ChemPen™成功展示了具有8 cm-1分辨率的单片MEMS迈克尔逊干涉仪，其初步系统级结果如上所示。对现有MEMS 设计的重大贡献包括创新的3-D自组装结构，能够实现3毫米直径的干涉对准，在一个衬底上实现清晰的单片孔径，以及600um镜面运动，同时保持其干涉对准。ChemPen™的成功为高灵敏度和低成本的小型化FTIR系统开辟了一条新的、革命性的道路。
高分辨率微型FTIR光谱仪由大型线性行程MEMS弹出式反射镜实现
1．光学质量
为了在中远红外光谱区域达到所需的反射率，静止和移动的镜子都需要涂上大量的金属，特别是金(Au)。过去，在氢氟酸(HF)中释放之前和之后，确定了典型晶圆级镜面金属化的两个主要技术挑战:(1)由于与必要的粘附促进剂相关的额外残余应力，镜面曲率大幅增加;(2)电子电偶腐蚀，在HF水中，金和多晶硅之间的电极电位差导致多晶硅镜面优先腐蚀，从而产生显著的结构不稳定和晶粒结构扩大。
图1
为了应对这些挑战，ChemPen™开发了一种可替代的释放后金属化技术，该技术消除了高压粘附层的使用，进一步为电子电偶腐蚀提供了基本解决方案。使用定制的阴影掩模组件实现精确对准的批量金属化，该组件允许通过运动耦合在顶部阴影掩模和底板之间进行可重复的-ȝm级对齐。图1说明了装配前的金属化反射镜组件
使用干涉轮廓显微镜(WYKO, NT 2000)测量金属化和组装镜面的表面形貌。与之前记录的数据相比，将释放后金属化与金属涂层结构的各种镜面强化技术相结合，可以显著改善RMS平面度和增加曲率半径。在整个透明孔径上测量到的RMS平坦度小于40 nm，对应于min工作光谱区域2 um的小于波长的1/50。峰谷差小于210 nm，使得整个透明孔径的曲率半径大于80 cm，曲率半径仅为2μm，远小于一条条纹。所开发的工艺具有鲁棒性和高度可重复性。
图2
2. 镜像运动
ChemPen™旨在实现优于8波数(8 cm-1)的分辨率，这需要600 μm物理反射镜位移。如此大的行程是通过连接到大型齿轮和曲柄系统的热致动器系统的组合来实现的。创新的热致动器是与桑迪亚guo家实验室联合开发的。热致动器的棘爪臂与时钟齿轮的棘轮齿啮合，从而使时钟齿轮随致动器的每个热周期(脉冲)旋转。时钟轮然后啮合曲轴齿轮，它有一个相关的连杆附在一个指定的点，以创建一个600微米直径的圆。连杆对平台进行线性位移，平台受线性轨道约束。平台的几何形状配置为2:1(长/宽)长宽比，以提高行程的线性度，同时减少导向机构的机械绑定可能性(图3)。
图3
图4
热致动器以每秒约200次的速度运行，使得镜子在一秒钟内完成一个完整的周期。采用由激光干涉仪头(KEYENCE, LK-G32)和控制器(LKG3001)组成的单点激光测振仪对动镜的运动进行了详细的研究。该仪器允许在±5毫米范围内的位移测量，位置误差小于50纳米。图7中的数据集表示一个镜像周期内的4000多个点。步长遵循正弦模式，在零位移点附近max，而在行程范围的两端接近零。图7所示的一组单独的测量表示瞬态时间响应分析(即。齿轮咔嗒声之间的阶跃响应。在接收到输入信号(即齿轮咔嗒声)后，步长上升时间为1毫秒，响应稳定得很快，这表明这是一个近临界阻尼系统。在沉淀区测得83 nm的峰间值。
图5
在MEMS中，在镜面驱动过程中保持对准精度是一个重大挑战，因为如此大的位移通常是以降低定位精度为代价的。为ChemPen™开发了许多专有的平台导向技术，将平台运动倾斜限制在干涉公差范围内。然后使用一个带有He-Ne激光器的定制设备来表征整个系统的动态对准，特别是在驱动过程中测量的倾斜。首先，氦氖激光被定向到单个移动镜面或完整的干涉仪上。输出激光束从组装好的MEMS反射镜反射出去，传播1.6 m，以放大和测量MEMS反射镜的微小角偏差。在仪器的成像平面上的ccd摄像机通过MEMS迈克尔逊干涉仪的几个驱动周期捕获一系列图像，用于随后的计算机图像处理。
开发的软件使用低通滤波器来澄清图像，然后在图像的每一帧中进行质心计算，计算光束的角偏差。然后对图像进行批量处理，以计算垂直和水平方向上的max倾斜量。利用其专有的导向机构，MEMS的垂直倾斜误差小于0.1º(6弧分)，水平倾斜误差小于0.03º(1.8弧分)。这些结果表明在感兴趣的光谱区域有足够的灵敏度。
3. 干涉对准
为了评估MEMS迈克尔逊干涉仪的干涉对准性，配置了第二套He-Ne激光器测试装置。当反射镜连续工作时，从一个峰到另一个峰穿越600 um，使用CCD相机和图像采集计算机系统记录干涉仪产生的动态干涉图。从动态干涉图视频中获取的精确对齐干涉图的两个静态帧如图8所示。由于即使是目标区域的较短工作波长(即波长= 2.5-14 μm)也大大大于本实验中使用的He-Ne激光器(即波长 = 633 nm)，因此该结果有望进一步提高中远红外光谱区域的调制深度，从而提高仪器的灵敏度。
图6
人们可以对光学元件中每种缺陷的调制深度(或调制效率= M.E.)进行建模和模拟，但考虑到下图所示的静态干涉图，在2.5μm处图像上的条纹会减少2.5/0.633≈4倍，在更长的工作波长处条纹会更少。
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