微型光谱仪的发展.pdf

MEMS器件与找术
MEMS Device Technology
微型光谱仪的发展
鞠挥,吴一辉
(中国科学院长春光学精密札械与物理研究所,古林长春130022)
要:随着MEMS、微光学等微制造技术的发展,光谱仪器的微型化成为可能,光谱仪的微型
化是光谱仪器的一个重要发展方向。本文根括国内外正在进行的微型光谱仪的研制作,对微
型光谱仪的发展进行了比较个面的综述,最后对研究微型光谱仪的意义进行了总结。
关键词:微型光谱仪;微机电系统;微光学;微制造技术
糾分类号:"TP212:TH744.1文献标识码:A文章编号:1671-4776(2003)01-0030-08
Development of micro spectrometers
JU Hui, WU Yi-hui
( Changchun Institute optics and Fine Mechnics and Phy, Chinese Academy o Sciences, Changehun 130022, hin
Abstract: It becomes possible to miniaturize spectrometers with the development of microfabrica-
tion techniques such as MEMS, microoptics. The miniaturization of spectrometers is an important
way to develop spectral analysis instruments. It is reviewed the progress of the micro spectrometer
in detail according to the researching projects domestics and abroad, and summarized the signifi
cance of micro spectrometers
Key words: micro spectrometer; MEMS; microoptics; microfabrication techniques
分光光度计。今天光谱及相关光传感技术山经发展
成了儿十亿美元的产业,光谱技术的应用儿乎覆盖
光漕仪器是光学仪器的重要组成部分,它是应了所有的科学领域,包折医药、化学、地质学、物
げ光学原理,对物质的结构利成分等进行测量、分理及天文学等,从海洋的底部到遥远的宁宙,光谱
析利和处理的某木设备,具有分析精度高、测早范用仪为我们收集周围世界的信思
大、速度快等优点,广泛应川」治金、地质、石油
近年来出于环境隘测、生.物庆学、科技农业
化工、医药卫生、环境保护等领域;也是?事侦军事分析以及下业流程隘控等领域的现代化发展,
察、宇ⅶ探索、资源和水文探测等必不可少的遥感要求分析仪器小型化、轻量化,在特殊场合(如环
设备
保、野外、现场检測、星载分析检测等)还婓求仪
对光谱的研究最?可以追溯到250年前,英?器牢固耐振。因此日前困外仪器的发展趋向于智能
物学家牛顿进行了著名的棱镜分光试验,但是现化、微型化、集成化、芯片化和系统1に程化,各国
代光谱技术应该是开始」二战期间的に业应用。在都设计、井发了许多功能不亚」传统庞大实验室仪
1940年, Arnold Beckman制作出了叫做 Beckman器的小型化、轻量化甚至个団态化的仪器2。
DU的仪器,被认为是第一台商业化的紫外-可见光
光谱仪的做小型化趋势可以追溯到20世纪90
收稿日期:2002-10-10
微纳电子技术2003牛第1期
Thirty January 2003
O1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
MEMS器件与找
MEMS Device Technology
牛代初期,从那时起光谱仪器才逐渐摆脱了实验应用前景?。
室的局限。这得益于其它?相关技术的发展,光
还有基于导波光学原理的集成光学技术,利用
的大批量生产,高效低麻的光学元什及线性阡列集成光技术制作的光波导也可以用作集成式光谱分
檢测器件的出现,个人计算机的发展,MEMS及:析传感器。在某些生物膜成分的测里方面,这种传
元光学等微制造技术的发展,使得光谱技术的应感装置具有很高的灵叙度
用延展到实验之外的史加)阔的领域,包括战
所以,利用MEMS、二元光学以及集成光学技
场、工及人体。曾?度被认为是不可能实现的、术可以设计制作做型光谱分析仪,它将具有许多大
不实际的实时光谱分析,现在已经变得非常普犁光谱仪所不只备的优点,如重量轻、体积小、探
遍
測速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及
MEMS的发展对世界产生:了巨大的影啊。成本低廉等,像普通光谱仪一样微型光谱仪有着
MEMS起源」关国物理学家 Richard P. Feynman对大的应用市场,可以应用在实验室化学分析、临床
微小型仪器的一种设想,历史证实了 Feynman的医学检验、业监测、航空航天遥感等领域,因而
远见卓识。MEMS、纳米科技、子计算和分子白引起了人们泛的兴趣
组装等领域向人们展示了微小世界的巨人潜力
Feynman述认为“最重要的·点是进行微小化的
2微型光谱仪的发展现状
究将声生许多技术应川”5。现在已经成功应
微犁光谱仪的制作主要是依靠MEMS、:元光
的MEMS产品包括压力传感器、加速度计、微院学?集成光学等微加工技术,而传统的机械加工制
嫘仪、喷嬲头以及硬驱动头,绝大多数这些器造方法在这只能起到辅助作用。根国内外的研
件的用户分布在IT和汽领域的。在MEMS之究报道,微光谱仪主要可以分为以下儿类:
后,又有人提出了 MOEMS( Micro Opto- -electro-2.1 Febry- Perot(FP)型微型光谱仪
mechanical System,微型光机电系统),它是机
关国东北大学「研制了一·利山表而微机械工
电、光、磁、化学、传感技术等多种投术的综合。艺制作的FP型微光谱仪。如1所示,首先是在
MOEMS日流成为新的光学具,在许多光学仪器p型俳衬底上扩散n型徒构成光电二枚管。光电敏
颂域显示出广的应前景7·8。
感单元的上画有:结构,由SiO2和Si构成底部
MEMS技术是在微电子的平而徒工艺基础上发反射镜,厚度为中心波长一半的中间空气隙层以
展起来的,主要包括体徒加工技术、表而徒加工及上面另外一层由SiO2和i构成顶部反射镜,这
技术、高深宽比加工技术(如IGA、ICP)以及键三层结构组成了FP光谱仪的共振腔。
合封装技术等。利用MEMS技术可以制作各种不
?的三维微结构,如微光栅、微透镜、反射镜及
上反射镜
微桥结构
驱动电极
光电接收单元等,同小时因为集成也路也是在硅材
料上制作的,这样就可以在同·片佳衬底上实地
完整的做燜光谱仪器的制作。
元光学是基于光波衍射理论发展起来的
衬底
个新兴光学分支,是光学与微电子技术相互渗透
交又面形成的前沿学科。基」计算机辅助设计和
下反射镜及光电二极管
微米量级加技术制成的平面浮雕型二元光学器
图1关同西北人学的FP型微型光谱仪