專利名稱：一種mems掃描微鏡光譜儀工作電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于光譜分析儀器技術領域，涉及一種MEMS (微電子機械系統)掃描微鏡光譜儀的工作電路。
背景技術：
光譜儀器是應用光學技術及光譜檢測技術原理，對物質的結構和組成進行觀測、 分析和處理的基本設備，具有分析精度高、測量范圍大、測量速度快和樣品用量少等優點， 可用于冶金、地質、石油化工、醫藥衛生、環境保護、航空航天、宇宙探索、資源和水文勘測等領域，具有極為重要的應用價值與廣闊的市場前景，是最為重要的光學儀器之一。MEMS技術是融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的一種高科技前沿技術。基于MEMS技術的各種器件由于具有體積小、功耗低、靈敏度高、重復性好、加工工藝穩定、成本低廉等優點，已被大量用于高精技術領域。基于MEMS技術的微型光譜儀，是以MEMS光學器件作為核心關鍵部件的光學檢測儀器。由于MEMS核心器件的使用，MEMS光譜儀具有體積小、重量輕、性能穩定、成本低廉等優點，因此，利用MEMS技術研制微型光譜儀已成為當前的研究熱點。MEMS掃描微鏡光譜儀,是米用MEMS掃描微鏡和衍射光柵,代替傳統掃描光柵光譜儀中的掃描光柵，聯合實現光學分光及光譜掃描功能的光學儀器，具有體積小、重量輕、成本低廉、光譜探測范圍寬、光譜可拓展性好等優點，是當今光譜儀的研究熱點之一。MEMS掃描微鏡光譜儀的工作電路，是MEMS掃描微鏡光譜儀的關鍵組成部分之一， 其主要作用為對MEMS掃描微鏡光譜儀中的MEMS掃描微鏡進行驅動控制，并采集探測器探測到的光譜信號，輸送到PC機(或筆記本電腦)中。當前，在國外，現有的MEMS掃描微鏡光譜儀，為了準確測定光譜信號對應的波長，其對掃描微鏡擺角的測定，主要采用激光掃描的探測方式，不但提高了儀器結構的復雜度，而且增加了工作電路的設計難度。本發明中MEMS掃描微鏡光譜儀的工作電路，MEMS微鏡驅動控制模塊不但為MEMS 掃描微鏡提供工作信號，實現了微鏡的閉環控制，提高了微鏡的工作穩定性，而且為AD轉換電路提供周期性觸發信號，實現了光譜信號周期性探測和AD轉換的協同性工作，簡化了微鏡光譜儀的系統結構與工作電路的設計難度。
發明內容
為解決現有技術存在的以上問題，本發明針對MEMS掃描微鏡光譜儀的工作原理， 提出一種MEMS掃描微鏡光譜儀工作電路。本發明具體采用以下技術方案。—種MEMS掃描微鏡光譜儀工作電路,其特征在于所述工作電路包括振蕩信號模塊、MEMS微鏡驅動控制模塊和光譜數據采集模塊；
其中所述光譜數據采集模塊包括探測器的前置放大電路、AD轉換電路，FIFO存儲器、FPGA控制電路和USB接口電路；
所述振蕩信號模塊的輸出與MEMS微鏡驅動控制模塊的輸入端相連，向所述MEMS微鏡驅動控制模塊輸入具有特定頻率的振蕩信號，該振蕩信號經MEMS微鏡驅動控制模塊進行信號處理后分為兩路，一路為MEMS微鏡工作提供驅動信號，另一路為光譜數據采集模塊中 AD轉換電路提供周期性觸發信號；
當所述光譜數據采集模塊中的AD轉換電路接收到所述MEMS微鏡驅動控制模塊輸出的周期性觸發信號后開始工作，把由探測器輸出的經前置放大電路放大的模擬光譜信號轉換為數字光譜信號，并輸送到FIFO存儲器中；
所述FPGA控制電路控制FIFO存儲器中的光譜數據通過USB接口電路傳送給PC機或筆記本電腦，實現光譜數據的采集。本發明中，振蕩信號模塊的主要功能是作為信號源，為MEMS微鏡驅動控制模塊提供等幅、等頻、穩定的振蕩信號，是工作電路能夠正常工作的根本保證。本發明中，MEMS微鏡驅動控制模塊,把振蕩信號模塊所提供的振蕩信號處理后輸出兩路，一路為MEMS掃描微鏡提供驅動信號，一路為光譜數據采集電路模塊提供周期性觸發信號，使AD轉換電路和MEMS掃描微鏡能夠協同工作，實現光譜儀光譜信號的周期性數據米集。所述MEMS微鏡驅動控制模塊為MEMS掃描微鏡提供頻率穩定的周期性驅動信號， 同時，MEMS掃描微鏡工作過程中產生的反饋信號輸入至所述MEMS微鏡驅動控制模塊，對 MEMS微鏡驅動控制模塊輸出至MEMS掃描微鏡的驅動信號進行調整，使MEMS掃描微鏡能夠在特定的振動頻率下等幅振動，實現對MEMS掃描微鏡的閉環控制。本發明中，光譜數據采集電路模塊由AD轉換電路、FIFO存儲器、FPGA (或ARM、單片機)控制電路、USB接口電路等四部分組成。當AD轉換電路接收到觸發信號后開始工作， 把模擬光譜信號轉換為數字信號，并送到FIFO存儲器中進行緩存。最后，在FPGA (或ARM、 單片機)控制下，光譜數據通過USB接口電路傳輸到PC機(或筆記本電腦)中。本發明具有以下技術特點
1.實現了振蕩信號模塊、MEMS微鏡驅動控制模塊、以及光譜數據采集模塊的一體化集
成；
2.MEMS微鏡驅動模塊對MEMS掃描微鏡采用閉環控制的驅動方式，為MEMS掃描微鏡的等幅振動提供了有力保障，提高了 MEMS掃描微鏡光譜儀的光譜重復性；
3.MEMS微鏡驅動控制模塊所輸出的驅動信號不但用于MEMS掃描微鏡的驅動,而且為 AD轉換電路提供周期性的觸發信號，這樣，AD轉換電路與MEMS掃描微鏡進行協同工作，實現了工作電路對周期性光譜的數據采集，簡化了光譜儀的系統結構，降低了工作電路的設計難度；
4.本發明中的工作電路不但可用于采用MEMS掃描微鏡器件研制的微型光譜儀，而且可用于采用MEMS掃描光柵器件的微型光譜儀。
圖I是本MEMS掃描微鏡光譜儀工作電路的電路原理圖。圖中，I.振蕩信號模塊，2. MEMS微鏡驅動控制模塊，3.探測器的前置放大電路，4.AD轉換電路，5. FIFO存儲器，6. FPGA控制電路，7. USB接口電路。其中，3、4、5、6、7共同組成光譜數據采集模塊。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步詳細說明。如圖I所示為本發明MEMS掃描微鏡光譜儀工作電路的電路原理圖。MEMS掃描微鏡光譜儀工作電路主要由振蕩信號模塊I、MEMS微鏡驅動控制模塊2、 光譜數據采集模塊三個模塊集合而成，其中，光譜數據采集模塊由探測器的前置放大電路
3、AD轉換電路4，FIFO存儲器5、FPGA控制電路6、USB接口電路7組成。振蕩信號模塊I 為MEMS微鏡驅動控制模塊2提供具有特定頻率的振蕩信號，該振蕩信號經MEMS微鏡驅動控制模塊2進行信號處理后分為兩路，一路為MEMS微鏡工作提供驅動信號，另一路為光譜數據采集模塊中的AD轉換電路4提供周期性觸發信號；MEMS掃描微鏡在MEMS微鏡驅動控制模塊2驅動下工作，對平行復合光束進行周期性掃描，實現探測器對不同波長光的周期性探測；在光譜數據采集模塊中，AD轉換電路4接收到觸發信號后開始工作，探測器產生的模擬光譜信號經前置放大電路3放大后，被AD轉換電路4轉換為數字光譜信號，并輸送到 FIFO存儲器5中。最后，在FPGA控制電路6的控制下，FIFO存儲器5中的光譜數據通過 USB接口電路7傳送給PC機(或筆記本電腦)，從而實現光譜數據的采集。當MEMS掃描微鏡光譜儀工作時，振蕩信號模塊I為MEMS掃描微鏡驅動控制模塊 2提供等頻、等幅、性能穩定的周期性振蕩信號。振蕩信號經MEMS微鏡驅動控制模塊2進行信號處理后輸出兩路，一路為MEMS掃描微鏡的驅動信號，另一路為光譜數據采集電路模塊中的AD轉換電路4提供周期性觸發信號。本發明中，MEMS微鏡驅動控制模塊2對MEMS掃描微鏡采用閉環控制的方式進行工作， 本發明實施例中所使用的掃描微鏡是具有角度傳感功能的MEMS掃描微鏡。當光譜儀處于工作狀態時，掃描微鏡偏轉所產生的角度傳感信號將作為MEMS微鏡驅動控制模塊的反饋信號輸出至MEMS微鏡驅動控制模塊2，對MEMS微鏡驅動控制模塊2輸出的驅動信號幅度進行調整，從而實現MEMS掃描微鏡的閉環控制，使MEMS掃描微鏡能夠在等幅、等頻的穩定振動狀態下工作，為MEMS掃描微鏡光譜儀的波長重復性提供保證。MEMS掃描微鏡在MEMS微鏡驅動控制模塊2的驅動下工作，對平行復合光束進行周期性掃描，使平行復合光束經平面光柵分光、凹面鏡聚焦反射鏡聚焦成像后，不同波長的光依次從探測器前掃過，實現探測器對不同波長光的周期性探測、并產生相應的周期性模擬光譜信號。探測器產生的模擬光譜信號，經光譜數據采集模塊中的前置放大電路3進行放大后，輸送到AD轉換電路4中，MEMS微鏡驅動控制模塊2為AD轉換電路4提供周期性觸發信號。AD轉換電路每次受到觸發后，開始工作，把經過前置放大電路3放大的光譜信號由模擬信號轉換為數字信號，并輸送到FIFO存儲器5中，最后，在FPGA控制電路6控制下，光譜信號數據經USB接口電路7傳送到PC機(或筆記本電腦)上。在本發明中，光譜數據采集模塊中FPGA控制電路也可用ARM或單片機代替。本發明申請人結合說明書附圖對本發明的實施實例做了詳細的說明與描述，本領域技術人員應該理解，以上實施實例僅為本發明的優選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發明精神，而并非對本發明保護范圍的限制，相反，任何基于本發明精神所作的任何改進或修飾都應當落在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種MEMS掃描微鏡光譜儀工作電路,其特征在于；所述工作電路包括振蕩信號模塊、MEMS微鏡驅動控制模塊和光譜數據采集模塊；其中所述光譜數據采集模塊包括探測器的前置放大電路、AD轉換電路，FIFO存儲器、 FPGA控制電路和USB接口電路；所述振蕩信號模塊的輸出端與MEMS微鏡驅動控制模塊的輸入端相連，向所述MEMS微鏡驅動控制模塊輸入具有特定頻率的振蕩信號，該振蕩信號經MEMS微鏡驅動控制模塊進行信號處理后分為兩路，一路為MEMS掃描微鏡提供驅動信號，另一路為光譜數據采集模塊中的AD轉換電路提供周期性觸發信號；當所述光譜數據采集模塊中的AD轉換電路接收到所述MEMS微鏡驅動控制模塊輸出的周期性觸發信號后開始工作，把由探測器輸出、經前置放大電路放大的模擬光譜信號轉換為數字光譜信號，并輸送到FIFO存儲器中；所述FPGA控制電路控制FIFO存儲器中的光譜數據，通過USB接口電路傳送給PC機或筆記本電腦，實現光譜數據的采集。
2.根據權利I所述掃描微鏡光譜儀的工作電路，其特征在于所述的振蕩信號模塊作為信號源，為MEMS微鏡驅動控制模塊提供周期性振蕩信號。
3.根據權利I所述MEMS掃描微鏡光譜儀的工作電路，其特征在于所述MEMS微鏡驅動控制模塊為MEMS掃描微鏡提供頻率穩定的周期性驅動信號，同時，MEMS掃描微鏡工作過程中產生的反饋信號輸入至所述MEMS微鏡驅動控制模塊，對MEMS微鏡驅動控制模塊輸出至MEMS掃描微鏡的驅動信號進行調整，使MEMS掃描微鏡能夠在特定的振動頻率下等幅振動，實現對MEMS掃描微鏡的閉環控制。
4.根據權利I所述MEMS掃描微鏡光譜儀的工作電路，其特征在于光譜數據采集模塊中FPGA控制電路為FPGA可編程邏輯控制器件。
5.根據權利要求4所述MEMS掃描微鏡光譜儀的工作電路，其特征在于光譜數據采集模塊中FPGA控制電路可用ARM或單片機代替。
全文摘要
本發明公布一種MEMS(微電子機械系統)掃描微鏡光譜儀工作電路。它主要由振蕩信號模塊，MEMS微鏡驅動控制模塊，光譜數據采集模塊三個模塊組成，其中，光譜數據采集模塊由前置放大電路、AD轉換電路、FIFO存儲器、FPGA(或ARM、單片機)控制電路、USB接口電路組成。MEMS微鏡驅動控制模塊對MEMS掃描微鏡采用閉環控制的方式，使MEMS掃描微鏡等幅、等頻振動，提高了MEMS掃描微鏡光譜儀的波長重復性；振蕩電路模塊產生的周期性振蕩信號，經MEMS微鏡驅動控制模塊進行處理后，為AD轉換電路與MEMS掃描微鏡同時提供周期性工作信號，使AD轉換電路和MEMS掃描微鏡能夠協同工作，實現光譜數據的周期性采集。本發明的優點在于可使光譜儀中的MEMS掃描微鏡工作振動穩定，光譜儀的波長重復性好，工作電路簡單、易于實現。
文檔編號G01J3/28GK102589690SQ201210079028
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者張中衛, 溫志渝, 王克園, 聶秋玉 申請人:重慶大學