冷凝式声表面波爆炸物传感器的系统集成技术研究

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截至目前,在全球范围内依旧存在着1亿颗以上地雷未被扫除,每年都会炸死许多无辜民众,而且严重阻碍了土地的开发使用;另一方面,近二十年来国际、国内的爆炸式恐怖袭击层出不穷,严重威胁着人民的生命财产安全,因此,如何对爆炸物进行快速准确的检测成为了一个亟待解决的问题。声表面波(Surface acoustic wave,SAW)气体传感器基于质量敏感效应,具有灵敏度高、体积小、价格低、便于携带等优点,在现场实时监测领域具有很大的发展前景。传统的SAW气体传感器是在SAW叉指电极上涂覆一层敏感膜,敏感膜吸附目标气体导致质量增加,从而引起SAW器件的频率发生变化,实现对目标气体的检测识别。本文基于实验室已有的SAW传感器检测平台,在有别于传统SAW传感器的基础上,对冷凝式SAW爆炸物传感器的系统集成进行了研究,研究的主要内容有高效富集器的制备、冷凝式SAW器件气室结构的设计优化和系统集成的检测分析。作为对比,对传统有膜SAW传感器对爆炸物的气敏特性也进行了研究。在富集器制备部分,首先分析了富集器的工作原理和特点,通过比较MEMS微型富集器和传统管式富集器各自的优缺点,最终选用管式富集器作为基本结构,同时通过比较有机高分子吸附材料和多种无机碳系吸附材料的基本特性,从SAW传感器的响应大小、响应时间和吸附材料稳定性等方面最终确定了Carboxen-1000作为最佳富集材料,最后对富集管的加热解吸方式进行了优化,使传感器的响应提高了30%。SAW器件气室结构部分,首先比较了气体的吹扫方式,分析了气室全密闭的必要性,最终设计了不同高度的顶吹密闭式气室结构,并实现了气室、电路板和散热片三者整体结构的安装,为了保证整体结构的气密性以及减小气室的死体积,还设计了不同直径的气嘴尺寸。本文依次对冷凝式SAW爆炸物传感器的气敏特性、重复性和温度特性进行了测试,结果显示:冷凝式SAW传感器基线稳定,响应迅速,响应值大,重复性良好。同时合成了爆炸物敏感材料DKAP,用于制备传统有膜SAW传感器,通过对比说明冷凝式SAW传感器是一种适宜用于爆炸物的检测系统。
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