面向近红外微型光谱仪的MOEMS扫描光栅微镜关键技术研究

【摘要】：随着众多前沿学科的相互交叉融合和近红外光谱分析技术的快速发展，近红外微型光谱仪已成为近年来研究的又一个热点。论文针对近红外微型光谱仪研制中急需突破的核心元器件关键技术问题，开展面向近红外微型光谱仪的MOEMS扫描光栅微镜关键技术研究，具有重要的科学意义和迫切的需求背景。 论文在分析研究近红外微型光谱仪及其核心元器件的国内外研究现状基础上，针对近红外光谱仪在微型化中存在的分光系统和光谱信息获取系统体积大、系统复杂、成本高等问题，提出集分光、扫描和角传感器一体化单芯片集成的MOEMS扫描光栅微镜的新思想与新方法。研究了MOEMS扫描光栅微镜的结构与工作原理，建立了系统相应的电学和力学模型；突破了扫描光栅微镜的集成设计方法与关键加工工艺、系统控制等关键技术；首次成功研制出MOEMS扫描光栅微镜原理样机，工作频率600.495Hz、工作电压0.875V、功耗小于14mw、扫描角度±5.7°、角传感器灵敏度0.8806mV/°、控制精度≤0.0420365°、光栅分辨率为14nm。开展了MOEMS扫描光栅微镜的应用技术研究，成功研制出基于MOEMS扫描光栅微镜的近红外微型光谱仪原理实验系统。论文主要工作是： 1.论文研究分析了近红外光谱仪在微型化过程中存在的核心器件问题，提出了基于MOEMS技术的集成扫描光栅微镜新思想与新方法，该器件大大减少了光谱仪系统的元器件数和系统体积，将实现单管红外探测器替代阵列红外传感器，极大的降低仪器制造成本； 2.在研究MOEMS扫描光栅微镜的结构与工作原理、光栅衍射和磁电传感器的基础上，建立了MOEMS扫描光栅微镜的运动理论模型、电磁驱动理论模型、磁电角传感器模型等。优化了MOEMS扫描光栅微镜的系统结构设计，探讨了影响系统性能的主要因素； 3.基于电磁学理论和力学理论，开展了MOEMS扫描光栅微镜的扫描角度、系统模态、谐响应频率和稳定性研究，进行了扫描光栅微镜的分辨率和衍射效率等理论计算与模拟分析，确定了驱动线圈、扭转梁、微镜与光栅的主要参数； 4.基于实验室MEMS工艺平台，完成了MOEMS扫描光栅微镜加工工艺流程和版图设计，成功研制出MOEMS扫描光栅微镜实验原理样品； 5.研究了MOEMS扫描光栅微镜的闭环控制电路，搭建了主要性能测试实验平台，完成了谐响应频率、扫描角度、Q值特性、扫描角度精度、光学分辨率、衍射效率等主要参数测试； 6.基于MOEMS扫描光栅微镜，提出了基于MOEMS扫描光栅微镜的近红外微型光谱仪新结构，成功研制出新型近红外微型光谱仪原理实验系统。