[发明专利]集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法。

背景技术

光谱仪是根据物质的特征光谱吸收/辐射来分析样品颜色或化学成分的重要分析仪器，在环境监测、食品卫生、生物医药、石化冶金等领域有着广泛的用途。

光谱仪广泛的应用前景对仪器本身也提出了新的要求。传统的光谱仪体积庞大、使用条件苛刻，造价昂贵，只能限制在实验室使用。与之相对，微小型光谱仪具有体积小、便于携带、使用简便等优点，其光谱分辨率也足以满足一般应用领域的测量要求，因此特别适合于现场和在线的快速检测。微小型化已经成为光谱仪发展的必然趋势。

目前市场上已经出现许多商业化的微小型光谱仪，知名的厂商有美国的Ocean，荷兰的Avantes等。这些光谱仪都采用“固定衍射光栅+多通道阵列探测器（电荷耦合器件CCD、二极管阵列等）”的固态化设计，无运动部件抗干扰性强；光路结构上采用精简体积的Czerny-Turner光路或单块平场全息凹面光栅形式，整机一般只有手掌大小。

然而，这种光谱仪仍不能适应在对体积有苛刻要求的场合。如生物工程中的体内组织光谱检测，要求光谱仪具有芯片的体积进行嵌入式测量；对于执行检测任务的机器人，对其光谱仪载荷有严格限制。微光机电系统（MOEMS,Micro Opto-ElectroMechanical Systems）技术的发展为解决上述问题提供了很好的路径。采用光刻、镀膜、刻蚀等微纳加工工艺，能制作出芯片大小的微型光谱仪系统，适合嵌入式的光谱检测应用。

按分光方式分类，基于MOEMS技术的光谱仪主要有傅里叶变换（Fourier Transform，FT）型、法布里-珀罗（Febry-Perot、FP）滤光片型、衍射光栅型等。其中衍射光栅型的MOEMS光谱仪被研究得最多，也是最有可能实现光谱芯片集成的形式。

美国Stanford大学的G.Yee等（Sensors and Actuators A58(1997)61-66），荷兰Delft大学的S.Kong等（Sensors and Actuators A92(2001)88-95），以及我国上海微系统所的李铁等（中国专利200610027341.3）都提出了“平面等栅距光栅+阵列探测器”的方案。该系统完全基于MOEMS工艺，能够实现芯片级的体积，但光谱分辨率不理想。这主要是由于硅微加工工艺一般适合于加工平面元件，对曲面的加工很困难，难以精确加工出准直、成像所需的凹面反射镜、凸透镜等。而普通的平面等栅距光栅没有准直、成像作用，导致系统的像差很大，分辨率较低。

综上，传统的光谱仪虽然具有良好的性能，但是体积庞大，使用条件苛刻，难以集成到嵌入式检测系统中进行实时在线光谱检测。

目前商用化的微小型光栅光谱仪使用了小型的光学元件和简化的光路结构，体积为手掌大，但仍不能适应对体积有严格要求的嵌入式光谱检测要求。

而MOEMS技术是提高光谱仪的集成度达到芯片级的体积的有效手段。MOEMS工艺适合于加工平面元件，对曲面元件的加工较为困难，但凸透镜、凹面反射镜等曲面元件的准直、成像作用对于光谱仪而言是不可或缺的。现有技术的MOEMS光栅光谱仪采用普通的等栅距光栅分光，消除像差效果差，光谱分辨率不理想；此外，现有技术的MOEMS光栅光谱仪缺少对系统入光口——狭缝的设计考虑，而这对于系统整体封装和最终性能是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法，其微型光谱仪实现小体积，便于集成，兼具优良分辨性能，测量效果佳。

本发明的技术方案是：一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，包括阵列光电探测器、上透光平板和下透光平板，所述上透光平板与所述下透光平板相向平行间距设置，所述阵列光电探测器设置于所述下透光平板的下端；所述上透光平板上设置有用于隔离环境光的隔光层，所述隔光层上设置有用于供光线穿过的透射狭缝；所述下透光平板与所述上透光平板相向的一面上设置有变栅距光栅，所述上透光平板与所述下透光平板相向的一面上设置有用于将光线反射至所述阵列光电探测器上的反射部件。

具体地，所述隔光层为黑铬膜层，所述黑铬膜层通过蒸发镀膜或磁控溅射镀制于所述上透光平板的上表面。

具体地，所述透射狭缝的宽度为10至200μm，所述透射狭缝通过刻蚀的方式形成于所述黑铬膜层。

具体地，反射部件为反射镜，所述反射镜通过蒸发镀膜或磁控溅射镀制于所述下透光平板与所述上玻璃相向的一面上。