克服多重技術障礙 成就“指尖”上的FTIR光譜儀

　　FTIR光譜儀（傅里葉轉換紅外光譜）是利用紅外光譜經傅里葉轉換來分析雜質濃度的光譜分析儀器，可用于氣體、液體的分析等。傳統的FTIR光譜儀雖然具有無需利用昂貴的圖像傳感器的優點，但因其需要高度精準的光學分光儀，所以設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備的應用。“更小尺寸”也就成為FTIR光譜儀發展的一個重要技術話題。

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

　　經過重重技術難題的攻克，濱松公司終于實現了這一構想，成功開發出濱松MEMS-FTIR產品。其利用專有的MEMS技術（半導體材料的三維精密加工的尖端技術），在硅晶片上來制造所有的光學分光元件，最終在只有指尖那么大MEMS-FTIR驅動元件上，實現所有所需的光學功能，在這個超小型MEMS-FTIR核心驅動原件基礎之上，濱松最終研制出了“掌上”MEMS-FTIR光譜儀。

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

　　MEMS技術的選擇

　　MEMS是通過一個硅晶片和半導體技術實現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MEMS的批量生產。基于硅技術，其在高彈性和高抗逆性上具明顯的機械優勢。而集成電路則使其可以輕易獲得多種功能。此外，曝光引起的物理負荷亦可被忽略，所以是MEMS驅動器的最佳選擇。

　　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（深反應離子刻蝕），MEMS-FTIR驅動元件的每個光學組件的相對位置十分精確，公差不大于1μm，組裝后無需進行任何的光學調整。

　　濱松MEMS-FTIR 光譜儀C12606以及驅動原件內部構造

　　邁克遜干涉儀的所有光學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、更廣闊的應用

　　為了使該產品擁有更多新的應用可能，所有原件都被精細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，就能夠進行光譜測量以及吸光度測量。該模塊也可安裝在相關的探測儀器之內進行工作。

　　濱松MEMS-FTIR光譜儀測量示例

　　濱松通過簡化生產過程，使低成本、小型化與高靈敏度、高準確光譜相結合成為了可能。與大規模工廠或實驗室中進行的傳統測量不同，濱松MEMS-FTIR光譜儀可更加靈活的，在現場就地實施光譜分析。這種技術預期將來能夠找到新領域中的應用。

　　濱松公司的筑波中央研究院在MEMS-FTIR光譜儀應用實驗中表明，該產品可精確測算葡萄糖含量。而近畿大學分子工學研究所的河濟博文教授研究得出，該產品亦可根據獲得的光譜數據對透明塑料板（大概1mm）的類型進行判斷。除此之外，該產品在探測汽車尾氣排放中的酒精，以及實時監測農業場所的土壤等方面都有廣闊的應用空間。

　　葡萄糖溶液測量（濱松公司中央研究院提供數據）

　　塑料分類（近畿大學分子工學研究所河濟博文教授提供數據）

　　目前，濱松公司依然在進一步的積極促進基于MEMS的緊湊型紅外光譜儀于“現場使用的分析工具”的應用，并將通過在ASIC（Application Specific Integrated circuit，特殊應用集成電路）芯片以及MEMS-FTIR驅動元件上集成更多功能，從而進一步縮小產品的尺寸，實現與移動設備，如電話、平板電腦、可穿戴設備等的連接使用，正真意義上賦予FTIR光譜儀全新的概念。