一种基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪

摘要

本发明涉及一种基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪,包括迈克尔逊干涉仪、信号采集处理器和光电探测器，迈克尔逊干涉仪包括光源、第一分光镜、第二分光镜、MEMS微镜和静镜，它们彼此之间通过连接对样品实现扫描。本发明设计的基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪实现了结构的微型化，提高了设备的便携型，能够保证MEMS微镜的线性移动，而且降低了整个设备的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪。

背景技术

光谱仪通过对光信息的抓取、照相底片的显影，或电脑化自动显示数值仪器的显示和分析，从而测知物品中含有何种元素，这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等检测当中。

目前傅里叶变换型光谱仪主要由光源、迈克尔逊干涉仪和检测器组成。而傅里叶变换红外光谱仪的核心部分是迈克尔逊干涉仪，把样品放在检测器前，由于样品对某些频率的红外光产生吸收，使检测器接受到的干涉光强度发生变化，从而得到各种不同样品的干涉图。这种干涉图是光随着动镜的移动距离而产生的变化曲线，借助傅里叶变换函数可得到光强随频率变化的频域图，这个过程可由计算机完成。但是由于该设计中涉及到动镜或者叫做线性移动平台，它主要依靠步进电机或者其他精密机械系统，所以仪器的便携性受到限制，无法实现户外实时的检测，因此动镜的小型化是解决傅里叶变换光谱仪的小型化的关键。

微机电系统（MEMS）技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米。采用与集成电路类似的生成技术，可大量利用集成电路生产中的成熟技术和工艺 ，进行大批量、低成本地生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够很好的小型化，并且能够保证动镜线性移动的基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪、信号采集处理器和光电探测器；迈克尔逊干涉仪包括光源、第一分光镜、第二分光镜、动镜和静镜，其中光源射出的光束通过第一分光镜射到样品上，经样品反射的光束经第一分光镜射到第二分光镜上，第二分光镜将光束分为两路，一路射到静镜面上，一路射到动镜面上，经静镜、动镜反射后的两束光在第二分光镜处汇合形成迈克尔逊干涉光路；迈克尔逊干涉光路信号被射到光电探测器上，光电探测器将光信号转化为电信号输送至信号采集处理器中，通过傅立叶变换对包含样品信息的光谱进行复原，分析光谱得到样品信息，同时，信号采集处理器的输出端与动镜的控制端连接，所述动镜是MEMS微镜。

作为本发明的一种优选技术方案：所述MEMS微镜是MEMS电热驱动微镜。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括光电位置探测器和第三分光镜，所述迈克逊干涉仪射出的迈克逊干涉光路被射到第三分光镜上，第三分光镜将迈克尔逊干涉光路分成两路，一路包含样品信息的干涉光信号被射到光电探测器上，另一路包含MEMS微镜运动信息的光路被射到光电位置探测器上，光电位置探测器将光信号转化为电信号传输至信号采集处理器中，信号采集处理器根据接收到的信号控制MEMS微镜进行线性移动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第三分光镜是双色分光镜。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光电位置探测器是四象限光电位置探测器。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括微光学基座，所述迈克尔逊干涉仪、信号采集处理器、光电探测器、光电位置探测器和第三分光镜设置在微光学基座上。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微光学基座的衬底为单晶硅片。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微光学基座的衬底为SOI硅片，其中SOI 硅片包含两层硅和一层二氧化硅，二氧化硅夹在两层硅之间。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微光学基座采用如下加工工艺得到：

（1）对SOI硅片进行双面标准清洗；

（2）在SOI硅片的其中一表面上沉淀一层金属；

（3）对SOI硅片上的金属层的表面进行甩胶、曝光、显影；

（4）对金属层腐蚀，得到引线，并去胶；

（5）对SOI硅片上引线所在面进行甩胶、曝光、显影；

（6）采用干法刻蚀技术刻蚀安装槽，直到刻蚀到二氧化硅层为止，并去胶。

本发明所述一种基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）采用微光学基座的设计，使得设备中光学元器件设置更加紧凑，实现了结构的微型化，提高了设备的便携型；

（2）利用MEMS微镜与反馈控制，保证了MEMS微镜的线性移动；

（3）MEMS微镜利用半导体技术批量生产，单个器件成本低，进而降低了整个设备的成本。

附图说明

图1为本发明的数据处理流程图；

图2为本发明的三维图；

图3为本发明中MEMS电热驱动微镜的示意图；

图4为本发明中微光学基座加工工艺中步骤（1）的示意图；

图5为本发明中微光学基座加工工艺中步骤（2）的示意图；

图6为本发明中微光学基座加工工艺中步骤（3）的示意图；

图7为本发明中微光学基座加工工艺中步骤（4）的示意图；

图8为本发明中微光学基座加工工艺中步骤（5）的示意图；

图9为本发明中微光学基座加工工艺中步骤（6）的示意图；

1.光源，2.第一分光镜，3.样品，4.第二分光镜，5.第三分光镜，6.MEMS电热驱动微镜，7.静镜，8.光电探测器，9.光电位置探测器，10.微光学基座，11.支撑臂，12.驱动臂，13.镜面，14.硅层，15.二氧化硅层，16.金属层，17.引线，18.安装槽，19.光刻胶，20.信号采集处理器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明设计了一种基于微机电系统动镜的傅里叶变换微光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪、信号采集处理器和光电探测器；迈克尔逊干涉仪包括光源、第一分光镜、第二分光镜、动镜和静镜，其中光源射出的光束通过第一分光镜射到样品上，经样品反射的光束经第一分光镜射到第二分光镜上，第二分光镜将光束分为两路，一路射到静镜面上，一路射到动镜面上，经静镜、动镜反射后的两束光在第二分光镜处汇合形成迈克尔逊干涉光路；迈克尔逊干涉光路信号被射到光电探测器上，光电探测器将光信号转化为电信号输送至信号采集处理器中，通过傅立叶变换对包含样品信息的光谱进行复原，分析光谱得到样品信息，同时，信号采集处理器的输出端与动镜的控制端连接，所述动镜是MEMS微镜。

MEMS微镜的驱动方式有电热驱动方式和静电驱动方式等，作为本发明的一种优选技术方案：所述MEMS微镜采用了MEMS电热驱动微镜，其中，国外专利[WO2004US13171; WO2004099629A2]公开了一种MEMS电热驱动微镜，如图3所示，由一个镜面和四个驱动臂构成的微机电系统，其中驱动臂对称分布，每个驱动臂由多层材料构成。驱动臂中包含电热元件，施加电流使驱动臂温度升高，然后利用双层材料的热膨胀差导致平面外的运动，从而推动镜面运动，如果四个驱动臂施加同样的电流，便可以推动镜面Z向运动，配合反馈控制方式实现动镜的线性移动。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括光电位置探测器和第三分光镜，所述迈克逊干涉仪射出的迈克逊干涉光路被射到第三分光镜上，第三分光镜将迈克尔逊干涉光路分成两路，一路包含样品信息的干涉光信号被射到光电探测器上，另一路包含MEMS微镜运动信息的光路被射到光电位置探测器上，光电位置探测器将光信号转化为电信号传输至信号采集处理器中，信号采集处理器根据接收到的信号控制MEMS微镜进行线性移动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第三分光镜是双色分光镜，它可将光源光和信号光分开成两路。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光电位置探测器是四象限光电位置探测器，四象限光电位置探测器实际上是由四个光电位置探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像。四象限光电探测器测角与定位技术利用四个光电探测器合理的布局，构造出光斑大小随目标倾角变化关系，从而达到对于角度的测量。四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同。通过比较四个光电信号的幅度大小不仅可以知道目标成像在哪个象限上，而且可推算出光束的入射角度。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括微光学基座，所述迈克尔逊干涉仪、信号采集处理器、光电探测器、光电位置探测器和第三分光镜设置在微光学基座上。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微光学基座的衬底为单晶硅片。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微光学基座的衬底为SOI硅片，其中SOI 硅片包含两层硅和一层二氧化硅，二氧化硅夹在两层硅之间。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微光学基座采用如下加工工艺得到：

（1）如图4所示，对SOI硅片进行双面标准清洗；

（2）如图5所示，在SOI硅片的其中一表面上沉淀一层金属；

（3）如图6所示，对SOI硅片上的金属层的表面进行甩胶、曝光、显影；

（4）如图7所示，对金属层腐蚀，得到引线，并去胶；

（5）如图8所示，对SOI硅片上引线所在面进行甩胶、曝光、显影；

（6）如图9所示，采用干法刻蚀技术刻蚀安装槽，直到刻蚀到二氧化硅层为止，并去胶。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。