一種基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器的制作方法

本發明涉及毒品檢測技術領域，特別是一種基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器。

背景技術：

毒品不僅危害人們的身心健康，而且會引發一系列的社會問題，例如犯罪率上升，性病和艾滋病蔓延等等，嚴重威脅著許多國家和地區的社會穩定和經濟發展。跨國、跨區域乃致國際化的毒品犯罪愈發頻繁，國際社會所面臨的毒品問題日益嚴峻。準確的毒品檢測對打擊毒品犯罪、偵破毒品案件、遏制毒品蔓延具有非常重要的意義。

在毒品檢測和毒品分析方面，國內外學者都嘗試研究了很多方法，其中應用比較廣泛的有色譜、質譜、紫外光譜、毛細管電泳、紅外光譜、X射線、光譜分析法、生化及生物檢測法、離子遷移譜技術及其他物理方法等。但是這些方法自身都有一定的局限性，例如化學分析、紫外光譜、紅外光譜及X射線對樣品都有一定程度的破壞，屬于有損檢測；X射線及紫外光譜對人體會有輻射危害。

光譜分析法是利用不同毒品的特征吸收光譜，研究其結構或測定化學成分的方法。在毒品檢測種主要運用的光譜技術包括傅里葉變換紅外光譜法、太赫茲時域光譜技術、拉曼光譜技術等。太赫茲時域光譜技術能夠確定毒品純度和有效成分含量，但目前太赫茲檢測技術還不成熟，在應用上還有些困難需要解決，例如：如何消除雜質或自身結構形變造成的光譜偽像；空氣中水蒸氣對太赫茲強烈吸收，如何實現有效傳輸，而且遠距離探測還要考慮煙霧、塵埃等影響。拉曼光譜技術利用毒品具有相當豐富的拉曼特征位移峰的特征進行分析，此技術對樣品具有無損、快速、量小、無需制備等特點，能快速識別隱藏于各種粉末、溶液中的毒品，是現場快速鑒定的有效方式。但其局限性在于不能探測混合物，對溶液的濃度有要求，對有色物體的檢測不夠精準。傅里葉變換紅外光譜法不僅能確定物證材料的各種化學成分，在分析檢測工作中還可結合掃描電鏡等其他儀器分析法對有關毒品樣品進行分析鑒定，并提供準確的數據和分析結論。與傳統的儀器相比，傅里葉紅外光譜儀具有快速、高信噪比和高分辨率等特點。然而目前的傅里葉紅外光譜儀在測定樣品時，樣品在一起內部，放置時不容易操作，影響檢測效率。

技術實現要素：

基于此，本發明提供一種基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器，利用廣譜紅外光譜和熱釋電效應對毒品進行快速、靈敏的檢測，以有效解決現有技術存在的問題。

一種基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器，包括：廣譜紅外發射器、線性紅外頻譜傳感器、紅外反射腔、微傳感器基座、樣品涂覆區組成。

紅外反射腔和微傳感器基座均由硅材料制成，組成微傳感器的整體框架。微傳感器基座分為上基座和下基座，下基座有兩個空腔，一個放置廣譜紅外發射器，另一個放置廣譜紅外吸收器和探測器；紅外反射腔位于上基座中央，并且與兩側的上基座部分形成V形槽；樣品涂覆區位于紅外反射腔的一個反射面上；線性紅外頻譜傳感器由廣譜紅外吸收器和探測器組成，接收通過紅外反射腔的廣譜紅外光，轉換成可讀取的電信號。

線性紅外頻譜傳感器中的廣譜紅外吸收器，由濾光器和廣譜吸收層陣列組成。濾光器由楔形薄膜構成，楔形薄膜的上下表面構成法布里-玻羅干涉腔，由于其各個位置的薄膜厚度不同，各個位置能透射不同波長的紅外光；廣譜吸收層陣列位于濾光器的下方，由多個廣譜吸收層組成，用于吸收不同波長的紅外光。

探測器由位于廣譜吸收層陣列同水平面的一側，由熱釋電元件陣列組成，每個熱釋電元件有一個熱電堆，每一個熱電堆由一組或多組n型和p型多晶硅構成的熱電偶組成，n型和p型多晶硅的一端與廣譜吸收層接觸，另一端形成開路通過外部電路檢測溫差電動勢。每一個熱電堆由一塊二氧化硅懸梁承載。

一種基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器，其工作方式如下：廣譜紅外發射器發射的初始廣譜紅外光進入紅外反射腔內，并且在紅外反射腔內多次全反射傳輸，再通過線性紅外頻譜傳感器進行探測。其中廣譜紅外光在紅外腔內多次全反射傳輸時，樣品涂覆區中的毒品成分對廣譜紅外光的特定波長進行吸收，因此從廣譜紅外吸收腔出射的廣譜紅外光在這一波長處的強度小于初始廣譜紅外光。出射的廣譜紅外光照射在濾光器上，由于楔形薄膜構成的法布里-玻羅干涉腔的腔長是線性變化的，透過的紅外光的波長也隨著腔長的變化也線性變化，因此廣譜吸收層陣列中的各個光譜吸收層吸收到的是不同波長的紅外光。廣譜吸收層吸收紅外光之后造成其溫度的升高，由于塞貝克效應使熱電堆產生溫差電動勢，通過外部電路探測電壓值。由于廣譜吸收層的溫度升高量與吸收對應波長的紅外光總能量正相關，將探測到的廣譜紅外光譜信息與初始廣譜紅外光譜信息對比，得到被樣品涂覆區內的毒品吸收紅外光的波長以及吸收強度，通過波長和吸收強度信息判斷出毒品的成分以及濃度。

本發明的有益效果是，本發明由MEMS工藝制造，其體積小，方便檢測人員隨身攜帶；精度高，可通過精確分析經樣品吸收后的紅外廣譜來精確測定待檢測物的濃度；能耗低，可長時間使用；同時，還對樣品具有無損、快速檢測的特點，性能穩定、可靠性高、使用壽命長。

附圖說明

圖1為基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器的整體結構截面圖。

圖2為線性紅外頻譜傳感器的結構側視圖。

圖3為線性紅外頻譜傳感器的結構俯視圖。

圖4位熱釋電元件的結構俯視圖。

具體實施方式

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明所述的一種基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器，如圖1所示，包括微傳感器基座1、紅外反射腔3、廣譜紅外發射器5、線性紅外頻譜傳感器、樣品涂覆區4組成，其中線性紅外頻譜傳感器由廣譜紅外吸收器6和探測器7組成。

微傳感器基座1由硅材料制成，上下兩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測器7的上表面被一層氮化鋁薄膜10覆蓋；紅外反射腔3的上反射面為樣品涂覆區4，下表面有二氧化硅薄膜2和金屬薄膜11；位于紅外反射腔3的兩側各有一個未覆蓋金屬薄膜11的開口，即紅外入射窗口8和紅外出射窗口9，其中紅外入射窗口8下方的空腔中放置廣譜紅外發射器5，紅外出射窗口9下方的空腔中放置線性紅外頻譜傳感器的廣譜紅外吸收器6；探測器7位于廣譜紅外吸收器6的側面。

線性紅外頻譜傳感器如圖2和3所示，包括濾光器12、廣譜吸收層15陣列、熱釋電元件16陣列、基座14和隔離層13，其中濾光器12和廣譜吸收層15陣列構成廣譜紅外吸收器6，熱釋電元件16陣列構成探測器7。其中，濾光器是一種楔形薄膜，其最厚處為5 μm，最窄處為1 μm；廣譜吸收層15能夠吸收整個紅外波段；基座14中央有一個方形孔洞17。

熱釋電元件16如圖4所示，包括懸梁18、n型多晶硅19和p型多晶硅20。懸梁18由二氧化硅構成。n型多晶硅19和p型多晶硅20組成一組熱電偶，且n型多晶硅19和p型多晶硅20的一端與廣譜吸收層15接觸。熱釋電元件16懸于方形孔洞17之上。

基于紅外光譜的毒品濫用微傳感器的工作原理如下：在樣品涂覆區4中涂覆含有毒品的血液樣本、尿液樣本、或者唾液樣本；廣譜紅外發射器5發射的廣譜紅外光通過紅外入射窗口8進入紅外吸收腔3，在紅外吸收腔3內全反射傳輸；在樣品涂覆區4中的毒品成分對廣譜紅外光的某一特定波長進行吸收，并且毒品成分濃度越高，吸收的強度越強，從紅外出射窗口9出射的紅外光譜與廣譜紅外發射器5發射的光譜紅外光譜相比在被吸收波長處的強度有所不同；從紅外出射窗口9出射的紅外光通過廣譜紅外吸收器6吸收，再通過探測器7進行探測。

具體的，廣譜紅外吸收器6中，濾光器12由一層楔形薄膜構成，其上下表面形成一個法布里-玻羅干涉腔，由于其各個位置的薄膜厚度不一樣，各個位置透射的紅外光波長也不一樣，以至于在濾光器12下方的各個廣譜吸收層15所吸收的紅外光波長不一樣，且沿著廣譜吸收層15陣列排列方向，吸收的紅外光波長線性變化。廣譜吸收層15由黑金構成，吸收紅外光之后，造成其溫度的升高，溫度升高量與所吸收的紅外光強度成正比。廣譜吸收層15溫度升高引起n型多晶硅19和p型多晶硅20與之接觸一端（熱端）溫度升高，與熱電偶的另一端（冷端）形成溫度差，由于賽貝克效應，在熱電偶的冷端產生溫差電動勢，通過外部儀器探測此溫差電動勢。溫差電動勢的大小對應廣譜吸收層15的溫度升高量，也即是吸收的紅外光的強度。將各個熱電偶產生的溫差電動勢還原到對應的廣譜紅外光譜上，得到被吸收的廣譜紅外光譜信息。與廣譜紅外發射器5發射的廣譜紅外光譜對比，得到被吸收的紅外光譜的波長和被吸收強度，通過此信息判斷出樣品涂覆區4中毒品的成分和含量。

特別的，熱釋電元件16可由一組熱電偶或多組熱電偶組成的熱電堆構成，熱電堆的溫差電動勢是多個熱電偶的溫差電動勢之和。

盡管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。