MEMS fourier transform spectrometer using lamellar grating

Abstract

Fourier Dönüşümü Kızılötesi (FTIR) Spektroskopi kimyasal ve/veya biyolojik maddelerin tanımlanması ve analizinde çokça kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde tüm ışık bir foto detektörün üstünde toplandığından diğer yöntemlere kıyasla birçok avantajı vardır. Bunlara örnek olarak yüksek işaret-gürültü oranı ve ölçüm hızı, küçültülebilir ve ucuzlatılabilir olması verilebilir. Mevcut FTIR spektrometreler çoğunlukla eğitimli personel tarafından kullanılabilen, büyük ve hassas cihazlardır. Diğer taraftan, değişik endüstrilerde, sahada kullanılmak üzere bu cihazlara büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Bu ihtiyaç, FTIR spektrometrelerin küçültülmesi ve dayanıklılaştırılması gereğini doğurur.Bu tezde, 7inci çerçeve projesi olan Avrupa Komisyonu tarafından desteklenen MEMFIS kapsamında, Mikro-Elektro-Mekanik-Sistemler (MEMS) teknolojisi kullanılarak Kırınım Izgaralı Girişimölçerli (LGI) FTIR spektrometreler için bir MEMS cihazı geliştirilmiştir. Cihazın optik, mekanik ve elektromekanik özellikleri eniyileştirilmiş ve mevcut benzerlerine göre önemli ölçüde geliştirilmiştir. Kırınım ızgarası yönteminin teorik limitleri Fourier optiği prensipleri kullanılarak ortaya konmuş ve optik sistem tasarımı ve eniyileştirilmesi kapsamında ızgara şekil ve periyodu tasarlanmıştır. Cihazın optik verimliliği yapılan sayısal analizlerle orta dalga kızılötesinde (2.5?m ? 16?m) çalışacak şekilde geliştirilmiştir. Cihazın düzlem dışı hareketi ANSYSTM sonlu elementler modelleme programı kullanılarak tasarlanan pantograf tipi yapılarla sağlanarak, hareket genliği ±500 ?m'ye çıkarılmış; aynı zamanda darbe ve sarsıntıya dayanırlılığı artırılmıştır. Böylelikle teorik spektral çözünürlük 10 cm-1'e kadar iyileştirilmiştir. Buna göre daha önce Koç Üniversitesi'nde geliştirilen MEMS cihaza göre 10 kat daha iyi bir performans beklenmektedir. Yansıtıcı ızgaralardaki dinamik deformasyon yardımcı süspansiyon mekanizmayla 300nm'ye düşürülerek çözünürlük üstündeki olumsuz etkileri yok edilmiştir. Doğrusal olmayan elektromekanik sürme sistemi detaylı olarak analiz edilmiştir ve istenen performansın 200 V'un altında vakum paketine gerek olmadan elde edilebileceği gösterilmiştir.

Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy is a widely used method for chemical and/or biological substance analysis and identification. FTIR uses a single photodetector instead of an array of detectors and offers several advantages over the other spectroscopy methods such as high signal to noise ratio, high throughput, compact form-factor, and low-cost. Currently the FTIR spectrometers are mostly bulky and sensitive instruments which can be used under laboratory conditions by trained persons. However, there is a great need for portable instruments in various industrial fields.In this thesis, a lamellar grating interferometer (LGI) device using Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) technology is developed as a part of an 7th framework project MEMFIS funded by EU, which aims at developing an ultra-small FTIR spectrometer system. The mechanical, optical, and electro-mechanical properties of the device are optimized and significantly improved compared to the state-of-the art in this area. Theoretical limits of the LGI are established using Fourier optics theory, and diffraction grating shape and period are optimized as part of the optical system design and optimization study. Numerical analyses are made to optimize optical efficiency of the device for the mid-wavelength infrared (2.5 ?m ? 16 ?m). To improve the mechanical design, pantograph-type spring suspensions are designed using ANSYS? finite element modeling tool to increase the translational amplitude of the device to ±500um and to improve shock and vibration survivability. Thus, the theoretical spectral resolution limit is enhanced to 10 cm-1, which should provide a 10-fold increase over the previous generation MEMS FTS system demonstrated at Koç University. Negative effects of the dynamic deformation of the grating reflectors on the spectral resolution are eliminated by limiting it to 300 nm by decoupling the mechanical springs from the diffraction gratings. Electro-mechanical properties of the nonlinear actuator are analyzed in detail and the expected full-performance should be achievable with <200V and without using a vacuum package.