克服多重技術(shù)障礙 成就“指尖”上的FTIR光譜儀

　　FTIR光譜儀（傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜）是利用紅外光譜經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換來(lái)分析雜質(zhì)濃度的光譜分析儀器，可用于氣體、液體的分析等。傳統(tǒng)的FTIR光譜儀雖然具有無(wú)需利用昂貴的圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)，但因其需要高度精準(zhǔn)的光學(xué)分光儀，所以設(shè)備往往是比較大而且昂貴的臺(tái)式儀器，這便很大程度上限制了設(shè)備的應(yīng)用。“更小尺寸”也就成為FTIR光譜儀發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)話題。

　　而說(shuō)到“微小”則讓人想到了MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，它將微電子技術(shù)與機(jī)械工程相融合，可實(shí)現(xiàn)操作范圍的在微米范圍內(nèi)。如果把這項(xiàng)技術(shù)融合在FTIR光譜儀之中，“臺(tái)式”變“掌上”應(yīng)該就不只是個(gè)夢(mèng)了。

　　經(jīng)過(guò)重重技術(shù)難題的攻克，濱松公司終于實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想，成功開發(fā)出濱松MEMS-FTIR產(chǎn)品。其利用專有的MEMS技術(shù)（半導(dǎo)體材料的三維精密加工的尖端技術(shù)），在硅晶片上來(lái)制造所有的光學(xué)分光元件，最終在只有指尖那么大MEMS-FTIR驅(qū)動(dòng)元件上，實(shí)現(xiàn)所有所需的光學(xué)功能，在這個(gè)超小型MEMS-FTIR核心驅(qū)動(dòng)原件基礎(chǔ)之上，濱松最終研制出了“掌上”MEMS-FTIR光譜儀。

　　濱松MEMS-FTIR驅(qū)動(dòng)元件與“掌上”MEMS-FTIR光譜儀C12606 （75x100x27mm）

　　MEMS技術(shù)的選擇

　　MEMS是通過(guò)一個(gè)硅晶片和半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有最小尺寸的輕便的機(jī)械組件。硅晶片級(jí)的一致流程可實(shí)現(xiàn)MEMS的批量生產(chǎn)?；诠杓夹g(shù)，其在高彈性和高抗逆性上具明顯的機(jī)械優(yōu)勢(shì)。而集成電路則使其可以輕易獲得多種功能。此外，曝光引起的物理負(fù)荷亦可被忽略，所以是MEMS驅(qū)動(dòng)器的最佳選擇。

　　濱松MEMS-FTIR把一個(gè)邁克遜干涉儀以及一個(gè)控制移動(dòng)鏡面的觸動(dòng)器高度緊密地集成在了一個(gè)硅晶片級(jí)別的封裝中，一條接受入射光的光纖直接通過(guò)被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)連接到MEMS芯片上，這樣大幅的降低了組裝成本。而通過(guò)DRIE（深反應(yīng)離子刻蝕），MEMS-FTIR驅(qū)動(dòng)元件的每個(gè)光學(xué)組件的相對(duì)位置十分精確，公差不大于1μm，組裝后無(wú)需進(jìn)行任何的光學(xué)調(diào)整。

　　濱松MEMS-FTIR 光譜儀C12606以及驅(qū)動(dòng)原件內(nèi)部構(gòu)造

　　邁克遜干涉儀的所有光學(xué)組件都在硅制造的壁面上形成。分束器通過(guò)利用硅與空氣之間折射率的巨大差異，將入射光束按照菲涅爾反射（反射30%；透射70%）分割。移動(dòng)鏡面放置在靜電驅(qū)動(dòng)器和固定鏡面上，其每個(gè)表面都通過(guò)蒸鍍形成金屬層，這形成了具有高反射率（高于98%）的全反射鏡面。

　　邁克遜干涉儀SEM圖像

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　　更好、更便捷、更廣闊的應(yīng)用

　　為了使該產(chǎn)品擁有更多新的應(yīng)用可能，所有原件都被精細(xì)地封裝在一個(gè)手掌大小、低成本的FTIR光譜儀模塊之中，使用時(shí)只用通過(guò)USB連接到電腦，就能夠進(jìn)行光譜測(cè)量以及吸光度測(cè)量。該模塊也可安裝在相關(guān)的探測(cè)儀器之內(nèi)進(jìn)行工作。

　　濱松MEMS-FTIR光譜儀測(cè)量示例

　　濱松通過(guò)簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，使低成本、小型化與高靈敏度、高準(zhǔn)確光譜相結(jié)合成為了可能。與大規(guī)模工廠或?qū)嶒?yàn)室中進(jìn)行的傳統(tǒng)測(cè)量不同，濱松MEMS-FTIR光譜儀可更加靈活的，在現(xiàn)場(chǎng)就地實(shí)施光譜分析。這種技術(shù)預(yù)期將來(lái)能夠找到新領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　濱松公司的筑波中央研究院在MEMS-FTIR光譜儀應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中表明，該產(chǎn)品可精確測(cè)算葡萄糖含量。而近畿大學(xué)分子工學(xué)研究所的河濟(jì)博文教授研究得出，該產(chǎn)品亦可根據(jù)獲得的光譜數(shù)據(jù)對(duì)透明塑料板（大概1mm）的類型進(jìn)行判斷。除此之外，該產(chǎn)品在探測(cè)汽車尾氣排放中的酒精，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)場(chǎng)所的土壤等方面都有廣闊的應(yīng)用空間。

　　葡萄糖溶液測(cè)量（濱松公司中央研究院提供數(shù)據(jù)）

　　塑料分類（近畿大學(xué)分子工學(xué)研究所河濟(jì)博文教授提供數(shù)據(jù)）

　　目前，濱松公司依然在進(jìn)一步的積極促進(jìn)基于MEMS的緊湊型紅外光譜儀于“現(xiàn)場(chǎng)使用的分析工具”的應(yīng)用，并將通過(guò)在ASIC（Application Specific Integrated circuit，特殊應(yīng)用集成電路）芯片以及MEMS-FTIR驅(qū)動(dòng)元件上集成更多功能，從而進(jìn)一步縮小產(chǎn)品的尺寸，實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)設(shè)備，如電話、平板電腦、可穿戴設(shè)備等的連接使用，正真意義上賦予FTIR光譜儀全新的概念。