一种基于红外光谱的毒品滥用微传感器的制作方法

本发明涉及毒品检测技术领域，特别是一种基于红外光谱的毒品滥用微传感器。

背景技术：

毒品不仅危害人们的身心健康，而且会引发一系列的社会问题，例如犯罪率上升，性病和艾滋病蔓延等等，严重威胁着许多国家和地区的社会稳定和经济发展。跨国、跨区域乃致国际化的毒品犯罪愈发频繁，国际社会所面临的毒品问题日益严峻。准确的毒品检测对打击毒品犯罪、侦破毒品案件、遏制毒品蔓延具有非常重要的意义。

在毒品检测和毒品分析方面，国内外学者都尝试研究了很多方法，其中应用比较广泛的有色谱、质谱、紫外光谱、毛细管电泳、红外光谱、X射线、光谱分析法、生化及生物检测法、离子迁移谱技术及其他物理方法等。但是这些方法自身都有一定的局限性，例如化学分析、紫外光谱、红外光谱及X射线对样品都有一定程度的破坏，属于有损检测；X射线及紫外光谱对人体会有辐射危害。

光谱分析法是利用不同毒品的特征吸收光谱，研究其结构或测定化学成分的方法。在毒品检测种主要运用的光谱技术包括傅里叶变换红外光谱法、太赫兹时域光谱技术、拉曼光谱技术等。太赫兹时域光谱技术能够确定毒品纯度和有效成分含量，但目前太赫兹检测技术还不成熟，在应用上还有些困难需要解决，例如：如何消除杂质或自身结构形变造成的光谱伪像；空气中水蒸气对太赫兹强烈吸收，如何实现有效传输，而且远距离探测还要考虑烟雾、尘埃等影响。拉曼光谱技术利用毒品具有相当丰富的拉曼特征位移峰的特征进行分析，此技术对样品具有无损、快速、量小、无需制备等特点，能快速识别隐藏于各种粉末、溶液中的毒品，是现场快速鉴定的有效方式。但其局限性在于不能探测混合物，对溶液的浓度有要求，对有色物体的检测不够精准。傅里叶变换红外光谱法不仅能确定物证材料的各种化学成分，在分析检测工作中还可结合扫描电镜等其他仪器分析法对有关毒品样品进行分析鉴定，并提供准确的数据和分析结论。与传统的仪器相比，傅里叶红外光谱仪具有快速、高信噪比和高分辨率等特点。然而目前的傅里叶红外光谱仪在测定样品时，样品在一起内部，放置时不容易操作，影响检测效率。

技术实现要素：

基于此，本发明提供一种基于红外光谱的毒品滥用微传感器，利用广谱红外光谱和热释电效应对毒品进行快速、灵敏的检测，以有效解决现有技术存在的问题。

一种基于红外光谱的毒品滥用微传感器，包括：广谱红外发射器、线性红外频谱传感器、红外反射腔、微传感器基座、样品涂覆区组成。

红外反射腔和微传感器基座均由硅材料制成，组成微传感器的整体框架。微传感器基座分为上基座和下基座，下基座有两个空腔，一个放置广谱红外发射器，另一个放置广谱红外吸收器和探测器；红外反射腔位于上基座中央，并且与两侧的上基座部分形成V形槽；样品涂覆区位于红外反射腔的一个反射面上；线性红外频谱传感器由广谱红外吸收器和探测器组成，接收通过红外反射腔的广谱红外光，转换成可读取的电信号。

线性红外频谱传感器中的广谱红外吸收器，由滤光器和广谱吸收层阵列组成。滤光器由楔形薄膜构成，楔形薄膜的上下表面构成法布里-玻罗干涉腔，由于其各个位置的薄膜厚度不同，各个位置能透射不同波长的红外光；广谱吸收层阵列位于滤光器的下方，由多个广谱吸收层组成，用于吸收不同波长的红外光。

探测器由位于广谱吸收层阵列同水平面的一侧，由热释电元件阵列组成，每个热释电元件有一个热电堆，每一个热电堆由一组或多组n型和p型多晶硅构成的热电偶组成，n型和p型多晶硅的一端与广谱吸收层接触，另一端形成开路通过外部电路检测温差电动势。每一个热电堆由一块二氧化硅悬梁承载。

一种基于红外光谱的毒品滥用微传感器，其工作方式如下：广谱红外发射器发射的初始广谱红外光进入红外反射腔内，并且在红外反射腔内多次全反射传输，再通过线性红外频谱传感器进行探测。其中广谱红外光在红外腔内多次全反射传输时，样品涂覆区中的毒品成分对广谱红外光的特定波长进行吸收，因此从广谱红外吸收腔出射的广谱红外光在这一波长处的强度小于初始广谱红外光。出射的广谱红外光照射在滤光器上，由于楔形薄膜构成的法布里-玻罗干涉腔的腔长是线性变化的，透过的红外光的波长也随着腔长的变化也线性变化，因此广谱吸收层阵列中的各个光谱吸收层吸收到的是不同波长的红外光。广谱吸收层吸收红外光之后造成其温度的升高，由于塞贝克效应使热电堆产生温差电动势，通过外部电路探测电压值。由于广谱吸收层的温度升高量与吸收对应波长的红外光总能量正相关，将探测到的广谱红外光谱信息与初始广谱红外光谱信息对比，得到被样品涂覆区内的毒品吸收红外光的波长以及吸收强度，通过波长和吸收强度信息判断出毒品的成分以及浓度。

本发明的有益效果是，本发明由MEMS工艺制造，其体积小，方便检测人员随身携带；精度高，可通过精确分析经样品吸收后的红外广谱来精确测定待检测物的浓度；能耗低，可长时间使用；同时，还对样品具有无损、快速检测的特点，性能稳定、可靠性高、使用寿命长。

附图说明

图1为基于红外光谱的毒品滥用微传感器的整体结构截面图。

图2为线性红外频谱传感器的结构侧视图。

图3为线性红外频谱传感器的结构俯视图。

图4位热释电元件的结构俯视图。

具体实施方式

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的一种基于红外光谱的毒品滥用微传感器，如图1所示，包括微传感器基座1、红外反射腔3、广谱红外发射器5、线性红外频谱传感器、样品涂覆区4组成，其中线性红外频谱传感器由广谱红外吸收器6和探测器7组成。

微传感器基座1由硅材料制成，上下两表面涂覆二氧化硅薄膜2，其中下基座的上表面二氧化硅薄膜上和探测器7的上表面被一层氮化铝薄膜10覆盖；红外反射腔3的上反射面为样品涂覆区4，下表面有二氧化硅薄膜2和金属薄膜11；位于红外反射腔3的两侧各有一个未覆盖金属薄膜11的开口，即红外入射窗口8和红外出射窗口9，其中红外入射窗口8下方的空腔中放置广谱红外发射器5，红外出射窗口9下方的空腔中放置线性红外频谱传感器的广谱红外吸收器6；探测器7位于广谱红外吸收器6的侧面。

线性红外频谱传感器如图2和3所示，包括滤光器12、广谱吸收层15阵列、热释电元件16阵列、基座14和隔离层13，其中滤光器12和广谱吸收层15阵列构成广谱红外吸收器6，热释电元件16阵列构成探测器7。其中，滤光器是一种楔形薄膜，其最厚处为5 μm，最窄处为1 μm；广谱吸收层15能够吸收整个红外波段；基座14中央有一个方形孔洞17。

热释电元件16如图4所示，包括悬梁18、n型多晶硅19和p型多晶硅20。悬梁18由二氧化硅构成。n型多晶硅19和p型多晶硅20组成一组热电偶，且n型多晶硅19和p型多晶硅20的一端与广谱吸收层15接触。热释电元件16悬于方形孔洞17之上。

基于红外光谱的毒品滥用微传感器的工作原理如下：在样品涂覆区4中涂覆含有毒品的血液样本、尿液样本、或者唾液样本；广谱红外发射器5发射的广谱红外光通过红外入射窗口8进入红外吸收腔3，在红外吸收腔3内全反射传输；在样品涂覆区4中的毒品成分对广谱红外光的某一特定波长进行吸收，并且毒品成分浓度越高，吸收的强度越强，从红外出射窗口9出射的红外光谱与广谱红外发射器5发射的光谱红外光谱相比在被吸收波长处的强度有所不同；从红外出射窗口9出射的红外光通过广谱红外吸收器6吸收，再通过探测器7进行探测。

具体的，广谱红外吸收器6中，滤光器12由一层楔形薄膜构成，其上下表面形成一个法布里-玻罗干涉腔，由于其各个位置的薄膜厚度不一样，各个位置透射的红外光波长也不一样，以至于在滤光器12下方的各个广谱吸收层15所吸收的红外光波长不一样，且沿着广谱吸收层15阵列排列方向，吸收的红外光波长线性变化。广谱吸收层15由黑金构成，吸收红外光之后，造成其温度的升高，温度升高量与所吸收的红外光强度成正比。广谱吸收层15温度升高引起n型多晶硅19和p型多晶硅20与之接触一端（热端）温度升高，与热电偶的另一端（冷端）形成温度差，由于赛贝克效应，在热电偶的冷端产生温差电动势，通过外部仪器探测此温差电动势。温差电动势的大小对应广谱吸收层15的温度升高量，也即是吸收的红外光的强度。将各个热电偶产生的温差电动势还原到对应的广谱红外光谱上，得到被吸收的广谱红外光谱信息。与广谱红外发射器5发射的广谱红外光谱对比，得到被吸收的红外光谱的波长和被吸收强度，通过此信息判断出样品涂覆区4中毒品的成分和含量。

特别的，热释电元件16可由一组热电偶或多组热电偶组成的热电堆构成，热电堆的温差电动势是多个热电偶的温差电动势之和。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。