MEMS技术检测爆炸物的原理与研究进展

　　爆炸物探测是一项重要的反恐内容. 爆炸物探测技术种类较多, 归纳起来主要有两大类, 即体探测技术和痕量探测技术. 体探测技术包括金属探测器探测、X 射线探测、热中子探测、四极共振分析、太赫兹成像技术等. 痕量探测技术主要有光谱法、“电子鼻”、石英微晶天平技术、气相色谱与电子捕获器联用技术、化学喷显法、荧光检测法、离子迁移谱分析等, 另外利用经过训练的动物如警犬等也属于痕量检测之列. 这些技术都各有一些特色和不足, 由于篇幅所限, 不能在此一一介绍. 其中, 离子迁移谱技术相对而言发展和应用较为成熟, 产品有通道式、台式、便携式等多种型号, 灵敏度较高, 检测极限的范围在10- 8~ 10- 14 g 之间[ 1] . 除了探测爆炸物以外,还能检测多种其他化学物质, 如化学战剂等, 但其价格十分昂贵. 其中, 便携式离子迁移谱仪由加拿大百灵捷公司于1999 年率先推出[ 2] , 但它的灵敏度达不到通道式和台式离子迁移谱仪的水平.

　　随着MEMS 技术的快速发展以及在多个领域的成功应用, 自然而然就会想到如何将MEMS 技术用于爆炸物的检测, 即充分发挥MEMS 技术的特点, 研制出体积更小、重量更轻、价格更低的便携式爆炸物探测器. 下面将介绍采用MEMS 技术检测爆炸物的一些原理和方法.

　　1 MEMS 技术检测爆炸物的方法

　　MEMS 检测爆炸物技术属于痕量检测技术, 通常采用灵敏度较高的硅梁作为敏感结构. 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检测. 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.

　　1. 1 测温法

　　测温法是利用集成在硅梁上的测温电阻, 直接测量爆炸物微反应过程中硅梁温度的异常变化, 该异常变化主要是爆炸物吸热或放热反应分别导致硅梁温度的瞬间降低或升高. 以图1 所示的情形为例[ 3] , 它是利用爆炸物的熔化吸热特性来检测. 由于不同的爆炸物其熔点各不相同, 因此可以将熔点作为识别爆炸物的一个重要特征参数. 由于是直接测量硅梁的温度变化, 因此可以采用结构更加稳固的双端固支梁作为敏感结构, 在硅梁上有加热元件和测温元件, 通过加热元件将硅梁加热到略高于爆炸物熔点的某一温度, 爆炸物熔化时从硅梁上吸收热量, 此时测温电阻会检测到硅梁温度有一个异常的下降. 该方法具有较高的选择性和抗环境干扰能力,并且易于实现检测系统的小型化, 但难以达到很高的检测极限.

　　1. 2 位移法