克服多重技术障碍 成就“指尖”上的FTIR光谱仪 - 全文

　　FTIR光谱仪（傅里叶转换红外光谱）是利用红外光谱经傅里叶转换来分析杂质浓度的光谱分析仪器，可用于气体、液体的分析等。传统的FTIR光谱仪虽然具有无需利用昂贵的图像传感器的优点，但因其需要高度精准的光学分光仪，所以设备往往是比较大而且昂贵的台式仪器，这便很大程度上限制了设备的应用。“更小尺寸”也就成为FTIR光谱仪发展的一个重要技术话题。

　　而说到“微小”则让人想到了MEMS（微机电系统）技术，它将微电子技术与机械工程相融合，可实现操作范围的在微米范围内。如果把这项技术融合在FTIR光谱仪之中，“台式”变“掌上”应该就不只是个梦了。

　　经过重重技术难题的攻克，滨松公司终于实现了这一构想，成功开发出滨松MEMS-FTIR产品。其利用专有的MEMS技术（半导体材料的三维精密加工的尖端技术），在硅晶片上来制造所有的光学分光元件，最终在只有指尖那么大MEMS-FTIR驱动元件上，实现所有所需的光学功能，在这个超小型MEMS-FTIR核心驱动原件基础之上，滨松最终研制出了“掌上”MEMS-FTIR光谱仪。

　　

　　滨松MEMS-FTIR驱动元件与“掌上”MEMS-FTIR光谱仪C12606 （75x100x27mm）

　　MEMS技术的选择

　　MEMS是通过一个硅晶片和半导体技术实现的具有最小尺寸的轻便的机械组件。硅晶片级的一致流程可实现MEMS的批量生产。基于硅技术，其在高弹性和高抗逆性上具明显的机械优势。而集成电路则使其可以轻易获得多种功能。此外，曝光引起的物理负荷亦可被忽略，所以是MEMS驱动器的最佳选择。

　　滨松MEMS-FTIR把一个迈克逊干涉仪以及一个控制移动镜面的触动器高度紧密地集成在了一个硅晶片级别的封装中，一条接受入射光的光纤直接通过被动对准连接到MEMS芯片上，这样大幅的降低了组装成本。而通过DRIE（深反应离子刻蚀），MEMS-FTIR驱动元件的每个光学组件的相对位置十分精确，公差不大于1μm，组装后无需进行任何的光学调整。

　　

　　滨松MEMS-FTIR 光谱仪C12606以及驱动原件内部构造

　　迈克逊干涉仪的所有光学组件都在硅制造的壁面上形成。分束器通过利用硅与空气之间折射率的巨大差异，将入射光束按照菲涅尔反射（反射30%；透射70%）分割。移动镜面放置在静电驱动器和固定镜面上，其每个表面都通过蒸镀形成金属层，这形成了具有高反射率（高于98%）的全反射镜面。

　　

　　迈克逊干涉仪SEM图像

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　　本文选自4月份《智能硬件特刊》，更多技术热文可进入特刊详情页面下载浏览！

　　

 

　　更好、更便捷、更广阔的应用

　　为了使该产品拥有更多新的应用可能，所有原件都被精细地封装在一个手掌大小、低成本的FTIR光谱仪模块之中，使用时只用通过USB连接到电脑，就能够进行光谱测量以及吸光度测量。该模块也可安装在相关的探测仪器之内进行工作。

　　

　　滨松MEMS-FTIR光谱仪测量示例

　　滨松通过简化生产过程，使低成本、小型化与高灵敏度、高准确光谱相结合成为了可能。与大规模工厂或实验室中进行的传统测量不同，滨松MEMS-FTIR光谱仪可更加灵活的，在现场就地实施光谱分析。这种技术预期将来能够找到新领域中的应用。

　　滨松公司的筑波中央研究院在MEMS-FTIR光谱仪应用实验中表明，该产品可精确测算葡萄糖含量。而近畿大学分子工学研究所的河濟博文教授研究得出，该产品亦可根据获得的光谱数据对透明塑料板（大概1mm）的类型进行判断。除此之外，该产品在探测汽车尾气排放中的酒精，以及实时监测农业场所的土壤等方面都有广阔的应用空间。

　　

　　葡萄糖溶液测量（滨松公司中央研究院提供数据）

　　

　　塑料分类（近畿大学分子工学研究所河濟博文教授提供数据）

　　目前，滨松公司依然在进一步的积极促进基于MEMS的紧凑型红外光谱仪于“现场使用的分析工具”的应用，并将通过在ASIC（Application Specific Integrated circuit，特殊应用集成电路）芯片以及MEMS-FTIR驱动元件上集成更多功能，从而进一步缩小产品的尺寸，实现与移动设备，如电话、平板电脑、可穿戴设备等的连接使用，正真意义上赋予FTIR光谱仪全新的概念。