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红外光谱仪的微型化

供稿人:istis  供稿时间:2004-9-30   关键字:MEMS  红外光谱仪  微型化  
摘要 本文将红外光谱微型化技术归为两大类:组装技术和集成化技术。根据文献报道的结果,对这两种技术的应用状况和各自的优势与不足进行了分析。文章指出,基于MEMS技术的集成化技术可克服组装技术的固有缺陷,成为红外光谱仪微型化技术的发展方向。
 
1  引言
 
红外光谱仪为分光检测仪器,可应用于气体检测、成分分析和环境监控等。传统的红外光谱仪虽然分辨率高达纳米量级,但体积庞大、结构复杂、价格昂贵,这限制了其应用范围。在一些工业场合,光谱仪并不需要太高的分辨率,但需要体积小、重量轻、价格低,便于携带。
 
近年来,由于得到前进中的集成电路工业的支持,微电子机械(MEMS)技术的发展异常迅猛。用MEMS技术制作器件具有许多优势,包括体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等。它在光谱仪的微型化方面的应用,正日益受到人们的关注。
 
2  红外光谱仪微型化技术发展状况
 
国内外对红外光谱仪的微型化进行了系列研究。在实现技术上,主要采用了两类设计:第一类运用与集成电路兼容的工艺,把微型器件与折叠光路结合起来,以进行系统各个部件的组装;第二类运用体硅MEMS工艺,把系统各微型器件进行一体化集成。现对之分述如下:
 
2.1  组装技术
 
文献[1]涉及一种新型光路结构光谱仪及其光路组件的制备方法。它包括:光源、透镜、信号处理、硅基片、样品窗口、光波导薄膜、棱镜和光波导衬底。采用的制备方法为:将棱镜制备于光波导薄膜下表面,用棱镜-光波导结构取代光栅-光波导结构。它的优势在于:提高了耦合效率和色散能力,并且造价低、光谱分辨率高和便于携带。
 
文献[2]报道了一种结构简单、系统一体化的光谱仪微型化方案和实验测试标定。该光谱仪的光学部分由入射光纤、凹面光栅和平面反射镜组成。实验测试结果表明,在采用50 μm的多模光纤时,光谱分辨率可达13.8 nm;采用9 μm的单模光纤时,光谱分辨率可达5.5 nm。
 
文献[3]涉及一种用于测量多种气体样品的各自浓度和分压的微型光谱仪。该光谱仪包括:红外光源、气体样品池、衍射光栅扫描镜、扫描镜振荡驱动、聚焦镜、探测器、探测器读出电路和同步装置。该光谱仪测量的气体吸收或发射光谱谱线范围宽,可为单线或多线抑或重叠谱线。
 
2.2  集成技术
 
文献[4]涉及一种制备在硬币大小半导体基片上的微型器械,可应用于化学探测。在基片上沉积一层半导体来制作波导,波导的凹槽形成多波长射线的入射孔径。微机械热探测器阵列可以与基片集成,每个热探测器具有可测量的特征物理参数和对至少一种化学制品显示特征吸收的涂层。一个自聚焦的反射光栅与波导半导体层集成,它将多色光谱耦合到对射线响应的探测器阵列,以使各个热探测器探测不同波长的光谱线。
 
文献[5] 报道了了采用微电子工艺来设计集成光谱仪,对可能的光谱仪结构和性能进行了理论分析,指出:对检测、识别、分析化学物质,采用MEMS技术集成光谱仪价格低,并且方便,但光谱仪的设计没有通用方案,这取决于特定的应用要求;在片上制作集成透镜和探测高分辨率要求实现多次反射;直接探测提供最简单的实现技术,但分辨率低,适用于便宜、简单和无特殊要求的探测;通过3次反射设计,光谱仪可获得最高为60的分辨率。
 
文献[6]报道了一种基于多缝光栅的体微机械红外光谱仪实现技术和用于微型光谱仪的晶体硅的红外光学性质。镀有铝的双面抛光硅片被用于制备多缝光栅,透过硅片的色散光谱投射到集成在体硅中的热堆。这种光谱仪制作相对简单,与标准IC工艺兼容。
 
3  讨论
 
通过使用部分微型器件结合折叠光路设计来降低光谱仪,尽管可以大大降低光谱仪的尺寸,但由于其各个部件为组装而成,这就使得仪器研制效率低、成本高,缺乏大规模使用的可能。
 
文献[4]采用平面波导结合刻蚀技术,将凹面光栅和热电探测器相集成,成功研制了一体化的微型光谱仪。但是,由于波导的制作难度较大,凹面光栅加工要求高,制作成本仍较高。
 
文献[5]提出采用MEMS技术制作光栅和探测器,并将两者完全集成。虽然采用宽沟渠设计最为方便,但它要求相对较窄的衍射光栅,而且,不受宽分辨约束的旋转光栅设计实现技术复杂。
 
文献[6]采用MEMS技术将黑白衍射光栅和热电堆探测器集成制作了一体化光栅光谱仪。在该研究中,利用两块硅片制作黑白衍射光栅和热电堆探测器,然后进行Si-Si对准、键合,实现了一体化封装。但是,尚未报道器件的整体性能。
 
4  结论
 
光谱仪的微型化具有许多优势,已成为一个重要的研究热点。虽然采用组装技术可以减小光谱仪的尺寸,但由于其效率低、成本高的固有缺陷,制约了其大规模使用的可能。采用基于MEMS的一体化集成技术,则可以克服这一缺陷。虽然目前光谱仪的集成化成本较高,但随着MEMS技术的迅猛发展,以及光学元件设计的优化,该技术将成为光谱仪微型化的发展方向。
 
参考文献:
[1] 高福斌,张平等,中国发明专利00105125.3,新型集成光路结构光谱仪及其集成光路组件的制备方法,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所.
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