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光譜儀雖然具有無需利用昂貴的圖像傳感器的優(yōu)點，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)展的一個重要技術(shù)話題。

　　而說到“微小”則讓人想到了MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)，它將微電子技術(shù)與機械工程相融合，可實現(xiàn)操作范圍的在微米范圍內(nèi)。如果把這項技術(shù)融合在FTIR光譜儀之中，“臺式”變“掌上”應(yīng)該就不只是個夢了。

　　經(jīng)過重重技術(shù)難題的攻克，濱松公司終于實現(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)動元件上，實現(xiàn)所有所需的光學(xué)功能，在這個超小型MEMS-FTIR核心驅(qū)動原件基礎(chǔ)之上，濱松最終研制出了“掌上”MEMS-FTIR光譜儀。

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

　　MEMS技術(shù)的選擇

　　MEMS是通過一個硅晶片和半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)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(fù)荷亦可被忽略，所以是MEMS驅(qū)動器的最佳選擇。

　　濱松MEMS-FTIR把一個邁克遜干涉儀以及一個控制移動鏡面的觸動器高度緊密地集成在了一個硅晶片級別的封裝中，一條接受入射光的光纖直接通過被動對準(zhǔn)連接到MEMS芯片上，這樣大幅的降低了組裝成本。而通過DRIE（深反應(yīng)離子刻蝕），MEMS-FTIR驅(qū)動元件的每個光學(xué)組件的相對位置十分精確，公差不大于1μm，組裝后無需進(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。移動鏡面放置在靜電驅(qū)動器和固定鏡面上，其每個表面都通過蒸鍍形成金屬層，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)地封裝在一個手掌大小、低成本的FTIR光譜儀模塊之中，使用時只用通過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(nèi)進(jìn)行工作。

　　濱松MEMS-FTIR光譜儀測量示例

　　濱松通過簡化生產(chǎn)過程，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)嶒炇抑羞M(jìn)行的傳統(tǒng)測量不同，濱松MEMS-FTIR光譜儀可更加靈活的，在現(xiàn)場就地實施光譜分析。這種技術(shù)預(yù)期將來能夠找到新領(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(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)品在探測汽車尾氣排放中的酒精，以及實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)場所的土壤等方面都有廣闊的應(yīng)用空間。

　　葡萄糖溶液測量（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)場使用的分析工具”的應(yīng)用，并將通過在ASIC（Application Specific Integrated circuit，特殊應(yīng)用集成電路）芯片以及MEMS-FTIR驅(qū)動元件上集成更多功能，從而進(jìn)一步縮小產(chǎn)品的尺寸，實現(xiàn)與移動設(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。