MEMS爆炸物探测器的箱体结构设计要点.pdf
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1、1 MEMS 爆炸物探测器的箱体结构设计 周辉机械工程及其自动化二班 指导老师:杨兰英 摘要 近些年以来, 国际恐怖主义势力发展越来越猖獗,极端分子在世界各地都制 造了一系列的恶性爆炸事件。 这些事件对人类的生存安全造成了极大地威胁。而 现在使用的大部分爆炸物探测器要不是笨重不易使用要不就是不能精确检测出 被精心藏匿的爆炸物。针对这一情况,本文提出了一种对利用MEMS 技术检测爆 炸物的探测器箱体的结构设计。本文从介绍MEMS 爆炸物探测器的研究背景及国 内外发展现状开始,然后对爆炸物箱体进行结构设计。设计分为MEMS 芯片、拉 曼光谱仪、装载 MEMS 芯片的箱体、 探测器箱体 4 个部分。
2、用 solidworks对 MEMS 爆炸物探测器进行三维建模, 并对探测器的工作原理进行分析。介绍了拉曼光谱 技术在爆炸物探测中的应用, 最后总结了这次爆炸物探测器设计的关键问题。根 据本设计制作的MEMS 爆炸物探测器,体积小、质量轻、成本低、可靠性高、性 能优异、可批量生产,具有广阔的应用前景。 关键词: MEMS 芯片;结构设计;拉曼光谱技术;爆炸物探测 Box structure design MEMS explosives detectors 2 Abstract:Since recent years, the development of international forces
3、 increasingly rampant terrorism, extremists around the world have created a series of vicious bombings. These events of human existence caused a great threat to security. The most explosive detectors use either now or is difficult to use bulky can not be accurately detected by carefully hiding explo
4、sives. In response to this situation, this paper proposes a use of MEMS technology to detect explosives detector cabinet structure design.This paper describes the development of domestic and international background and status of MEMS explosives detectors start of the study, and then the box of expl
5、osives structural design. Design is divided into MEMS chip, Raman spectroscopy, loading MEMS chip box, the detector box 4 parts.With solidworks explosive detectors for MEMS three-dimensional modeling, and the working principle of the detector for analysis. Describes the application of Raman spectros
6、copy in the detection of explosives and, finally, the key issues of this explosive detector design.The MEMS explosive detectors of this design, small size, light weight, low cost, high reliability, high performance, mass production, and has broad application prospects. Keywords: MEMS chip; structura
7、l design; Raman spectroscopy; Explosives Detection 3 目录 一、前言 1.1MEMS爆炸物探测器研究的背景及意义 1.2 国内外研究现状 . 1.3 本次论文设计的主要内容. 二、MEMS 爆炸物探测器的原件 2.1MEMS芯片 2.1.1自由表面微流道 2.1.2温湿度传感器 2.2 拉曼光谱仪 2.2.1拉曼光谱仪发展简介 2.2.2表面增强拉曼光谱在反恐中的应用 2.2.3本次设计所选用的拉曼光谱仪 2.2.4部分爆炸物分子蒸汽压 2.3 装载 MEMS 芯片的箱体 2.3.1MEMS 芯片封装的注意问题 2.3.2装载 MEMS 芯片
8、的箱体结构设计 2.4 探测器箱体的设计 三、拉曼光谱技术在爆炸物检测中的应用 3.1 拉曼光谱的原理 3.2 表面增强( SERS )法检测爆炸物 3.2.1表面增强拉曼光谱原理 3.2.2表面增强拉曼光谱( SERS )法在爆炸物检测中的应用 3.2.3常见的 11 种炸药拉曼图谱 4 前言 1.1MEMS 爆炸物探测器研究的背景及意义 随近些年来, 随着国际恐怖主义势力的增长, 极端分子在世界各地制造了一 系列恶性爆炸事件, 这些事件对人类的生存安全构成了极大的威胁,因此如何检 测藏匿于行李、 邮件、车辆、飞机以及疑犯身体上的爆炸物已成为各国执法机关 共同面对的问题。 如何检测、销毁遍布
9、于世界各地的地雷也是一个困扰各国政府 的全球性问题, 根据联合国统计, 全球大约有 120 万颗未被引爆的地雷, 它们埋 藏于 70 多个国家里,并且其中大多数没有任何标记,它们时时刻刻都在威胁人 类的生命。 可以看出, 爆炸物检测技术对人类安全问题有着深远意义。目前在国 内外承担安检的爆炸物探测器存在着一些不足,如功能单一、 针对性不强、 体积 笨重、成本高昂等,很难完全满足实际应用中的要求。随着MEMS 技术的飞速发 展和日益成熟,国内外很多研究机构已经把MEM 技术延伸到爆炸物探测器研发领 域。MEMS 器件具有体积小、成本低、可批量生产、性能相对稳定等特点,利用 MEMS 技术研制的小
10、型化便携爆炸物探测器可以弥补现有探测器的某些不足,对 促进爆炸物探测技术发展有着十分重要的意义。 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, MEMS 器件和系统具有传统传感器无法相比的优点:体积小、质量轻、功耗低、 成本低、可靠性高、性能优异、性能优异、多功能集成、可批量生产等,因次具 有广阔的应用前景。 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。 随着爆炸物种类的增多和人体携带隐蔽度越来越高
11、,未来爆炸物探测设备应 具有对人体安全、小型化、成本低、便于携带、灵敏度高、快速准确等特点,而 MEMS 爆炸物探测器正符合这些要求,所以 MEMS 爆炸物探测器应该是未来人们研 究的主流方向。 1.2 国内外研究现状 (1) 美国 DUKE 大学 5 DUKE大学的研究人员正在研发一种能获得更强化学灵敏度的炸药 微粒探测器, 这种方法可以增强以前某些传感器(如加利福尼亚理工学院研究的 电子鼻) 的化学灵敏度。这种方法是通过一个具有微型悬梁结构的高灵敏度,MEMS 探测器来检测纳米级或更小的爆炸物微粒分解所释放出的热量,从而确定是否存 在爆炸物。 (2)美国能源部 Oak Riage 实验所(
12、 ORNL) 美国能源部国立橡树岭实验室研制出一种能探测微小爆炸的新型工 具,这个被称为“ nose on a chip ”的仪器最初主要用来检测汞之类的化学物质。 科学家们希望这个听起来颇为枯燥烦琐的新型手持器件可以用于机场检查人和 行李,或者是探测地雷。 (3)瑞士 IBM研究室 这是一种新型灵敏度很高的温度传感器,它可以检测出比较小的温度 变化。原理与前两者类似: 用化学法或物理方法将被分析物分子吸附到悬梁臂的 覆盖层上,并与表面发生化学反应使其与梁之间的应力发生变化,利用光能触发 炸药分子的爆炸反应, 使微悬臂梁发生变形, 以此来判断反应中增加的热量。另 外,他们发现, 爆炸物分子爆炸
13、时还会发出光能,因此使用灵敏的光能传感器应 该也可以实现爆炸物的探测(光电倍增器可察觉到单个光子)。 目前,国外已经研制出多种爆炸物探测设备并投入使用,如便携式气味检 测仪、CTX-5000型和 CTX-5500智能型行李扫描仪、磁共振成像(MRI)行李扫描 仪、 离子扫描炸药探测器等。 国内也有很多单位研究并小批量生产出多种探测器, 如公安部第一研究所的双视角X射线安全检查设备、第三研究所的违禁品探测 仪、清华大学的大型集装箱检测系统等。然而这些探测设备均是利用放射线进行 检测,不能用来检查人体,并且具有价格昂贵、灵敏度低、误报率高、设备体积 庞大、不易识别塑胶炸药等各种局限性。 3.3 本
14、次论文设计的主要内容及意义 1)通过对爆炸物探测器的设计要求进行分析,将爆炸物探测器分为MEMS 芯片、拉曼光谱仪、 装载 MEMS 芯片的箱体、 探测器箱体 4 个部分进行结构设计。 (2)用 solidworks对 MEMS 爆炸物探测器进行三维建模。 6 (3)对 MEMS爆炸物探测测器整体结构进行校核分析。 (4)对 MEMS爆炸物探测器箱体结构进行调整,发现并改进探测器存在的 问题。 (5)总结 MEMS爆炸物探测器箱体设计的关键问题。 二、MEMS 爆炸物探测器的原件 通过对 MEMS 爆炸物探测器的功能分析,探测器需要可靠地检测出藏匿于 各种地方的爆炸物, 同时还要使探测器的体积
15、尽可能小,使用方便。 为了更好的 实现爆炸物探测器的功能,将探测器分成四个部分进行设计(MEMS芯片、拉曼 光谱仪、装载 MEMS芯片的箱体、探测器箱体) 。在设计探测器的组成元件时, 不仅要考虑探测器的功能,还要考虑探测器的重量、体积大小、加工成本、是否 便于使用等。 2.1MEMS 芯片 由于极大多数爆炸物分子蒸气压都很低,因此很难对其进行检测。 这就很有 必要在对爆炸物分子检测之前进行预浓缩,以提高探测器的探测极限。 在对爆炸 物成分分析了解到, 一些主要爆炸物的组成成分或其降解物分子比该爆炸物分子 有着很高的蒸气压。 因此,我们在检测某爆炸物分子时,更多的是检测其组成成 分或其降解物分
16、子,进而确定爆炸物分子。根据需要,我们所设计的MEMS 芯 片必须具有可浓缩待测物分子的功能。图2.1 为芯片结构图。 7 图 2.1 2.1.1 、自由表面流道 图 2.1.1 如图 2.1.1 所示,在自由表面微流道两端连接着两个蓄水库,左侧为蓄水库, 下面安置有一块冷却模板。 右侧为加热水库, 下面放置一个加热器。 自由表面微 流道设计成很大的自由表面区域。当含有痕量目标分子空气流流经微流道,因目 标分子的极性或亲水性, 能轻易溶于水中, 并在微流道中, 目标分子浓度显著提 升。为了最大程度地吸收目标分子, 左端水库与自由表面微流道通过冷却模块作 用,将温度保持在露点温度。相对湿度接近1
17、00% ,以使目标分子最大程度溶于 水中。所谓露点温度, 即通过调节冷却器, 当微流道芯片上表面出现少量露珠时, 此刻的温度即为露点温度。 当目标分子溶于水后, 将与水中的银溶胶结合, 形成 单聚体、双聚体、多聚体,随水溶液流动。达稳态时,出现最大浓度聚体群,形 成的聚体电磁场显著增强, 有助于随后的检测。 在右端水库通过加热模块加热水 8 库蒸发水蒸气,引起连续流动,新的水溶液得以补充,实现连续检测。 图 2.1.1b 图 2.1.1 自由表面微流道模仿嗅探犬鼻腔黏液层的运动原理。其几何结构与运动原理 如图 2.1.2b。 图 2.1.2b 为自由表面微流道的截面图。 绿色箭头指液体流动方向
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