Lamellar grating interferometer based MEMS Fourier transform infrared spectrometer

Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopi temassız optik yolla maddelerin kimyasal analizinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Fourier dönüşümü spektrometrelerde kara cisim ışıması yapan ışık kaynağı, hareketli optik-mekanik parçalar ve dedektör kullanılır. Mevcut FTIR spektrometreler birkaç cm-1 veya daha iyi çözünürlük sunmalarına rağmen kullanımı laboratuarla kısıtlı pahalı cihazlardır. Ek olarak yüksek optik-mekanik hassasiyet gerektirir, girişimölçer temelli algılama prensibi nedeniyle sallanmaya duyarlıdır ve birkaç saniyeden birkaç dakikaya uzanan düşük ölçüm hızlarına sahiplerdir. Dolayısıyla saha kullanımına izin vermesi ve yeni araştırma ve uygulama alanları yaratma potansiyeli olmasından ötürü taşınabilir bir FTIR spektroskopi sistemi geliştirilmesi gerekmektedir.Bu projenin temel amacı orta kızılötesi dalgaboyunda (2.5-16µm) geniş bir dalgaboyu aralığında çalışan hızlı (1-2ms) ve ortalama çözünürlüklü (10cm-1) küçük, taşınabilir bir FTIR spektrometre tasarlamak ve üretmektir. Bahsi geçen proje, Avrupa Birliği tarafından desteklenen MEMFIS projesi kapsamında tamamlanmıştır. Taşınabilir bir sistem için gereken hassasiyet, hız ve sallanmaya duyarsızlık mikro-elektronik-mekanik-sistemler (MEMS) temelli elektriksel olarak çalıştırılan kırınım ızgaralı girişimölçer tarafından karşılanabilir. LGI MEMS cihazı bu araştırma tezinden önce grubumuz tarafından tasarlanmış ve üretilmiştir. LGI, rezonans frekansında çalıştırılan ve diğer girişimölçerlerle kıyaslandığında önemli avantajları olan yüksek hassasiyetli bir optik-mekanik girişimölçer olarak tanımlanabilecek bir dinamik kırınım ızgarasıdır.Bu tezde temel olarak LGI MEMS cihazının detaylı optik ve mekanik karakterizasyonu ile cihazın ışık kaynağı, dedektör ve kızılötesi optik elemanlar ile birleştirilerek çalışan bir FTIR sistemine dönüştürülmesi anlatılmıştır. Bu amaçla, beş kez üretimi yapılan MEMS cihazları mekanik ve optik olarak test edilmiştir. Mekanik testler için Labview ortamında lazer Doppler vibrometre ve lazer saçak sayımı temelli otomatik sistemler geliştirilmiştir. Optik masa üzerine LGI temelli FTIR spektrometre kurulmuş ve polisitren örneği kullanılarak diğer sistemlerle başarılı bir şekilde kıyaslanmıştır. Mevcut sistemle yaklaşık 30cm-1 çözünürlük sağlanmaktadır. Çözünürlük açısından bakıldığında 10mm2 açık aralıkla geliştirilen bu sistem, bugüne kadar geliştirilmiş en iyi MEMS temelli LGI sistemidir. Hareket genliğini artırmak (ya da çözünürlüğü iyileştirmek) ve cihazın elektriksel olarak çalıştırılması sonucu ortaya çıkan tutulma ve lineer olmayan frekans cevabı gibi sorunları engellemek için akustik dalgalar ve piezoelektrik-vibrasyon ile çalıştırma alternatif yöntemler olarak sunulmuştur. Ek bir uygulama olarak FTIR sistemini kullanarak ışıl-elektriksel güneş pili ince film kalınlık ölçümü önerilmiştir.