MEMS扫描微镜光谱仪的稳定机制研究

Under the background on having a trend of spectrometer miniaturization and integration, a method and the principle of realizing miniaturized Near InfraRed (NIR) spectrometer using MEMS scanning micromirror technology, are studied. The stability mechanism of the spectrometer is analyzed. The relationship between the spectrometer's stability and the material, fabrication processes, characteristics of MEMS scanning micromirror, is clarified. A prototype of long wavelength NIR spectrometer is implemented to demonstrate the stability mechanism of the MEMS scanning mirror spectrometer experimentally. The results show an optimized design method for MEMS scanning micromirror spectrometer. And the research conclusions provide theoretical and experimental guidance on adapting MEMS scanning micromirror into long wavelength NIR spectrometer design to gain high stability.

为了适应科学技术对近红外光谱仪提出的集成化、微小型化以及低成本的要求和发展趋势，本项目重点研究MEMS微镜技术应用于近红外光谱仪中的原理和方法，尤其是影响此光谱仪稳定性的机制。本项目从理论上阐明MEMS微镜光谱仪的稳定性与MEMS微镜的材料、工艺以及性能之间的关系，同时实现高稳定性的微型长波近红外光谱仪样机，从实验上验证MEMS微镜光谱仪的稳定机制，最终为提高MEMS微镜长波近红外光谱仪的稳定性提供理论和实验指导。

为了适应科学技术对近红外光谱仪提出的集成化、微小型化以及低成本的要求和发展趋势，本项目围绕基于MEMS扫描微镜的近红外光谱仪器的稳定性机制问题开展了研究工作。.首先从理论上分析了MEMS扫描微镜的材料、工艺与微镜运动稳定性之间的关系。并对提高MEMS扫描微镜的稳定性的方法进行了探讨。研究表明，微镜的材料属性是影响不同扭转微镜静态特性温度效应的主要因素，而微镜尺寸因素的影响可以忽略；在多晶硅、polyimide、PDMS和SU-8四种材料的扭转微镜中，微镜静态特性受温度的影响依次变大。研究过程中构建的同时考虑范德瓦尔斯力和卡西米尔力的扭转-弯曲耦合模型方程，能给出更精确的微镜静态特性描述。而在构建的双下极板的静电驱动扭转微镜系统的双自由度动力学模型的基础上，对微镜系统的分岔与动态运动特性以及控制方法进行了深入分析；除了深入了解微镜稳定性与微镜参数之间的关系外，结果还显示，相比于基于线性化反馈的典型滑模变结构控制，基于全局快速Terminal滑模变结构控制的扭转微镜系统，对微镜系统参数的不确定性变化具有更强的适应性，微镜系统具有更高的定点、扫描跟踪及鲁棒性能。 .其次，详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题，包括MEMS微镜对光谱仪稳定性的影响，具体包括分光系统的设计、MEMS微镜的选择驱动与控制、探测器与前置放大电路的设计等。最终将MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs 单元探测器，结合立特罗式分光光路，设计和实现了900nm-2055nm波段的微型长波近红外光谱仪样机，其中1000nm-1900nm谱段的光谱分辨率介于9.4nm-15nm之间。作为应用实例，此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量，实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析。其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。实现的样机，一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构，使尺寸可以更小；另一方面实现了单探测器的近红外光谱仪，成本较低。.本项目的研究内容与结论，为提高MEMS微镜长波近红外光谱仪的稳定性提供理论和实验指导。