面向移动应用的紧凑型MEMS近红外光谱技术，助力物质识别与食品检测
2026-07-17 20:56:22 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
基于MEMS扫描镜的微型光谱仪的基本原理早已为人们所知。它通过MEMS扫描镜改变入射到固定式衍射光栅上的光束角度，从而实现波长扫描，而无需对光栅进行机械旋转。
据麦姆斯咨询介绍，近年来，便携式近红外（NIR）光谱技术引起了人们的广泛关注。这项光谱技术可对固体或液体样品的化学成分进行现场实时测量，适用于物质识别、真伪鉴别或质量参数评估等相关测量任务，尤其适用于含有机化合物的样品，但其应用范围不限于此。
为实现上述目标，近红外吸收光谱法作为一种分子光谱分析方法，早在20世纪初便已确立。电磁辐射与物质的相互作用通常能够在一定范围内确定样品的化学成分。在近红外光谱中，样品在特定波长或光谱波段对辐射的吸收是主要的相互作用机制。光的吸收量遵循著名的朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律。
如果已知测量参数——光程长度（l）和跃迁参数（f），则通过已知的入射光辐照度（I₀）和穿过物质后测得的光强（I），即可直接计算出与跃迁相关的物质组分密度（N），有助于计算样品的材料特性。
该方法可用于多种应用场景，从回收过程中的材料分拣，到水果成熟度或新鲜度等质量参数的评估。近红外区域始于可见光边界780 nm，延伸至中红外区域的起始点3000 nm。在此区域内，光子被吸收后，会激发各类物质分子振动的倍频带与合频带。这些谱带表现出吸收强度较弱且跃迁谱带较宽的特征。因此，典型的吸收谱带半峰全宽（FWHM）约为10 nm。
这种微弱的吸收特性使得光线能够穿透毫米级至厘米级的深度，从而实现对物体内部的探测。由于谱带较宽且相互重叠，数据分析较为复杂，尤其是对于含有多种官能团（如C-C、C-H、C-X的单键、双键和三键）的大型有机分子而言。许多应用需要借助被称为“化学计量学”的复杂数学方法，并结合先前对标准模型样品进行测量所获得的参考数据，才能实现定量分析。
最常见的原理是使用能够发射已知“白光”光谱的合适光源照射样品。光与样品材料发生相互作用后，无论是透射还是漫反射，均被光谱仪设备捕获并分析。早期设备曾使用基于棱镜的光谱仪，并利用照相乳剂来一次性记录整个光谱。随着高质量光栅和高灵敏度单像素光子探测器的问世，出现了著名的Czerny-Turner型或Ebert-Fastie型扫描光谱仪。现代探测器采用线阵或面阵排列的大量像素，可实现高分辨率光谱的并行采集。此外，过去主要应用于中红外波段的傅里叶变换（FT）光谱仪也已进入近红外领域。在实验室应用中，这些可靠工具服务于多种不同的化学分析需求。
随着日常生活中越来越多地涉及以有机物为基础的物质，更多应用场景随之涌现。人体、食品及原料溯源、药品和化妆品，乃至我们的衣物、家具和其它用品，大多由碳基化合物构成。通过广泛应用光谱分析技术，我们可以在营养、健康、医药及医疗用品领域，以及消费品、工业技术产品（例如塑料、燃料和润滑油）的分析和环境监测方面，进一步提升质量与水平。
长期以来，人们一直采取取样并将样品送至实验室的方式，利用大型超高精度设备在严格控制的条件下进行测量，并基于参考数据建立化学计量模型进行评估。对于某些特定应用，这种方案是合适的。然而，其它一些移动式/便携式应用则更受益于现场实时检测能力，例如针对食品新鲜度测定这类理化性质易发生动态变化的样品进行分析。
从成熟的实验室分析向移动端应用的转化，得益于自20世纪50年代以来科学研究积累的经验及分析模型的实现。目前已有多款微型近红外光谱仪问世，可集成于手持设备甚至智能手机之中。早期的设计方案基于光电探测器阵列和固定式光栅器件。
图1 可用于智能手机的微型光谱仪
近年来，MEMS扫描光栅和MEMS傅里叶变换光谱仪已开始投入实际应用。此外，还实现了采用铟镓砷（InGaAs）甚至硅基光电探测器，基于滤光片的光谱仪解决方案，但需注意硅基探测器的响应上限为1050 nm。除光谱范围外，所有光谱分析系统在光谱分辨率、波长稳定性及波长重现性方面都面临相似的要求。如今，整体尺寸、生产成本和功耗也日益成为关键考量因素。
遗憾的是，由于适配近红外波段的铟镓砷光电探测器成本高昂，特别是当需要使用阵列探测器时，这一技术在广泛应用方面至今仍未取得重大突破。
图2 单轴MEMS扫描镜
一种实现紧凑型近红外光谱仪的新方法是采用简单的单轴MEMS扫描镜（如图2所示）。这种方法具有若干优势：生产工艺得以简化，因为无需在硅片上刻蚀复杂的三维光栅结构；同时，刻蚀工艺引起的硅结构应力也相应降低。由于光路设计的原因，在相同光谱范围内，其所需的偏转角度仅为扫描光栅的一半。此外，光谱仪系统中装配的光栅也可以便捷更换和调整。
基于MEMS扫描镜的微型光谱仪的基本原理早已为人们所知。它通过MEMS扫描镜改变入射到固定式衍射光栅上的光束角度，从而实现波长扫描，而无需对光栅进行机械旋转。这种设计继承了Czerny–Turner型光谱仪的经典光路结构，同时利用MEMS扫描镜实现了系统的小型化和高速扫描。
通过MEMS扫描镜的镜面偏转，可连续改变光束入射固定式光栅的角度，从而使色散光谱在出射狭缝处依次扫描。出射狭缝后的单像素探测器逐点采集各波长的光强信号，并通过MEMS扫描镜运动与探测器读出的同步控制，实现完整光谱的获取。这是一种典型的波长扫描型MEMS微型光谱仪工作原理。
Czerny-Turner型光谱仪结构通过采用两块球面镜的对称布局，在小视场扫描光谱仪中能够有效抑制主要光学像差，从而以较简单、较低成本的光学设计实现优良的光谱性能。实现所需对称光学结构的方式有多种，这些方式主要区别在于两个反射镜相对于衍射光栅的布置方向，通常可分为W型结构、折叠双V型结构以及交叉型结构。具体采用哪一种结构，取决于光谱仪的目标应用，因此设计要求可能存在较大差异。这些设计要求主要包括光谱范围、光谱分辨率、信噪比（SNR）以及系统整体尺寸等。
德国弗劳恩霍夫光子微系统研究所已经开发出多款基于Czerny-Turner光学结构的光谱仪。其中，折叠双V型结构和交叉型结构能够实现最为紧凑的光路布局，因而可以获得尺寸最小的光谱仪外形。因此，这两种结构非常适合应用于移动设备。整个开发过程不仅包括光学系统的设计与优化、机械结构设计，还包括用于驱动MEMS扫描镜以及探测器信号读出的电路开发。由于最终光谱仪的尺寸仅为约10 mm × 10 mm × 6 mm，开发过程中还特别考虑了装配工艺。
除上述各项考量外，光学、机械和电子部件的整体成本及供应情况也同样重要。为确保具备大规模量产的现实可能性，研究团队采用了先进的贴装技术来完成MEMS器件和光学元件的装配，并对部分机械结构件采用了增材制造（3D打印）工艺。
图3 MEMS微型光谱仪内部的光路示意图
本设计采用了折叠双V型光路结构。双V型设计兼具良好的性能和足够的光通量。两面反射镜被集成在同一基底上。在此案例中，镜面采用了离轴非球面反射镜设计，以实现良好的光学像差校正，这与原始Czerny-Turner型光谱仪中使用球面的做法略有不同。该光谱仪的工作光谱范围为950～1900 nm，实现了10 nm半高全宽（FWHM）的光谱分辨率。
德国弗劳恩霍夫光子微系统研究所的研究团队已经完成了MEMS近红外光谱技术的首次应用验证实验。基于食品应用构想，成功展示了“白色粉末识别”演示装置，利用近红外光谱技术对食盐、砂糖和面粉进行了识别（图4）。
图4 基于MEMS近红外光谱技术的“白色粉末识别”演示装置
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