MOEMS电磁式集成扫描光栅微镜的设计与实验研究

摘要

近红外光谱仪是一种非接触、无需样品前处理，可定性、定量检测物质组分与含量的重要检测装备。论文针对高性能、低成本微型近红外光谱仪的迫切需求，开展具有分光、扫描与角度传感功能的MOEMS集成扫描光栅微镜设计与实验研究，具有重要的科学意义与应用需求。本文针对MOEMS扫描光栅微镜的光栅衍射效率、微镜扫描精度控制与光谱准确采集等关键技术问题，提出了一种将闪耀光栅、扫描微镜与角传感器一体化三维集成的MOEMS扫描光栅微镜新结构；研究了闪耀光栅、MOEMS扫描微镜驱动和角传感器的相关理论；分析了影响闪耀光栅分辨能力与衍射效率等性能的主要因素，利用光栅仿真软件完成了闪耀光栅主要性能参数的优化设计；研究了MOEMS扫描微镜机械特性和角传感器输出性能，基于有限元分析软件，进行了MOEMS扫描微镜结构参数优化与稳定性、可靠性分析；完成了MOEMS扫描光栅微镜的微加工工艺流程、掩膜版图与封装设计，研制出了MOEMS扫描光栅微镜原理样机，并进行了样机芯片主要结构参数的测试与分析，测试结果与设计指标基本一致。　　本研究主要内容包括：①研究分析了MOEMS扫描光栅微镜的国内外研究现状以及存在的关键技术问题，确定了论文的研究目标与内容；②提出了将闪耀光栅、扫描微镜、角传感器一体化三维集成的MOEMS扫描光栅微镜新结构；研究了闪耀光栅的光学特性和电磁式扫描微镜、角传感器的工作原理；建立了 MOEMS扫描微镜扭转动力学模型以及角传感理论模型，分析了影响扫描微镜和角传感器机电性能的主要因素；③基于MOEMS扫描光栅微镜的相关理论模型，完成了闪耀光栅光学特性、电磁式扫描微镜、角传感器结构参数的仿真与优化；研究了永磁体磁场分布情况；确定了MOEMS扫描光栅微镜的结构参数；④研究了MOEMS扫描光栅微镜的关键加工技术，完成了微加工工艺流程、光刻掩膜版与器件封装设计，研制出了MOEMS扫描光栅微镜原理样机，并完成了样机芯片主要结构参数的测试分析，测试结果与设计值基本一致。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标与研究内容

1.4 本章小结

2 MOEMS集成扫描光栅微镜结构与理论分析

2.1 MOEMS集成扫描光栅微镜新结构与工作原理

2.2 闪耀光栅光学特性

2.3 MOEMS扫描微镜动力学模型

2.4 电磁角度传感器理论模型

2.5 本章小结

3 MOEMS集成扫描光栅微镜结构参数优化设计

3.1 闪耀光栅光学特性优化设计

3.2 MOEMS扫描微镜结构优化设计与性能分析

3.3 电磁角度传感器优化设计

3.4 永磁体磁场分析与尺寸优化

3.5 本章小结

4 MOEMS集成扫描光栅微镜的加工与测试

4.1 MOEMS扫描光栅微镜关键加工技术

4.2 MOEMS扫描光栅微镜工艺流程

4.3 MOEMS扫描光栅微镜版图设计

4.4 MOEMS扫描光栅微镜结构测试

4.5 MOEMS扫描光栅微镜封装设计

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1论文主要工作总结

5.2进一步工作与展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表论文