基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器，包括：光会聚模块；微振镜模块，设置于光会聚模块的出射光路上，接收光会聚模块射出的光并进行不同角度的反射；滤光模块，设置于微振镜模块的出射光路上，接收振镜模块反射的光并进行过滤，得到若干个不同波长单色光的光信号；探测模块，与滤光模块相连接，设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，读出滤光模块所得到的光信号以获得光谱图。通过上述方案，本实用新型专利技术的光谱仪采用集成滤光片及基于MEMS技术的微振镜，简化了传统机械结构以及光栅棱镜等大型器件，使光谱仪集成化高、体积小，提高了单位像元光强度和光利用效率、信噪比及测量精度和灵敏度，降低了光谱仪整体功耗。

Micro spectrometer and gas sensor based on MEMS microvibratory mirror

The utility model provides a MEMS micro miniature spectrometer, galvanometer gas sensor, which is based on a light converging module; micro mirror module is arranged in the light converging module of the emergent light path, the reflected light receiving module and light from different angles; filter module is arranged on the micro mirror module emergent light path, filtered mirror reflected light receiving module and optical signal, obtained several different wavelengths of monochromatic light; detection module, which is connected with the filter module, the focus position is arranged on the light converging module of light, read out the optical signal filter resulting module to obtain spectra. Through the above scheme, the utility model adopts integrated filter spectrometer and micro mirror based on MEMS technology, simplifies the traditional mechanical structure and grating prism and other large devices, so that the spectrometer high integration, small volume, improved the unit pixel light intensity and light use efficiency, SNR and measurement accuracy and sensitivity, reduce the overall power spectrum.

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器
本技术属于光学测量
，特别是涉及一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器。
技术介绍
光谱仪已广泛应用于各个领域，它通过光谱信号并分析其物质成分和含量。传统的分光方式主要有旋转光栅、棱镜和滤光片转轮的时间分解方法，但这涉及到机械传动装置，速度慢，结构复杂；还有用光栅棱镜和分束滤光片的空间分解方法，相应的仪器也要占据较大的空间。目前，大多数光谱仪还都是大型仪器，只能在实验室和工厂等相对固定的场所使用，但由于近年来人们对食品质量要求越来越高，人们对小型化、便携式的光谱仪需求越来越大，因此，为了解决小型化的问题，人们一直在寻找有效的解决途径，滤光片列阵是二十世纪八十年代开始研究发展起来的一种微型空间滤光器，将它与探测器相结合，可以大大简化分光系统。现阶段主要有两种微型空间滤光器：一种集成窄带滤光片阵，另一种是渐变式滤光片。后续，人们开始把这两种集成滤光片技术用在小型光谱仪的制备或集成在手机中，但是，由于窄带集成滤光片透过率低，体积小，密度高，导致透光量很少，所得到的光谱信息精度差，灵敏度不高，从而导致分辨率低，只能用在光谱信息差别很大的物体检测上，失去了光谱仪能够精密检测物质信息这一优势，使得如今的光谱仪不能得到普及。然而，扫描振镜作为一种传统的光学元件，常用于光学成像、大型光谱仪和投影等领域中，然而，由于传统扫描振镜自身结构大以及采用步进电机驱动，很难应用在空间有限的微小光学扫描系统。近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的发展，德国Hiperscan、美国Microvision及日本东京大学等单位研制的MEMS扫描镜成功地解决了这个问题。由于具有体积小、重量轻、成本低及功耗小等诸多显著优点，MEMS扫描镜在光通信、投影显示、物体识别、数据存储及生物医学等领域有着广泛的应用前景，目前，国内研究MEMS扫描镜的单位有北京大学、西北工业大学及天津大学等，尚处于起步阶段。因此，提供一种既保持传统滤光片集成度高、小型化、处理速度快优势，又能实现良好的测量精度、灵敏度以及信噪比的光谱仪实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器，用于解决现有技术中集成窄带滤光片只能用在光谱信息差别很大的物体检测上以及现有光谱仪的测量精度低、灵敏度和信噪比差等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本技术提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪，包括：光会聚模块，用于会聚待测物所反射的光；微振镜模块，设置于所述光会聚模块的出射光路上，用于接收所述光会聚模块射出的光并将其进行不同角度的反射；滤光模块，设置于所述微振镜模块的出射光路上，用于接收所述微振镜模块反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及探测模块，与所述滤光模块相连接，且设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，所述探测模块读出所述滤光模块所得到的所述光信号以获得所述光信号的光谱图。作为本技术的一种优选方案，所述滤光模块包括集成窄带滤光片，所述集成窄带滤光片包括m×n个谐振腔，其中，m和n均为大于等于1的整数，且所述谐振腔具有不同的厚度，不同厚度的所述谐振腔过滤得到不同波长单色光的所述光信号。作为本技术的一种优选方案，所述集成窄带滤光片包括依次叠置的下层膜系、间隔层以及上层膜系，所述间隔层包括m×n个所述谐振腔，所述上层膜系与所述下层膜系呈镜面对称设置。作为本技术的一种优选方案，所述上层膜系与所述下层膜系的厚度相同，且均包括依次叠置的低折射率膜层和高折射率膜层。作为本技术的一种优选方案，所述滤光模块包括渐变滤光片，所述渐变滤光片包括基板及位于所述基板上表面的涂层，所述涂层与所述基板上表面之间的距离呈线性或阶梯形渐变，以过滤得到不同波长单色光的所述光信号。作为本技术的一种优选方案，所述微振镜模块包括衬底、设置于所述衬底上的扭转组件及设置于所述扭转组件上的微镜组件，所述扭转组件带动所述微镜组件偏转，所述微镜组件接收并反射所述光会聚模块射出的光。作为本技术的一种优选方案，所述微振镜模块还包括设置于所述衬底上的线圈组件和磁性组件，其中，所述磁性组件的磁场力作用于所述线圈组件，所述线圈组件受力发生偏转，并通过所述扭转组件带动所述微镜组件偏转。作为本技术的一种优选方案，所述微镜组件为反射镜，所述反射镜的面积大于等于其所接收的光的面积，且其偏转角度为0～23°。作为本技术的一种优选方案，所述微振镜模块还包括设置于所述衬底上的位置传感器，用于检测所述微镜组件的偏转角度并将其检测值传送至角度控制系统，以实现对所述微镜组件的偏转角度的补偿。作为本技术的一种优选方案，所述探测模块包括若干个探测像元，若干个所述探测像元读出所述光信号并得到其光谱图，其中，预设数量个所述探测像元对应所述滤波模块所产生的一个波长单色光的所述光信号。本技术还提供一种集成气体传感器，包括如上述任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪。作为本技术的一种优选方案，所述过滤模块包括若干个具有不同预设厚度的谐振腔，所述预设厚度依据待测气体的特征峰值设置。本技术还提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，包括如下步骤：1)提供一如上述任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪；2)采用电磁驱动的方式驱动所述微振镜模块偏转，以将所述微振镜模块接收的所述光会聚模块射出的光进行不同角度的反射；3)控制所述微振镜模块反射的光通过所述滤光模块并聚焦至所述探测模块上，以获得不同波长单色光的光信号的光谱图，实现光谱检测。作为本技术的一种优选方案，步骤2)中，所述电磁驱动的方式具体为：向所述微振镜模块的线圈组件中通入驱动电流，以使所述线圈组件在所述微振镜模块的磁性组件的磁场力的作用下发生偏转，所述线圈组件通过所述微振镜模块的扭转组件带动所述微振镜模块的微镜组件偏转，其中，所述驱动电流的大小和频率依据所述探测模块的像素间隔和采样周期设定。作为本技术的一种优选方案，步骤2)中，所述驱动电流由驱动电路产生，其中，所述探测模块开始采样时，产生第一脉冲信号以控制所述驱动电路产生所述驱动电流，所述探测模块停止采样时，产生第二脉冲信号以控制所述驱动电路停止产生所述驱动电流。作为本技术的一种优选方案，所述微振镜模块还包括位置传感器，所述位置传感器检测所述微镜组件的偏转角度并将其检测值传送至所述驱动电路，所述驱动电路根据其接收的偏转角度的位置信息以及预设参数值，实现所述偏转角度的补偿。作为本技术的一种优选方案，所述探测模块的采样模式为循环采样，其中，所述探测模块开始采样时，产生的所述第一脉冲信号为预定频率的锯齿形脉冲，以使所述微振镜模块进行循环扫描，实现所述探测模块的循环采样。如上所述，本技术的基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器，具有以下有益效果：1)本技术的基于MEMS微振镜的微型光谱仪采用集成滤光片以及基于MEMS技术的微振镜，简化了传统的机械结构以及光栅棱镜等的大型器件，使光谱仪具有集成化高，体积小，重量轻，方便携带的特点；2)本技术加入了振镜扫描的结构，相比传统的只有滤光片和CMO本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，包括：光会聚模块，用于会聚待测物所反射的光；微振镜模块，设置于所述光会聚模块的出射光路上，用于接收所述光会聚模块射出的光并将其进行不同角度的反射；滤光模块，设置于所述微振镜模块的出射光路上，用于接收所述微振镜模块反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及探测模块，与所述滤光模块相连接，且设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，所述探测模块读出所述滤光模块所得到的所述光信号以获得所述光信号的光谱图。

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，包括：光会聚模块，用于会聚待测物所反射的光；微振镜模块，设置于所述光会聚模块的出射光路上，用于接收所述光会聚模块射出的光并将其进行不同角度的反射；滤光模块，设置于所述微振镜模块的出射光路上，用于接收所述微振镜模块反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及探测模块，与所述滤光模块相连接，且设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，所述探测模块读出所述滤光模块所得到的所述光信号以获得所述光信号的光谱图。2.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述滤光模块包括集成窄带滤光片，所述集成窄带滤光片包括m×n个谐振腔，其中，m和n均为大于等于1的整数，且所述谐振腔具有不同的厚度，不同厚度的所述谐振腔过滤得到不同波长单色光的所述光信号。3.根据权利要求2所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述集成窄带滤光片包括依次叠置的下层膜系、间隔层以及上层膜系，所述间隔层包括m×n个所述谐振腔，所述上层膜系与所述下层膜系呈镜面对称设置。4.根据权利要求3所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述上层膜系与所述下层膜系的厚度相同，且均包括依次叠置的低折射率膜层和高折射率膜层。5.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述滤光模块包括渐变滤光片，所述渐变滤光片包括基板及位于所述基板上表面的涂层，所述涂层与所述基板上表面之间的距离呈线性或阶梯形渐变，以过滤得到不同波长单色光的所述光信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中阳，李文文，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：新型
国别省市：上海,31