时，分布在管壁上的加热元件开始对管道进行均匀加热使之产生由管壁指向管道中心轴线的向心气流，使爆炸物微粒不能附着在管道的内壁表面；一对平行但相互错位的硅敏感阵列(7)位于超声振动管道(5)的末端，部分爆炸物微粒随着管道中气流的流动到达并附着在第一个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)表面，还有部分爆炸物微粒可能会穿过第一个硅敏感阵列(7)中硅梁之间的间隙(15)到达并附着在第二个硅敏感阵列(7)的硅梁(14)表面；采样过程结束后，将超声波发射器(3)、负压进气风机(4)、排气风扇(11)、管道进出口阀门(6)、(10)同时关闭，并停止对管壁加热和超声振动，此时管道中无流动气流，硅敏感阵列对处于一个与外界隔离的相对稳定的环境中；通过信号控制与处理电路(12)对两个硅敏感阵列(7)中的所有硅梁(14)进行精确控温加热，将硅梁(14)加热至该种爆炸物微粒的熔点或蒸发点，然后由单片机控制开关选通电路读取每个硅梁(14)上由于该种爆炸物微粒熔解或蒸发引起的的温度变化信号，经过差分放大后与采样前就已经储存在存储器中的无爆炸物微粒时的对应硅梁(14)的温度变化信号进行对比，从而判断该硅梁(14)上是否有该种爆炸物微粒；在两个硅敏感阵列(7)中只要在任意一个硅梁(14)上检测出该种爆炸物微粒，就立即由报警电路进行报警；当探测其他种类的固态爆炸物时，需要改变硅梁阵列的工作温度，即在热清洗和测温标定时，通过单片机将硅梁(14)的工作温度分别设定到其他爆炸物的蒸发点温度和熔点温度，然后重复上述操作过程，即可实现对不同种类的固态爆炸物的探测。
全文摘要
一种爆炸物探测器和制作方法，所述探测器包括采样装置、硅敏感阵列对和信号控制与处理电路。采样装置包括超声波发射器、负压进气风机和超声振动管道，用于采集爆炸物微粒并将其输送到硅敏感阵列对表面。硅敏感阵列对是安装在超声振动管道内部的两个相互错位的硅双端固支梁阵列，其特点是既增大了采集到爆炸物微粒的几率，同时又不影响管道中气体的流动。硅敏感阵列采用微电子机械系统技术制作，它利用爆炸物的熔解吸热特性进行检测。硅梁的输出信号经选通电路读取后被差分放大，并与储存在存储器中的无爆炸物微粒时的信号进行比对，进而判断硅梁上是否存在爆炸物。该探测器能检测多种固态爆炸物，可用于各种公共场所的安全检查。
文档编号G01N25/04GK1525162SQ03158260
公开日2004年9月1日 申请日期2003年9月16日 优先权日2003年9月16日
发明者孔德义, 梅涛, 陶永春, 张涛, 孙斐, 张成梅, 陈茅, 倪林, 王锐, 张彦 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所