电磁式扫描光栅微镜设计

周颖; 黄云彪; 李东玲; 温泉

doi:10.37188/OPE.20212909.2048

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电磁式扫描光栅微镜设计

现代应用光学 | 更新时间：2021-10-08

- 电磁式扫描光栅微镜设计
- Design of electromagnetic scanning grating micromirror
- 光学精密工程 2021年29卷第9期页码：2048-2057
- 作者机构：
  
  1.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121
  2.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030
- 作者简介：
  
  [ "周　颖（1986-），男，河南南阳人，博士，高级工程师，2018年于重庆大学获得博士学位，主要从事微纳器件和实验室科学仪器等方面的研究。E-mail：zhouying314422@163.com" ]
  [ "黄云彪（1967-），男，重庆人，硕士，正高级工程师，现为重庆川仪自动化股份有限公司首席专家，技术中心主任，国家“863”、重庆市科技项目和重庆市综合评标专家库专家，重庆市仪器仪表专业高级专业技术资格评审委员会委员、中国机电一体化技术应用协会副理事长、过程控制仪表与系统工作委员会副理事长，主要从事信号检测与处理，自动控制及嵌入式系统的研究。E-mail： hybmail@163.com黄云彪（1967-），男，重庆人，硕士，正高级工程师，现为重庆川仪自动化股份有限公司首席专家，技术中心主任，国家“863”、重庆市科技项目和重庆市综合评标专家库专家，重庆市仪器仪表专业高级专业技术资格评审委员会委员、中国机电一体化技术应用协会副理事长、过程控制仪表与系统工作委员会副理事长，主要从事信号检测与处理，自动控制及嵌入式系统的研究。E-mail： hybmail@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2018YFF01011200)
- DOI：10.37188/OPE.20212909.2048
  中图分类号： TN214;TH741
- 收稿日期：2021-02-25，
  
  修回日期：2021-03-30，
  
  纸质出版日期：2021-09-15
- 稿件说明：
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周颖,黄云彪,李东玲等.电磁式扫描光栅微镜设计[J].光学精密工程,2021,29(09):2048-2057.

ZHOU Ying,HUANG Yun-biao,LI Dong-ling,et al.Design of electromagnetic scanning grating micromirror[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2048-2057.
周颖,黄云彪,李东玲等.电磁式扫描光栅微镜设计[J].光学精密工程,2021,29(09):2048-2057. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2048.

ZHOU Ying,HUANG Yun-biao,LI Dong-ling,et al.Design of electromagnetic scanning grating micromirror[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2048-2057. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2048.

摘要

扫描光栅微镜是微型光谱仪的新一代核心分光器件。基于固定光栅分光的微型光谱仪由于采用阵列探测器在近红外波段价格昂贵，严重制约了近红外光谱分析技术的推广应用。本文提出了一种电磁式扫描光栅微镜，该器件采用微纳加工工艺，集光栅、驱动结构、角传感器于一体，可实现单管探测器替代阵列探测器。建立了电磁式扫描光栅微镜的理论模型，分析了梁尺寸、镜面尺寸等主要结构参数对器件性能指标的影响，获得器件的设计参数。使用微纳加工方法制作电磁式扫描光栅微镜芯片，并测试了性能指标。实验与理论结果表明：当器件扫描角度为±7°，光谱达800~2 500 nm，闪耀波长附近的衍射效率≥70%，角传感器的控制精度≤0.05°，为应用于微型近红外光谱仪提供了一种有效方案。

Abstract

Scanning grating micromirror is a new generation core diffraction component of micro spectrometer. However，due to using of linear sensor which is too expensive in near infrared， the application of near infrared spectrum analysis technology is seriously restricted. In this paper， we present an electromagnetic scanning grating micromirror which is fabricated by Micro-Electro-Mechanical System（MEMS） technology. This device integrates with grating， driving actuator and angle sensor. It can replace array detectors with single detector. First， we design the theoretical model， and analyse the impact of main structural parameters such as beam size and mirror size on device performance. Based on these， the optimized design parameters for scanning grating micromirror are obtained. Subsequently， we fabricate this device by MEMS technology and test its performance. The experimental and theoretical results show that when the scanning angle is ±7

，the spectral range is 800-2 500 nm，the diffraction efficiency near the blazed wavelength is ≥70%， and the control precision of angle sensor is ≤ 0.05

， This result demonstrates that the using of our device in micro spectrometer is effective.

关键词

Keywords

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CIRILLI M ， BELLINCONTRO A ， URBANI S ， et al . On-field monitoring of fruit ripening evolution and quality parameters in olive mutants using a portable NIR-AOTF device ［J］. Food Chemistry ， 2016 ， 199 ： 96 - 104 . doi: 10.1016/j.foodchem.2015.11.129 http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.11.129

MORA-RUIZ M E ， REBOREDO-RODRÍGUEZ P ， SALVADOR M D ， et al . Assessment of polar phenolic compounds of virgin olive oil by NIR and mid-IR spectroscopy and their impact on quality ［J］. European Journal of Lipid Science and Technology ， 2017 ， 119 （ 1 ）： 1600099 . doi: 10.1002/ejlt.201600099 http://dx.doi.org/10.1002/ejlt.201600099

BORDAGARAY A ， DÁVILA S ， GARCIA-ARRONA R ， et al . Simultaneous determination of food colorants in liquid samples by UV-Visible spectroscopy and multivariate data analysis using a reduced calibration matrix ［J］. Journal of Chemometrics ， 2019 ， 33 （ 10 ）： e3176 . doi: 10.1002/cem.3176 http://dx.doi.org/10.1002/cem.3176

MISHRA M K ， DUBEY V ， MISHRA P M ， et al . MEMS technology： a review ［J］. Journal of Engineering Research and Reports ， 2019 ： 1 - 24 . doi: 10.9734/jerr/2019/v4i116891 http://dx.doi.org/10.9734/jerr/2019/v4i116891

HANE K . Silicon optical MEMS：optical components and sensors ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2002 ， 10 （ 6 ）： 632 - 633 . doi: 10.1201/9781420040692.ch4 http://dx.doi.org/10.1201/9781420040692.ch4

周兆英，叶雄英，崔天宏，等 . 微米纳米技术及微型机电系统［J］. 光学精密工程， 1998 ， 6 （ 1 ）： 1 - 7 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.1998.01.001 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.1998.01.001

ZHOU ZH Y ， YE X Y ， CUI T H ， et al . Microtechnology/nanotechnology and MEMS ［J］. Opt. Precision Eng. ， 1998 ， 6 （ 1 ）： 1 - 7 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.1998.01.001 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.1998.01.001

许非，周晓彬，刘政波，等 . 马维光近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 5 ）： 933 - 939 .

XU F ， ZHOU X B ， LIU ZH B ， et al . Near-infrared optical-feedback linear cavity-enhanced absorption spectroscopys ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 5 ）： 933 - 939 . （in Chinese）

刘英明，徐静，钟少龙，等 . 垂直梳齿驱动的大尺寸MOEMS扫描镜［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 2 ）： 400 - 407 . doi: 10.3788/ope.20132102.0400 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132102.0400

LIU Y M ， XU J ， ZHONG SH L ， et al . Large-scale MOEMS scanning mirror actuated by vertical comb ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 2 ）： 400 - 407 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20132102.0400 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132102.0400

SEO Y H ， HWANG K ， KIM H ， et al . Scanning MEMS mirror for high definition and high frame rate lissajous patterns ［J］. Micromachines ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 67 . doi: 10.3390/mi10010067 http://dx.doi.org/10.3390/mi10010067

GU-STOPPEL S ， GIESE T ， QUENZER H J ， et al . Piezoelectrically driven and sensed micromirrors with extremely large scan angles and precise closed-loop control ［J］. Proceedings of Eurosensors 2017 , 2017 ， 1 （ 4 ）： 561 . doi: 10.3390/proceedings1040561 http://dx.doi.org/10.3390/proceedings1040561

CHEN S H ， MICHAEL A ， KWOK C Y . Design and modeling of piezoelectrically driven micro-actuator with large out-of-plane and low driving voltage for micro-optics ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2019 ， 28 （ 5 ）： 919 - 932 . doi: 10.1109/jmems.2019.2935007 http://dx.doi.org/10.1109/jmems.2019.2935007

ZHOU L ， ZHANG X Y ， XIE H K . An electrothermal Cu/W bimorph tip-tilt-piston MEMS mirror with high reliability ［J］. Micromachines ， 2019 ， 10 （ 5 ）： 323 . doi: 10.3390/mi10050323 http://dx.doi.org/10.3390/mi10050323

JIA K M ， PAL S ， XIE H K . An electrothermal tip-tilt-piston micromirror based on folded dual S-shaped bimorphs ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2009 ， 18 （ 5 ）： 1004 - 1015 . doi: 10.1109/jmems.2009.2023838 http://dx.doi.org/10.1109/jmems.2009.2023838

CHEN L ， GU W W ， WEN Q ， et al . Highly reliable electromagnetic MOEMS scanning grating mirror based on folded torsion beam with fillet corners ［J］. Modern Physics Letters B ， 2020 ， 34 （ 30 ）： 2050343 . doi: 10.1142/s0217984920503431 http://dx.doi.org/10.1142/s0217984920503431

XIAO Q J ， WANG Y ， DRICOT S ， et al . Design and experiment of an electromagnetic levitation system for a micro mirror ［J］. Microsystem Technologies ， 2019 ， 25 （ 8 ）： 3119 - 3128 . doi: 10.1007/s00542-019-04452-w http://dx.doi.org/10.1007/s00542-019-04452-w

HOPCROFT M A ， NIX W D ， KENNY T W . What is the Young's modulus of silicon？［J］ . Journal of Microelectromechanical Systems ， 2010 ， 19 （ 2 ）： 229 - 238 . doi: 10.1109/jmems.2009.2039697 http://dx.doi.org/10.1109/jmems.2009.2039697

MOUROULIS P ， WILSON D W ， MAKER P D ， et al . Convex grating types for concentric imaging spectrometers ［J］. Applied Optics ， 1998 ， 37 （ 31 ）： 7200 - 7208 . doi: 10.1364/ao.37.007200 http://dx.doi.org/10.1364/ao.37.007200

ARNONE C ， SCELSI G B . Anisotropic laser etching of oxidized （100） silicon ［J］. Applied Physics Letters ， 1989 ， 54 （ 3 ）： 225 - 227 . doi: 10.1063/1.101443 http://dx.doi.org/10.1063/1.101443

刘益芳，陈丹儿，戴婷婷 . 无源 MEMS 压力开关的设计与制备［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1133 - 1139 . doi: 10.3788/ope.20182605.1133 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182605.1133

LIU Y F ， CHEN D E ， DAI T T . Design and fabrication of passive MEMS pressure switch ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1133 - 1139 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182605.1133 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182605.1133

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