克服多重技術(shù)障礙 成就“指尖”上的FTIR光譜儀

　　FTIR光譜儀（傅里葉轉換紅外光譜）是利用紅外光譜經(jīng)傅里葉轉換來(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的光學(xué)分光儀，所以設備往往是比較大而且昂貴的臺式儀器，這便很大程度上限制了設備的應用。“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(huà)題。

　　而說(shuō)到“微小”則讓人想到了MEMS（微機電系統）技術(shù)，它將微電子技術(shù)與機械工程相融合，可實(shí)現操作范圍的在微米范圍內。如果把這項技術(shù)融合在FTIR光譜儀之中，“臺式”變“掌上”應該就不只是個(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)現了這一構想，成功開(kāi)發(fā)出濱松MEMS-FTIR產(chǎn)品。其利用專(zhuān)有的MEMS技術(shù)（半導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驅動(dòng)元件上，實(shí)現所有所需的光學(xué)功能，在這個(gè)超小型MEMS-FTIR核心驅動(dòng)原件基礎之上，濱松最終研制出了“掌上”MEMS-FTIR光譜儀。

　　濱松MEMS-FTIR驅動(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)硅晶片和半導體技術(shù)實(shí)現的具有最小尺寸的輕便的機械組件。硅晶片級的一致流程可實(shí)現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械優(yōu)勢。而集成電路則使其可以輕易獲得多種功能。此外，曝光引起的物理負荷亦可被忽略，所以是MEMS驅動(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)硅晶片級別的封裝中，一條接受入射光的光纖直接通過(guò)被動(dòng)對準連接到MEMS芯片上，這樣大幅的降低了組裝成本。而通過(guò)DRIE（深反應離子刻蝕），MEMS-FTIR驅動(dòng)元件的每個(gè)光學(xué)組件的相對位置十分精確，公差不大于1μm，組裝后無(wú)需進(jìn)行任何的光學(xué)調整。

　　濱松MEMS-FTIR 光譜儀C12606以及驅動(dòng)原件內部構造

　　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、更廣闊的應用

　　為了使該產(chǎn)品擁有更多新的應用可能，所有原件都被精細地封裝在一個(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)行光譜測量以及吸光度測量。該模塊也可安裝在相關(guān)的探測儀器之內進(jìn)行工作。

　　濱松MEMS-FTIR光譜儀測量示例

　　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、高準確光譜相結合成為了可能。與大規模工廠(chǎng)或實(shí)驗室中進(jìn)行的傳統測量不同，濱松MEMS-FTIR光譜儀可更加靈活的，在現場(chǎng)就地實(shí)施光譜分析。這種技術(shù)預期將來(lái)能夠找到新領(lǐng)域中的應用。

　　濱松公司的筑波中央研究院在MEMS-FTIR光譜儀應用實(shí)驗中表明，該產(chǎn)品可精確測算葡萄糖含量。而近畿大學(xué)分子工學(xué)研究所的河濟博文教授研究得出，該產(chǎn)品亦可根據獲得的光譜數據對透明塑料板（大概1mm）的類(lèi)型進(jìn)行判斷。除此之外，該產(chǎn)品在探測汽車(chē)尾氣排放中的酒精，以及實(shí)時(shí)監測農業(yè)場(chǎng)所的土壤等方面都有廣闊的應用空間。

　　葡萄糖溶液測量（濱松公司中央研究院提供數據）

　　塑料分類(lèi)（近畿大學(xué)分子工學(xué)研究所河濟博文教授提供數據）

　　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“現場(chǎng)使用的分析工具”的應用，并將通過(guò)在A(yíng)SIC（Application Specific Integrated circuit，特殊應用集成電路）芯片以及MEMS-FTIR驅動(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)現與移動(dòng)設備，如電話(huà)、平板電腦、可穿戴設備等的連接使用，正真意義上賦予FTIR光譜儀全新的概念。