一种微型光谱仪[实用新型专利]

*CN201697714U*

(10)授权公告号 CN 201697714 U(45)授权公告日 2011.01.05

(12)实用新型专利

(21)申请号 200920255548.5(22)申请日 2009.11.20

(73)专利权人江苏惠通集团有限责任公司

地址212003 江苏省镇江市桃花坞二区

二十四号(72)发明人龙涛 唐明 严松

(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限

公司 32200

代理人楼高潮(51)Int.Cl.

G01J 3/28(2006.01)G01J 3/02(2006.01)G01J 3/12(2006.01)

权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 1 页

(54)实用新型名称

一种微型光谱仪(57)摘要

本实用新型公开了一种微型光谱仪，该光谱仪由光纤连接器、入射狭缝、反射镜、闪耀光栅、聚焦镜和探测器组成。待测光信号由光纤连接器接入光谱仪，入射狭缝位于光纤连接器后部，光信号经由入射狭缝入射到反射镜上，反射镜反射光信号至闪耀光栅，闪耀光栅将入射光信号分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜上，由聚焦镜会聚并反射到探测器上，实现全光谱的扫描。所述反射镜以硅为原材料，应用微电子机械系统技术(MEMS)制造而成。硅制微镜共振频率为540Hz，解决了现有高分子微镜的摆动状态对环境温度极其敏感，造成光谱仪系统波长准确性和稳定性随环境温度发生漂移、热稳定性差的技术问题。CN 201697714 UCN 201697714 U

权 利 要 求 书

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1.一种微型光谱仪，该光谱仪由光纤连接器(1)、入射狭缝(2)、反射镜(3)、闪耀光栅(4)、聚焦镜(5)和探测器(6)组成；待测光信号由光纤连接器(1)接入光谱仪，入射狭缝(2)位于光纤连接器(1)后部，光信号经由入射狭缝(2)入射到反射镜(3)上，反射镜(3)反射光信号至闪耀光栅(4)，闪耀光栅(4)将入射光信号分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜(5)上，由聚焦镜(5)会聚并反射到探测器(6)上，探测器(6)放置于聚焦镜(5)会聚焦点处，探测器(6)测量接受的单色光的强度；反射镜(3)作周期性运动，使得入射光信号在闪耀光栅(4)上的入射角度和各入射光信号中的单色光的空间排列位置呈周期性变化，各种波长的单色光经聚焦镜(5)会聚后，依次进入探测器(6)中，实现全光谱的扫描，其特征在于，所述反射镜(3)以硅为原材料，应用微电子机械系统技术MEMS制造而成，硅制反射镜(3)以540Hz的共振频率作周期性运动。

2.如权利要求1所述的一种微型光谱仪，其特征在于，所述反射镜(3)的镜面覆有高反射率的薄膜，薄膜的种类为金属Au或Ag或Al膜。

3.如权利要求1或2所述的一种微型光谱仪，其特征在于，所述闪耀光栅(4)的表面覆有高反射率的薄膜，薄膜的种类为金属Au或Ag或Al膜。

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说 明 书一种微型光谱仪

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技术领域

本实用新型涉及一种微型光谱仪，尤其涉及一种基于微电子机械系统技术(MEMS)

的微型光谱仪。

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背景技术

光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的一种技术，被广泛应用于多

种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。传统光谱测量仪由众多光学、电学与机械等分立器件组成，需要极其复杂的光路系统与精密机械结构，降低了整个仪器的可靠性，对仪器工作、存放环境也有着严格的要求，限制了对其更加广泛的应用。特别是针对在线(现场)光谱测量的应用需求，传统光谱仪无力解决，开发微型化光谱仪已成为当前一大研究热点。

[0003] 随着科技的进步，微电子机械系统(MEMS)技术和微细加工技术已取得了迅猛的发展。众多基于MEMS技术的新型器件亦已崭露头角，其与传统器件相比具有许多优势，如体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等。采用MEMS技术制作光谱仪已成为光谱仪开发的主流技术之一。

[0004] 现有的基于微电子机械系统技术的微型光谱仪内的反射微镜采用高分子材料制成，其共振频率为50Hz。50Hz微镜的摆动状态对环境温度极其敏感，会造成光谱仪系统的波长准确性和稳定性随环境温度发生漂移，热稳定性较差。为解决此技术问题，有采用复杂的温控系统控制温度以抑制温漂的方法，但是温控系统的控温精度有限，微镜光谱仪系统最后的波长准确性和稳定性仍然受到影响。因此，设计制造一种新型的、热稳定性高的光谱仪微镜对解决以上技术问题的意义重大。

[0002]

实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的在于提供一种热稳定性高的光谱仪微镜，提高光谱仪系统的波长准确性和稳定性。

[0006] 本实用新型的目的通过以下技术方案予以实现：[0007] 一种微型光谱仪，该光谱仪由光纤连接器1、入射狭缝2、反射镜3、闪耀光栅4、聚焦镜5和探测器6组成；待测光信号由光纤连接器1接入光谱仪，入射狭缝2位于光纤连接器1后部，光信号经由入射狭缝2入射到反射镜3上，反射镜3反射光信号至闪耀光栅4，闪耀光栅4将入射光信号分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜5上，由聚焦镜5会聚并反射到探测器6上，探测器6放置于聚焦镜5会聚焦点处，探测器6测量接受的单色光的强度；反射镜3作周期性运动，使得入射光信号在闪耀光栅4上的入射角度和各入射光信号中的单色光的空间排列位置呈周期性变化，各种波长的单色光经聚焦镜5会聚后，依次进入探测器6中，实现全光谱的扫描。所述反射镜3以硅为原材料，应用微电子机械系统技术(MEMS)制造而成，硅制的微镜共振频率为540Hz。

[0008] 本实用新型的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

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说 明 书

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前述一种微型光谱仪，其中反射镜3的镜面覆有高反射率的薄膜，薄膜的种类为

金属Au或Ag或Al膜。

[0010] 前述一种微型光谱仪，其中闪耀光栅4的表面覆有高反射率的薄膜，薄膜的种类为金属Au或Ag或Al膜。[0011] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：以共振频率为540Hz的硅制反射微镜代替高分子材料微镜(共振频率为50Hz)，解决了50Hz微镜的摆动状态对环境温度极其敏感，造成光谱仪系统波长准确性和稳定性随环境温度发生漂移、热稳定性差的技术问题。附图说明

[0012] 图1是微型光谱仪的结构示意图。[0013] 图2是电磁驱动式反射镜结构示意图。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。[0015] 如图1所示，一种微型光谱仪，该光谱仪由光纤连接器1、入射狭缝2、反射镜3、闪耀光栅4、聚焦镜5和探测器6组成；所述反射镜3以硅为原材料，应用微电子机械系统技术(MEMS)制造而成，硅制的微镜共振频率为540Hz，反射镜3的镜面覆有高反射率的镀金(Au)薄膜；所述闪耀光栅4的表面也覆有高反射率的镀金(Au)薄膜。待测光信号由光纤连接器1接入光谱仪，入射狭缝2位于光纤连接器1后部，光信号经由入射狭缝2入射到反射镜3上，反射镜3反射光信号至闪耀光栅4，闪耀光栅4将入射光信号分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜5上，由聚焦镜5会聚并反射到探测器6上，探测器6放置于聚焦镜5会聚焦点处，探测器6测量接受的单色光的强度；反射镜3在外加信号激励下作周期性运动，使得入射光信号在闪耀光栅4上的入射角度和各入射光信号中的单色光的空间排列位置呈周期性变化，各种波长的单色光经聚焦镜5会聚后，依次进入探测器6中，实现全光谱的扫描。

[0016] 本实施例采用电磁驱动反射镜3，该系统由一个高反射率平面镜8、悬臂梁9、金属线圈11、外部永磁体12组成，其制作工艺使用硅深反应离子蚀刻技术和氢氧化钾各向异性腐蚀技术。平面镜与线圈处于永磁体磁场内，当线圈通电时，产生的磁场力带动平面镜偏转，线圈中的电流强度控制平面镜偏转角度。

[0017] 本实用新型使用共振频率为540Hz的硅材料微镜来取代50Hz的高分子微镜。在系统中用热源靠近硅材料微镜时，观察其摆动稳定性并了解温度对其运动的影响。实验结果表明硅材料微镜对环境热的敏感程度明显好于以前的微镜。最多观测到约为5us的峰位置移动，相当于约7nm的移动。另外微镜运动状态的重复性也较好，每次开机后的峰位置移动小于5us。

[0018] 除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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