ChemPen™成功展示了具有8 cm-1分辨率的單片MEMS邁克爾遜幹涉儀(yi) ，其初步係統級結果如上所示。對現有MEMS 設計的重大貢獻包括創新的3-D自組裝結構，能夠實現3毫米直徑的幹涉對準，在一個(ge) 襯底上實現清晰的單片孔徑，以及600um鏡麵運動，同時保持其幹涉對準。ChemPen™的成功為(wei) 高靈敏度和低成本的小型化FTIR係統開辟了一條新的、革命性的道路。
高分辨率微型FTIR光譜儀(yi) 由大型線性行程MEMS彈出式反射鏡實現
1．光學質量
為(wei) 了在中遠紅外光譜區域達到所需的反射率，靜止和移動的鏡子都需要塗上大量的金屬，特別是金(Au)。過去，在氫氟酸(HF)中釋放之前和之後，確定了典型晶圓級鏡麵金屬化的兩(liang) 個(ge) 主要技術挑戰:(1)由於(yu) 與(yu) 必要的粘附促進劑相關(guan) 的額外殘餘(yu) 應力，鏡麵曲率大幅增加;(2)電子電偶腐蝕，在HF水中，金和多晶矽之間的電極電位差導致多晶矽鏡麵優(you) 先腐蝕，從(cong) 而產(chan) 生顯著的結構不穩定和晶粒結構擴大。
圖1
為(wei) 了應對這些挑戰，ChemPen™開發了一種可替代的釋放後金屬化技術，該技術消除了高壓粘附層的使用，進一步為(wei) 電子電偶腐蝕提供了基本解決(jue) 方案。使用定製的陰影掩模組件實現精確對準的批量金屬化，該組件允許通過運動耦合在頂部陰影掩模和底板之間進行可重複的-ȝm級對齊。圖1說明了裝配前的金屬化反射鏡組件
使用幹涉輪廓顯微鏡(WYKO, NT 2000)測量金屬化和組裝鏡麵的表麵形貌。與(yu) 之前記錄的數據相比，將釋放後金屬化與(yu) 金屬塗層結構的各種鏡麵強化技術相結合，可以顯著改善RMS平麵度和增加曲率半徑。在整個(ge) 透明孔徑上測量到的RMS平坦度小於(yu) 40 nm，對應於(yu) min工作光譜區域2 um的小於(yu) 波長的1/50。峰穀差小於(yu) 210 nm，使得整個(ge) 透明孔徑的曲率半徑大於(yu) 80 cm，曲率半徑僅(jin) 為(wei) 2μm，遠小於(yu) 一條條紋。所開發的工藝具有魯棒性和高度可重複性。
圖2
2. 鏡像運動
ChemPen™旨在實現優(you) 於(yu) 8波數(8 cm-1)的分辨率，這需要600 μm物理反射鏡位移。如此大的行程是通過連接到大型齒輪和曲柄係統的熱致動器係統的組合來實現的。創新的熱致動器是與(yu) 桑迪亞(ya) guo家實驗室聯合開發的。熱致動器的棘爪臂與(yu) 時鍾齒輪的棘輪齒齧合，從(cong) 而使時鍾齒輪隨致動器的每個(ge) 熱周期(脈衝(chong) )旋轉。時鍾輪然後齧合曲軸齒輪，它有一個(ge) 相關(guan) 的連杆附在一個(ge) 指定的點，以創建一個(ge) 600微米直徑的圓。連杆對平台進行線性位移，平台受線性軌道約束。平台的幾何形狀配置為(wei) 2:1(長/寬)長寬比，以提高行程的線性度，同時減少導向機構的機械綁定可能性(圖3)。
圖3
圖4
熱致動器以每秒約200次的速度運行，使得鏡子在一秒鍾內(nei) 完成一個(ge) 完整的周期。采用由激光幹涉儀(yi) 頭(KEYENCE, LK-G32)和控製器(LKG3001)組成的單點激光測振儀(yi) 對動鏡的運動進行了詳細的研究。該儀(yi) 器允許在±5毫米範圍內(nei) 的位移測量，位置誤差小於(yu) 50納米。圖7中的數據集表示一個(ge) 鏡像周期內(nei) 的4000多個(ge) 點。步長遵循正弦模式，在零位移點附近max，而在行程範圍的兩(liang) 端接近零。圖7所示的一組單獨的測量表示瞬態時間響應分析(即。齒輪哢嗒聲之間的階躍響應。在接收到輸入信號(即齒輪哢嗒聲)後，步長上升時間為(wei) 1毫秒，響應穩定得很快，這表明這是一個(ge) 近臨(lin) 界阻尼係統。在沉澱區測得83 nm的峰間值。
圖5
在MEMS中，在鏡麵驅動過程中保持對準精度是一個(ge) 重大挑戰，因為(wei) 如此大的位移通常是以降低定位精度為(wei) 代價(jia) 的。為(wei) ChemPen™開發了許多專(zhuan) 有的平台導向技術，將平台運動傾(qing) 斜限製在幹涉公差範圍內(nei) 。然後使用一個(ge) 帶有He-Ne激光器的定製設備來表征整個(ge) 係統的動態對準，特別是在驅動過程中測量的傾(qing) 斜。首先，氦氖激光被定向到單個(ge) 移動鏡麵或完整的幹涉儀(yi) 上。輸出激光束從(cong) 組裝好的MEMS反射鏡反射出去，傳(chuan) 播1.6 m，以放大和測量MEMS反射鏡的微小角偏差。在儀(yi) 器的成像平麵上的ccd攝像機通過MEMS邁克爾遜幹涉儀(yi) 的幾個(ge) 驅動周期捕獲一係列圖像，用於(yu) 隨後的計算機圖像處理。
開發的軟件使用低通濾波器來澄清圖像，然後在圖像的每一幀中進行質心計算，計算光束的角偏差。然後對圖像進行批量處理，以計算垂直和水平方向上的max傾(qing) 斜量。利用其專(zhuan) 有的導向機構，MEMS的垂直傾(qing) 斜誤差小於(yu) 0.1º(6弧分)，水平傾(qing) 斜誤差小於(yu) 0.03º(1.8弧分)。這些結果表明在感興(xing) 趣的光譜區域有足夠的靈敏度。
3. 幹涉對準
為(wei) 了評估MEMS邁克爾遜幹涉儀(yi) 的幹涉對準性，配置了第二套He-Ne激光器測試裝置。當反射鏡連續工作時，從(cong) 一個(ge) 峰到另一個(ge) 峰穿越600 um，使用CCD相機和圖像采集計算機係統記錄幹涉儀(yi) 產(chan) 生的動態幹涉圖。從(cong) 動態幹涉圖視頻中獲取的精確對齊幹涉圖的兩(liang) 個(ge) 靜態幀如圖8所示。由於(yu) 即使是目標區域的較短工作波長(即波長= 2.5-14 μm)也大大大於(yu) 本實驗中使用的He-Ne激光器(即波長 = 633 nm)，因此該結果有望進一步提高中遠紅外光譜區域的調製深度，從(cong) 而提高儀(yi) 器的靈敏度。
圖6
人們(men) 可以對光學元件中每種缺陷的調製深度(或調製效率= M.E.)進行建模和模擬，但考慮到下圖所示的靜態幹涉圖，在2.5μm處圖像上的條紋會(hui) 減少2.5/0.633≈4倍，在更長的工作波長處條紋會(hui) 更少。
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