專利名稱：一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的微型光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜測量儀，尤其是特別涉及一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的微型光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜學(xué)是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強(qiáng)度的一種技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如顏色測量、化學(xué)成份的濃度檢測或電磁輻射分析等。傳統(tǒng)光譜測量儀由眾多光學(xué)、電學(xué)與機(jī)械等分立器件組成，需要極其復(fù)雜的光路系統(tǒng)與精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了整個儀器的可靠性，對儀器工作、存放環(huán)境也有著嚴(yán)格的要求，限制了對其更加廣泛的應(yīng)用。特別是針對在線(現(xiàn)場)光譜測量的應(yīng)用需求，傳統(tǒng)光譜儀無力解決，開發(fā)微型化光譜儀已成為當(dāng)前一大研究熱點。
隨著科技的進(jìn)步，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)已取得了迅猛的發(fā)展。眾多基于MEMS技術(shù)的新型器件亦已嶄露頭角，其與傳統(tǒng)器件相比具有許多優(yōu)勢，如體積小、功耗低、靈敏度高、重復(fù)性好、易批量生產(chǎn)、成本低、加工工藝穩(wěn)定等。采用MEMS技術(shù)制作光譜儀已成為光譜儀開發(fā)的主流技術(shù)之一。
S.H.Kong等(Infrared micro-spectrometer based on a diffraction grating，見Sensors and Actuators A，2001，9288-95)于2001年提出采用MEMS技術(shù)將黑白衍射光柵和熱電堆探測器集成制作了一體化光柵光譜儀。
李鐵等(200610027341.3，CN1865923A，2006年12月22日)提出的基于閃耀光柵和熱堆探測器的微型光譜儀的結(jié)構(gòu)中，也利用了MEMS技術(shù)將不同功能器件堆疊在一起。
這些設(shè)想都試圖利用MEMS技術(shù)制作出一體化光譜儀，但只停留于理論探討階段，實際器件制作成本過高，市場競爭力小。
溫志渝等(200610070845.3，CN1831517A，2006年9月13日)提出利用脈沖紅外光源與掃描微鏡制作紅外光譜儀。該結(jié)構(gòu)適用于紅外光譜范圍，而對紫外、可見、近紅外等光譜波段的實現(xiàn)方式未有提及；其光路系統(tǒng)采用折疊結(jié)構(gòu)，衍射光與入射光共用同一光路，增加了實際光路設(shè)計的難度與復(fù)雜度，并且信號噪聲大，影響了光譜分辨率，因此該方案的應(yīng)用范圍有限。
本發(fā)明利用MEMS器件與新型光路結(jié)構(gòu)，設(shè)計出具有良好適用性的微型光譜儀，光路結(jié)構(gòu)簡單，可適用于各個光譜波段，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)代工業(yè)對光譜分析儀微型化、集成化的要求，提出了一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的微型光譜分析儀的設(shè)計，采用基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的光電器件，并設(shè)計出一種新型光路結(jié)構(gòu)，能克服現(xiàn)有的微型光譜儀折疊結(jié)構(gòu)光路系統(tǒng)設(shè)計存在的信號噪聲大、光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，并且本發(fā)明的微型光譜儀適用的光譜范圍廣，使用靈活，便于攜帶。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的微型光譜儀，包括光纖連接器(1)、入射狹縫(2)、反射鏡(3)、閃耀光柵(4)、聚焦鏡(5)和探測器(6)；待測光信號由光纖連接器(1)接入光譜儀，入射狹縫(2)位于光纖連接器(1)后部，光信號經(jīng)由入射狹縫(2)入射到反射鏡(3)上，反射鏡(3)反射光信號至閃耀光柵(4)，閃耀光柵(4)將入射復(fù)色光分解成不同波長的單色光，單色光入射到聚焦鏡(5)上，由聚焦鏡(5)會聚并反射至探測器(6)上，探測器(6)放置于聚焦鏡(5)的會聚焦點處，探測器(6)測量接收的單色光強(qiáng)度；反射鏡(3)的鏡面(8)作周期性運(yùn)動，使得入射復(fù)色光在閃耀光柵(4)上的入射角度和各單色光的空間排列位置呈周期性變化，各種波長的單色光經(jīng)聚焦鏡(5)會聚后，依次進(jìn)入探測器(6)中，實現(xiàn)全光譜的掃描。
根據(jù)本發(fā)明，外部光纖將待測光信號傳至光纖連接器，光信號通過入射狹縫進(jìn)入儀器內(nèi)部，入射狹縫緊靠光纖連接器后部。本發(fā)明使用光纖連接器和入射狹縫將待測光信號引入光譜儀內(nèi)部，有效避免環(huán)境雜散光進(jìn)入儀器內(nèi)，而且改變光纖管芯直徑與狹縫寬度可調(diào)節(jié)入射光束的寬度，提高儀器的光學(xué)分辨率。
經(jīng)光纖連接器和入射狹縫進(jìn)入光譜儀的待測光信號，入射至反射鏡，并經(jīng)由反射鏡將入射光反射至閃耀光柵上。反射鏡的鏡面可以在控制下移動，閃耀光柵為色散元件，完成分光作用。反射鏡與閃耀光柵相結(jié)合，完成對于待測光信號在其光譜范圍內(nèi)各波長上的分光和掃描。
本發(fā)明所涉及的反射鏡的鏡面可以發(fā)生運(yùn)動。在外加電源信號激勵下，反射鏡(3)的鏡面(8)發(fā)生運(yùn)動，其運(yùn)動頻率、幅度與模式由外加信號控制。當(dāng)反射鏡轉(zhuǎn)動至某一鏡面角度時，反射至閃耀光柵的光信號經(jīng)閃耀光柵分光后，只有特定波長的單色光能夠經(jīng)聚焦鏡會聚后進(jìn)入探測器中。該特定的波長值取決于反射鏡面角度值。控制反射鏡的鏡面作周期性運(yùn)動，將可以使各種不同波長的單色光依次進(jìn)入探測器中，實現(xiàn)對待測光信號的全譜線掃描。
本發(fā)明所涉及的反射鏡采用MEMS技術(shù)制作而成，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)以半導(dǎo)體工藝為主進(jìn)行制造，其主要原料包含但不僅限于硅、含硅化合物、金屬等。利用MEMS技術(shù)制作反射鏡等器件在現(xiàn)代工業(yè)中已得到了許多應(yīng)用。在光通訊行業(yè)中，已出現(xiàn)了微鏡反射型MEMS光開關(guān)產(chǎn)品，如美國德州儀器(Texas Instruments)公司生產(chǎn)的用于投影裝置的數(shù)字微鏡陣列(DMD)；美國朗訊公司研制的基于MEMS光學(xué)開關(guān)的新路由器等等。本發(fā)明中，所述的反射鏡，包括但不限于，靜電驅(qū)動式反射鏡和電磁驅(qū)動式反射鏡。
在現(xiàn)有技術(shù)中，靜電驅(qū)動式反射鏡一般由一個高反射率平面鏡、懸臂梁、一對背電極和外部框架組成，如圖2、圖3所示。通過改變平面鏡與背電極對之間的電壓，可使懸浮的平面鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度由電壓值控制。
如圖4所示，電磁驅(qū)動式反射鏡由一個高反射率平面鏡、懸臂梁、金屬線圈、外部永磁體組成，其制作工藝使用硅深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)和氫氧化鉀各向異性腐蝕技術(shù)。平面鏡與線圈處于永磁體磁場內(nèi)，當(dāng)線圈通電時，產(chǎn)生的磁場力帶動平面鏡偏轉(zhuǎn)，線圈中的電流強(qiáng)度控制平面鏡偏轉(zhuǎn)角度。
為提高反射鏡的反射效率，在反射鏡表面覆蓋一層高反射率的薄膜，包括但不限于金屬Ag、Au、Al膜。
反射鏡將入射光反射至閃耀光柵上，由閃耀光柵完成對于待測光信號的分光，即閃耀光柵作為色散元件，將入射的復(fù)色光分解成其光譜范圍內(nèi)的各種波長的單色光，使不同波長的單色光在空間上分散排列。各種波長的單色光的分布位置取決于光柵屬性和原始入射光束寬度。為提高閃耀光柵(4)的分光性能，還可以在其表面覆蓋高反射率的薄膜，薄膜種類，包括但不僅限于金屬Ag、Au、Al膜。
閃耀光柵分解后的單色光形成一定的空間分布，只有特定波長的單色光能反射至聚焦鏡上，由聚焦鏡會聚單色光并反射至探測器上，探測器放置于聚焦鏡的會聚焦點處。探測器測量出接收單色光強(qiáng)度。
本發(fā)明所涉及的光路系統(tǒng)中，只有反射鏡的鏡面可發(fā)生運(yùn)動，其余器件均固定。因此當(dāng)反射鏡保持某一鏡面角度時，只有特定波長的單色光才能進(jìn)入探測器中。控制反射鏡鏡面作周期性運(yùn)動，可使不同波長的單色光依次進(jìn)入探測器中，實現(xiàn)對待測光信號的全譜線掃描。
本發(fā)明所述的探測器可以采用現(xiàn)有技術(shù)中通用的任何具有光電轉(zhuǎn)化功能的探測器。根據(jù)實際應(yīng)用場合下具體檢測波段的要求，改變探測器，即可實現(xiàn)對不同波段的待測光信號的光譜測量功能，例如在近紅外波段，可選用銦鎵砷探測器，紅外波段可用碲鎘汞探測器。探測器種類，包括但不僅限于，光電二極管(Photo Diode)、電荷耦合器件(CCD)，銦鎵砷探測器(InGaAs Detector)，碲鎘汞探測器(HgCdTe Detector)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(CMOS Image Sensor)等。
本發(fā)明所涉及的光學(xué)系統(tǒng)需要光學(xué)器件數(shù)量少，并且采用了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)異。
本發(fā)明所涉及的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，器件少、光程短，衍射光與入射光空間上相互分離，兩者之間不產(chǎn)生干涉或串?dāng)_等問題，測量噪聲低，光譜分辨率高。
本發(fā)明實現(xiàn)了一種光譜范圍廣，使用靈活，便于攜帶的微型光譜儀。這種微型光譜儀具有大型光譜儀所不具備的優(yōu)點，如重量輕、便于攜帶、使用方便以及成本低廉等，可以應(yīng)用于實驗室化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)檢驗、工業(yè)監(jiān)測、航空航天遙感等領(lǐng)域。尤其是對于煤礦、油井等危險系數(shù)較高的場所，高性能、便于攜帶的微型光譜分析儀可深入實地生產(chǎn)第一線，執(zhí)行瓦斯氣體檢測、有毒有害物質(zhì)監(jiān)測等重要安全保障功能。


圖1、微型光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1光纖連接器、2入射狹縫、3反射鏡、4閃耀光柵、5聚焦鏡、6探測器圖2、靜電驅(qū)動式反射鏡平面結(jié)構(gòu)示意圖；其中，7外部框架、8平面鏡、9懸臂梁、10背電極對；圖3、靜電驅(qū)動式反射鏡沿圖2中AA’的剖面圖；圖4、電磁驅(qū)動式反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；其中，11金屬線圈 12外部永磁體。
下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的范圍并不以具體實施方式
為限，而是由權(quán)利要求的范圍加以限定。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明所涉及的微型光譜儀系統(tǒng)。實施例中給出的相關(guān)器件的名稱、型號以及參數(shù)只作為示例用，為實施本發(fā)明所采用的器件包括所述的器件，但不受此限制。如圖1所示，本發(fā)明所涉及的微型光譜儀由光纖連接器1、入射狹縫2、反射鏡3、閃耀光柵4、聚焦鏡5和探測器6組成。待測光信號由外部光纖中傳至光纖連接器1 SMA905，通過入射狹縫2進(jìn)入儀器內(nèi)部，入射狹縫2位于光纖連接器1后部，狹縫寬度50微米，小于光纖纖芯直徑，這種設(shè)計將提高光譜分辨率。光信號經(jīng)由入射狹縫2入射到反射鏡3上，反射鏡3反射光信號至閃耀光柵4，閃耀光柵4將入射復(fù)色光分解成不同波長的單色光。反射鏡3采用日本信號公司的ECO SCANESS115電磁驅(qū)動式反射鏡，具有如圖4所示的結(jié)構(gòu)，反射鏡3的鏡面擺動角度為±35°，頻率50——100Hz，能在一個擺動周期內(nèi)完成全光譜的掃描，因此測量用時少于20ms。閃耀光柵可以針對所測量的波長范圍選用。本實例對于近紅外——紅外波段的應(yīng)用需求，選擇閃耀光柵的閃耀波長為1000nm，光柵條紋密度為600/mm或更高，光學(xué)分辨率優(yōu)于0.3nm。某一波長的單色光可經(jīng)由聚焦鏡5會聚并反射至探測器6上，探測器6放置于聚焦鏡的會聚焦點處；探測器6測量出接收到的單色光強(qiáng)度。
當(dāng)反射鏡3保持某一鏡面角度時，只有特定波長的單色光才能進(jìn)入探測器6中；反射鏡3的鏡面呈周期性運(yùn)動，使得入射復(fù)色光在閃耀光柵4上的入射角度和各單色光的空間排列位置呈周期性變化，并使不同波長的單色光經(jīng)聚焦鏡5會聚后，依次進(jìn)入探測器6中，實現(xiàn)對待測光信號全譜線的掃描。反射鏡3的鏡面擺動頻率為50——100Hz，可在一個周期內(nèi)完成全光譜的掃描，測量用時少于20ms，真正實現(xiàn)了高速測量。
權(quán)利要求
1.一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的微型光譜儀，其特征在于包括光纖連接器(1)、入射狹縫(2)、反射鏡(3)、閃耀光柵(4)、聚焦鏡(5)和探測器(6)；待測光信號由光纖連接器(1)接入光譜儀，入射狹縫(2)位于光纖連接器(1)后部，光信號經(jīng)由入射狹縫(2)入射到反射鏡(3)上，反射鏡(3)反射光信號至閃耀光柵(4)，閃耀光柵(4)將入射復(fù)色光分解成不同波長的單色光，單色光入射到聚焦鏡(5)上，由聚焦鏡(5)會聚并反射至探測器(6)上，探測器(6)放置于聚焦鏡(5)的會聚焦點處，探測器(6)測量接收的單色光強(qiáng)度；反射鏡(3)的鏡面(8)作周期性運(yùn)動，使得入射復(fù)色光在閃耀光柵(4)上的入射角度和各單色光的空間排列位置呈周期性變化，各種波長的單色光經(jīng)聚焦鏡(5)會聚后，依次進(jìn)入探測器(6)中，實現(xiàn)全光譜的掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于所述的反射鏡(3)采用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)制作而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型光譜儀，其特征在于所述的反射鏡(3)的鏡面(8)在外加信號激勵下運(yùn)動，其運(yùn)動頻率、幅度與模式由外加信號控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型光譜儀，其特征在于所述的反射鏡(3)的鏡面(8)覆有高反射率的薄膜，薄膜種類為金屬Au、Ag或Al膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型光譜儀，其特征在于所述的閃耀光柵(4)表面覆有高反射率的薄膜，薄膜種類為金屬Ag、Au或Al膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型光譜儀，其特征在于所述的探測器(6)放置于聚焦鏡(5)的會聚焦點處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型光譜儀，其特征在于所述的探測器(6)為光電二極管、電荷耦合器件、銦鎵砷探測器、碲鎘汞探測器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的微型光譜儀，包括光纖連接器、入射狹縫、反射鏡、閃耀光柵、聚焦鏡和探測器等組成部分。反射鏡采用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)制作而成，其鏡面可在外加信號的控制下周期性運(yùn)動；閃耀光柵為色散元件，與反射鏡一起構(gòu)成分光光路系統(tǒng)。在光路設(shè)計上，待測光信號由光纖連接器引入后，經(jīng)反射鏡、閃耀光柵分光后，特定波長的單色光，由聚焦鏡會聚進(jìn)入探測器；通過反射鏡鏡面的周期性運(yùn)動，各種波長的單色光進(jìn)入探測器，完成光譜的掃描。本發(fā)明提出的基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)器件的微型光譜儀具有體積小，光譜范圍廣，成本低廉等優(yōu)點。
文檔編號G01J3/00GK101021437SQ20071002105
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者何野, 徐波 申請人:江蘇英特神斯科技有限公司