專利名稱：聚合物紫外/可見光準直器集成組件、基片結(jié)構(gòu)及制作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光機電系統(tǒng)(MOEMS)領(lǐng)域，涉及一種用于微型生化分析儀中紫外/可見光準直器集成組件。
背景技術(shù)：
生物化學(xué)檢驗是以健康和疾病時的生物化學(xué)過程為研究目的，通過測定組織、體液的成分，揭示疾病和藥物治療對機體生物化學(xué)過程和組織、體液成分的影響，以提供疾病診斷、病情監(jiān)測、藥物療效、愈后判斷和疾病預(yù)防有用信息的一門學(xué)科。
近幾年檢驗儀器主要向兩個方向發(fā)展，一個是具有全自動或半自動化多種分析功能的完善的分析實驗室，另一種則為“床邊檢驗”(Point ofCare Testing，POC)技術(shù)。POC是一個革命性的技術(shù)，微光機電系統(tǒng)技術(shù)的引入，使其成為富有創(chuàng)新和挑戰(zhàn)性的研究和具有廣闊市場前景的產(chǎn)業(yè)，它將改變部分儀器生產(chǎn)公司的商業(yè)模式，即從生產(chǎn)昂貴的大型儀器轉(zhuǎn)向生產(chǎn)和銷售批量化的便攜式產(chǎn)品。
從1941年世界上第一臺分光光度計問世到現(xiàn)在，其性能的不斷提高、功能的不斷完善，傳統(tǒng)生化分析儀的光學(xué)檢測系統(tǒng)一般由包括光源、透鏡、反射鏡、棱鏡、準直鏡、狹縫等一系列復(fù)雜的光學(xué)元件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，雖然它們可以滿足實驗室內(nèi)的高精度科學(xué)分析的需要，但是在實驗室以外的應(yīng)用則受到限制。
自1990年MANZ等提出Lab-on-a-chip的觀念后，人們一直在致力于以減小體積、重量、減少試劑和樣品用量、降低制造和使用成本等為目的的微流體芯片實驗室技術(shù)的研究，隨著微流體技術(shù)的發(fā)展，極大的推動了生化分析系統(tǒng)微型化，智能化的進程。用于生化分析的微流體技術(shù)主要應(yīng)具有取樣、分離、輸運、混合、反應(yīng)、探測及信號采集與分析幾部分組成，其中探測部分多以光探測技術(shù)為主，光探測技術(shù)具有分析精度高、測量范圍大、速度響應(yīng)快等優(yōu)點，其工作原理是通過測量光在待測液中的損耗來對待測液進行分析。在微流體中光探測系統(tǒng)的集成度有了極大的提高，用微細加工技術(shù)可以將上述復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)集成為一個簡單的光準直器集成組件。普通的光準直器能夠把光纖中發(fā)散的光束變成準直光(平行光)，同時也可以把準直光以非常小的損耗耦合到光纖中。前期所采用的光準直器組件是由一對帶有尾纖的自聚焦透鏡組成，先在硅單晶片上采用濕法腐蝕和ICP干法刻蝕等工藝制作出一對精確對準的V形槽和樣品杯槽，再將一對自聚焦透鏡在V形槽中對準定位便可構(gòu)成一個光準直器集成組件，測量時將裝有待測液的樣品杯放置于位于兩個自聚焦透鏡之間的樣品杯槽中，先將光源發(fā)出的光由一個自聚焦透鏡變?yōu)槠叫泄?，穿過待測液后，再由另一自聚焦透鏡將其會聚耦合接收。
然而上述結(jié)構(gòu)仍存在許多問題，首先，普通自聚焦透鏡的工作波長一般為1310nm或1550nm，該波長只適合于在光通信技術(shù)中應(yīng)用。而生化分析檢驗一般需要多指標(biāo)檢測，工作波長在220nm～800nm范圍內(nèi)，因此，采用普通近紅外光纖自聚焦透鏡構(gòu)成準直器組件，只對某單一波長光的耦合效率最佳，當(dāng)用于220nm～800nm多波長范圍時，會使通過樣品杯光的平行度變差，光的耦合效率降低，極大影響樣品生化分析的準確精度；第二，定位用硅片V形槽結(jié)構(gòu)需采用硅微細加工技術(shù)制作，其加工周期長，工藝復(fù)雜，制作成本高，且硅單晶加工的結(jié)構(gòu)較脆易碎，給組裝和使用都帶來極大不便，降低了器件使用的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中第一，采用普通近紅外光纖自聚焦透鏡構(gòu)成準直器組件，只對某單一波長光的耦合效率最佳，當(dāng)在220nm～800nm多波長范圍內(nèi)使用時，會使通過樣品杯光的平行度變差，光的耦合效率降低，極大影響樣品生化分析的準確性；第二，定位用硅片V形槽結(jié)構(gòu)制作周期長，工藝復(fù)雜，制作成本高，較脆易碎，給組裝和使用帶來極大不便，降低了器件使用的可靠性等問題，本發(fā)明提出一種適用于微型生化檢驗技術(shù)中寬光譜探測的光準直器集成組件結(jié)構(gòu)及其制作方法，本發(fā)明的目的在于提高微型生化檢驗光探測系統(tǒng)中光在220nm～800nm波長范圍的平行度和光耦合效率，簡化光準直器組件的制作工藝，降低制作成本，提高檢測精度和使用可靠性。
本發(fā)明聚合物紫外/可見光準直器集成組件結(jié)構(gòu)的制備方法步驟是a.首先在第一襯底的本體上分別制出第一V形槽、第二V形槽、多個定位孔和通透的第一樣品杯槽；在第二襯底的本體上分別制出第三V形槽和第四V形槽、多個定位銷和通透的第二樣品杯槽；b.再將第二襯底上的多個定位銷置入第一襯底上的多個定位孔內(nèi)并連接，使兩個襯底迭層即制成雙層V形槽結(jié)構(gòu)的陰模模具；
c.用微模塑工藝在雙層V形槽結(jié)構(gòu)的陰模模具上制出雙層V形槽結(jié)構(gòu)的陽模模具；d.再用微模塑工藝在雙層V形槽結(jié)構(gòu)陽模模具上制成含有第一V形槽、第二V形槽、第三V形槽、第四V形槽、第一樣品杯槽和第二樣品杯槽的基片結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)為了解決背景技術(shù)中普通自聚焦透鏡波長范圍受限，即只對某單一波長光的耦合效率最佳，當(dāng)在220nm～800nm多波長范圍內(nèi)使用時，使通過樣品杯光的平行度變差，光的耦合效率降低，極大影響樣品生化分析的準確性，為此本發(fā)明提出雙層V形槽組件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸入光纖、輸入透鏡、輸出透鏡、輸出光纖的同軸對準和精確定位，并由上述光學(xué)元件構(gòu)成本發(fā)明紫外/可見光準直器組件的準直-耦合光學(xué)系統(tǒng)，來自輸入光纖的光經(jīng)輸入透鏡準直后變?yōu)槠叫泄猓叫泄馔ㄟ^樣品杯后，再由輸出透鏡會聚耦合進入輸出光纖而導(dǎo)出。由于本發(fā)明采用上述光學(xué)系統(tǒng)就解決了背景技術(shù)只對某單一波長光的耦合效率最佳，當(dāng)用于多波長時，其耦合效率很低的問題，可獲得高信噪比，提高220nm～800nm波長范圍內(nèi)光的耦合效率、生化分析檢驗精度，滿足了微型生化分析技術(shù)多指標(biāo)檢驗的需要，同時也為發(fā)展迅速的微流體系統(tǒng)提供一種通用的光學(xué)分析平臺。
(2)為了解決背景技術(shù)中定位用硅片V形槽結(jié)構(gòu)制作周期長，工藝復(fù)雜，制作成本高，較脆易碎，給組裝和使用帶來極大不便，降低了器件使用的可靠性等問題，本發(fā)明的方法提出使用硅材料制作硅模具結(jié)構(gòu)，利用模具制備和微模塑工藝制作聚合物材料微型光準直器中的基片結(jié)構(gòu)，采用聚合物材料的價格低廉、加工工藝簡單，使制作周期和成本極大降低，與硅材料相比，采用聚合物材料可使制作周期可縮短十幾倍，成本至少可降低100倍以上。由于利用硅模具和微模塑工藝，可使本發(fā)明V形槽結(jié)構(gòu)加工的一致性大大提高，同時還可以提高光學(xué)元件的對準精度。利用聚合物材料良好的韌性和剛度，解決了硅材料V形槽結(jié)構(gòu)較脆易碎的問題，使得本發(fā)明更有利于提高器件使用時的可靠性。


圖1是本發(fā)明組件結(jié)構(gòu)的實施例立體示意2是本發(fā)明模具結(jié)構(gòu)的實施例立體示意3是本發(fā)明制作工藝的實施例流程圖
具體實施例方式實施例1本發(fā)明提出的聚合物紫外/可見光準直器集成組件基片結(jié)構(gòu)的制作方法如圖3所示。
(1)用微機械硅加工技術(shù)中光刻、濕法刻蝕等工藝，選用380μm厚雙面拋光并氧化的Si單晶片，在Si單晶片正面制出寬度為2.16mm的第一V形槽4和第二V形槽6；再用光刻、干法刻蝕等工藝，在Si單晶片正面制出四個邊長為2mm×3mm的矩形定位孔12，定位孔12的深度0.1mm，第一樣品杯槽13通透并位于Si單晶片中心，第一樣品杯槽13采用矩形結(jié)構(gòu)。制成含有第一V形槽4、第二V形槽6、四個定位孔12和第一樣品杯槽13的第一襯底1，如圖3(a)。
(2)用微機械硅加工技術(shù)中光刻、濕法刻蝕等工藝，選用500μm厚雙面拋光并氧化的Si單晶片，在Si單晶片正面制出寬度為0.29mm的第三V形槽8和第四V形槽10，再用光刻、干法刻蝕工藝，在Si單晶片背面制出四個邊長為2mm×3mm的矩形定位銷11，定位銷11的高度為0.1mm，第二樣品杯槽14穿透并位于Si單晶片中心，第二樣品杯槽14采用多邊形結(jié)構(gòu)。制成含有第三V形槽8、第四V形槽10、四個定位銷11和第二樣品杯槽14的第二襯底2，如圖3(b)。
(3)將第二襯底2背面的四個定位銷11置于第一襯底1正面的四個定位孔12中固定粘接，得到由第一襯底1和第二襯底2構(gòu)成的含有第一V形槽4、第二V形槽6、第三V形槽8、第四V形槽10、第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14的陰模模具，如圖3(c)。
(4)用微模塑工藝在陰模模具上澆注聚二甲基硅氧烷，真空脫氣并固化后脫模制成聚二甲基硅氧烷材料陽模模具，如圖3(d)。
(5)用微模塑工藝在聚二甲基硅氧烷材料陽模模具上澆注環(huán)氧樹脂，真空脫氣并固化后脫模得到由環(huán)氧樹脂材料制成的含有第一V形槽4、第二V形槽6、第三V形槽8、第四V形槽10、第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14的基片結(jié)構(gòu)，如圖3(e)。
實施例2可利用本發(fā)明提出的聚合物紫外/可見光準直器集成組件結(jié)構(gòu)的制作方法制造基片結(jié)構(gòu)模具，如圖2所示由第一襯底1和第二襯底2，第一V形槽4、第二V形槽6、第三V形槽8、第四V形槽10、多個定位銷11、多個定位孔12、第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14組成，在第一襯底1的本體上分別制備有第一V形槽4、第二V形槽6、多個定位孔12和第一樣品杯槽13，在第二襯底2的本體上分別制備有第三V形槽8、第四V形槽10、多個定位銷11和第二樣品杯槽14，多個定位銷11置于多個定位孔12中，第一V形槽4和第二V形槽6對稱分布于第一樣品杯槽13兩側(cè)及多個定位孔12的內(nèi)側(cè)；第三V形槽8和第四V形槽10對稱分布于第二樣品杯槽14的外側(cè)并位于多個定位銷11之間，第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14通透于第一襯底1和第二襯底2。
第一襯底1、第二襯底12、第一V形槽4、第二V形槽6、第三V形槽8、第四V形槽10、多個定位銷11、多個定位孔12、第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14采用Si單晶片。多個定位銷11與多個定位孔12相配合使用。第一樣品杯槽13采用矩形結(jié)構(gòu)。第二樣品杯槽14采用多邊形結(jié)構(gòu)。
實施例3可以利用本發(fā)明提出的聚合物紫外/可見光準直器集成組件結(jié)構(gòu)的制作方法制造組件結(jié)構(gòu)，如圖1所示由輸入透鏡3、第一V形槽4、輸出透鏡5、第二V形槽6、輸入光纖7、第三V形槽8、輸出光纖9、第四V形槽10、第一樣品杯槽13、第二樣品杯槽14和基片15組成，基片15本體上輸入透鏡3、第一V形槽4、輸出透鏡5、第二V形槽6、輸入光纖7、第三V形槽8、輸出光纖9、第四V形槽10、第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14，輸入透鏡3置于第一V形槽4中，輸出透鏡5置于第二V形槽6中，輸入光纖7置于第三V形槽8中，輸出光纖9置于第四V形槽10中，第一V形槽4和第二V形槽6對稱分布于第一樣品杯槽13兩側(cè)；第三V形槽8和第四V形槽10對稱分布于第二樣品杯槽14的外側(cè)，第一樣品杯槽13采用矩形結(jié)構(gòu)與第二樣品杯槽14采用多邊形結(jié)構(gòu)為一體相匹配使用，第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14通透于基片15。
第一V形槽4、第二V形槽6、第三V形槽8、第四V形槽10、第一樣品杯槽13、第二樣品杯槽14和基片15采用環(huán)氧樹脂材料；輸入透鏡3和輸出透鏡5采用遠紫外光學(xué)石英玻璃材料制成；輸入光纖7和輸出光纖9采用熔融石英材料。
第一V形槽4和第二V形槽6采用相同形狀的V形槽，V形槽的尺寸根據(jù)實際使用輸入光纖7和輸出光纖9尺寸來確定；第三V形槽8、第四V形槽10采用相同形狀的V形槽，V形槽的尺寸根據(jù)實際使用輸入透鏡3和輸出透鏡5尺寸來確定；第一樣品杯槽13采用矩形結(jié)構(gòu)。第二樣品杯槽14采用多邊形結(jié)構(gòu)。例如一個實施例中輸入透鏡3的直徑可以采用2.2mm，第一V形槽4的寬度可以采用2.16mm；輸出透鏡5的直徑可以采用2.2mm，第二V形槽6的寬度可以采用2.16mm；輸入光纖7的直徑可以采用0.22mm，第三V形槽8的寬度可以采用0.29mm；輸出光纖9的直徑可以采用0.22mm，第四V形槽10的寬度可以采用0.29mm。
本發(fā)明的聚合物紫外/可見光準直器集成組件結(jié)構(gòu)原理光信號由輸入光纖7出射后經(jīng)輸入透鏡3準直變?yōu)槠叫泄?，該平行光通過樣品杯后，再由輸出透鏡5會聚并耦合進入輸出光纖9，再由輸出光纖9將光導(dǎo)出。
上述實施例僅僅是本發(fā)明的一部分，除了上述實施例以外，屬于本發(fā)明范疇的其它具體實施方式
，在這里沒有進行具體描述。
權(quán)利要求
1.聚合物紫外/可見光準直器集成組件基片結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于制作步驟如下a.首先在第一襯底的本體上分別制出第一V形槽、第二V形槽、多個定位孔和通透的第一樣品杯槽；在第二襯底的本體上分別制出第三V形槽和第四V形槽、多個定位銷和通透的第二樣品杯槽；b.再將第二襯底上的多個定位銷置入第一襯底上的多個定位孔內(nèi)并連接，使兩個襯底迭層即制成雙層V形槽結(jié)構(gòu)的陰模模具；c.用微模塑工藝在雙層V形槽結(jié)構(gòu)的陰模模具上制出雙層V形槽結(jié)構(gòu)的陽模模具；d.再用微模塑工藝在雙層V形槽結(jié)構(gòu)陽模模具上制成含有第一V形槽、第二V形槽、第三V形槽、第四V形槽、第一樣品杯槽和第二樣品杯槽的基片結(jié)構(gòu)。
2.聚合物紫外/可見光準直器集成組件基片模具結(jié)構(gòu)，其特征在于由第一襯底(1)、第二襯底(2)、第一V形槽(4)、第二V形槽(6)、第三V形槽(8)、第四V形槽(10)、多個定位銷(11)、多個定位孔(12)、第一樣品杯槽(13)和第二樣品杯槽(14)組成，在第一襯底(1)的本體上分別制備有第一V形槽(4)、第二V形槽(6)、多個定位孔(12)和第一樣品杯槽(13)；在第二襯底(2)的本體上分別制備有第三V形槽(8)、第四V形槽(10)、多個定位銷(11)和第二樣品杯槽(14)；多個定位銷(11)置于多個定位孔(12)中；第一V形槽(4)和第二V形槽(6)對稱分布于第一樣品杯槽(13)兩側(cè)及多個定位孔(12)的內(nèi)側(cè)；第三V形槽(8)和第四V形槽(10)對稱分布于第二樣品杯槽(14)的外側(cè)并位于多個定位銷(11)之間，第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14通透于第一襯底1和第二襯底2。
3.聚合物紫外/可見光準直器集成組件結(jié)構(gòu)，其特征在于在基片15本體上有輸入透鏡(3)、第一V形槽(4)、輸出透鏡(5)、第二V形槽(6)、輸入光纖(7)、第三V形槽(8)、輸出光纖(9)、第四V形槽(10)、第一樣品杯槽(13)和第二樣品杯槽(14)；輸入透鏡(3)置于第一V形槽(4)中；輸出透鏡(5)置于第二V形槽(6)中；輸入光纖(7)置于第三V形槽(8)中；輸出光纖(9)置于第四V形槽(10)中；第一V形槽(4)和第二V形槽(6)對稱分布于第一樣品杯槽(13)兩側(cè)；第三V形槽(8)和第四V形槽(10)對稱分布于第一樣品杯槽(14)的外側(cè)，第一樣品杯槽13和第二樣品杯槽14通透于基片15。
全文摘要
本發(fā)明涉及聚合物紫外/可見光準直器集成組件、基片模具及制作方法，在第一和第二襯底上制出第一、第二、第三、第四V形槽，定位孔和定位銷，第一、第二樣品杯槽；定位銷置入定位孔制成陰模模具；在陰模模具上制成陽模模具后注塑制成與陰模相同的聚合物基片結(jié)構(gòu)；組件和模具由第一和第二襯底或基片；輸入、輸出透鏡；第一、第二、第三、第四V形槽；輸入、輸出光纖；定位銷、定位孔、第一、第二樣品杯槽組成。解決生化檢驗波長范圍受限問題，在220－800nm波長范圍，光耦合效率及檢驗準確性提高。聚合物雙層V形槽實現(xiàn)了光纖和透鏡的精確定位，使制作周期和成本降低，一致性、可靠性提高。
文檔編號G01N21/00GK1896784SQ200510119010
公開日2007年1月17日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者張平, 吳一輝, 周連群, 李淑嫻, 劉永順, 王淑榮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所