专利名称：聚合物紫外/可见光准直器集成组件、基片结构及制作的制作方法
技术领域：
本发明属于微光机电系统(MOEMS)领域，涉及一种用于微型生化分析仪中紫外/可见光准直器集成组件。
背景技术：
生物化学检验是以健康和疾病时的生物化学过程为研究目的，通过测定组织、体液的成分，揭示疾病和药物治疗对机体生物化学过程和组织、体液成分的影响，以提供疾病诊断、病情监测、药物疗效、愈后判断和疾病预防有用信息的一门学科。
近几年检验仪器主要向两个方向发展，一个是具有全自动或半自动化多种分析功能的完善的分析实验室，另一种则为“床边检验”(Point ofCare Testing，POC)技术。POC是一个革命性的技术，微光机电系统技术的引入，使其成为富有创新和挑战性的研究和具有广阔市场前景的产业，它将改变部分仪器生产公司的商业模式，即从生产昂贵的大型仪器转向生产和销售批量化的便携式产品。
从1941年世界上第一台分光光度计问世到现在，其性能的不断提高、功能的不断完善，传统生化分析仪的光学检测系统一般由包括光源、透镜、反射镜、棱镜、准直镜、狭缝等一系列复杂的光学元件组成，结构复杂，体积庞大，虽然它们可以满足实验室内的高精度科学分析的需要，但是在实验室以外的应用则受到限制。
自1990年MANZ等提出Lab-on-a-chip的观念后，人们一直在致力于以减小体积、重量、减少试剂和样品用量、降低制造和使用成本等为目的的微流体芯片实验室技术的研究，随着微流体技术的发展，极大的推动了生化分析系统微型化，智能化的进程。用于生化分析的微流体技术主要应具有取样、分离、输运、混合、反应、探测及信号采集与分析几部分组成，其中探测部分多以光探测技术为主，光探测技术具有分析精度高、测量范围大、速度响应快等优点，其工作原理是通过测量光在待测液中的损耗来对待测液进行分析。在微流体中光探测系统的集成度有了极大的提高，用微细加工技术可以将上述复杂光学系统集成为一个简单的光准直器集成组件。普通的光准直器能够把光纤中发散的光束变成准直光(平行光)，同时也可以把准直光以非常小的损耗耦合到光纤中。前期所采用的光准直器组件是由一对带有尾纤的自聚焦透镜组成，先在硅单晶片上采用湿法腐蚀和ICP干法刻蚀等工艺制作出一对精确对准的V形槽和样品杯槽，再将一对自聚焦透镜在V形槽中对准定位便可构成一个光准直器集成组件，测量时将装有待测液的样品杯放置于位于两个自聚焦透镜之间的样品杯槽中，先将光源发出的光由一个自聚焦透镜变为平行光，穿过待测液后，再由另一自聚焦透镜将其会聚耦合接收。
然而上述结构仍存在许多问题，首先，普通自聚焦透镜的工作波长一般为1310nm或1550nm，该波长只适合于在光通信技术中应用。而生化分析检验一般需要多指标检测，工作波长在220nm～800nm范围内，因此，采用普通近红外光纤自聚焦透镜构成准直器组件，只对某单一波长光的耦合效率最佳，当用于220nm～800nm多波长范围时，会使通过样品杯光的平行度变差，光的耦合效率降低，极大影响样品生化分析的准确精度；第二，定位用硅片V形槽结构需采用硅微细加工技术制作，其加工周期长，工艺复杂，制作成本高，且硅单晶加工的结构较脆易碎，给组装和使用都带来极大不便，降低了器件使用的可靠性。
发明内容
为了解决背景技术中第一，采用普通近红外光纤自聚焦透镜构成准直器组件，只对某单一波长光的耦合效率最佳，当在220nm～800nm多波长范围内使用时，会使通过样品杯光的平行度变差，光的耦合效率降低，极大影响样品生化分析的准确性；第二，定位用硅片V形槽结构制作周期长，工艺复杂，制作成本高，较脆易碎，给组装和使用带来极大不便，降低了器件使用的可靠性等问题，本发明提出一种适用于微型生化检验技术中宽光谱探测的光准直器集成组件结构及其制作方法，本发明的目的在于提高微型生化检验光探测系统中光在220nm～800nm波长范围的平行度和光耦合效率，简化光准直器组件的制作工艺，降低制作成本，提高检测精度和使用可靠性。
本发明聚合物紫外/可见光准直器集成组件结构的制备方法步骤是a.首先在第一衬底的本体上分别制出第一V形槽、第二V形槽、多个定位孔和通透的第一样品杯槽；在第二衬底的本体上分别制出第三V形槽和第四V形槽、多个定位销和通透的第二样品杯槽；b.再将第二衬底上的多个定位销置入第一衬底上的多个定位孔内并连接，使两个衬底迭层即制成双层V形槽结构的阴模模具；
c.用微模塑工艺在双层V形槽结构的阴模模具上制出双层V形槽结构的阳模模具；d.再用微模塑工艺在双层V形槽结构阳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、第一样品杯槽和第二样品杯槽的基片结构。
本发明的优点(1)为了解决背景技术中普通自聚焦透镜波长范围受限，即只对某单一波长光的耦合效率最佳，当在220nm～800nm多波长范围内使用时，使通过样品杯光的平行度变差，光的耦合效率降低，极大影响样品生化分析的准确性，为此本发明提出双层V形槽组件结构，实现输入光纤、输入透镜、输出透镜、输出光纤的同轴对准和精确定位，并由上述光学元件构成本发明紫外/可见光准直器组件的准直-耦合光学系统，来自输入光纤的光经输入透镜准直后变为平行光，平行光通过样品杯后，再由输出透镜会聚耦合进入输出光纤而导出。由于本发明采用上述光学系统就解决了背景技术只对某单一波长光的耦合效率最佳，当用于多波长时，其耦合效率很低的问题，可获得高信噪比，提高220nm～800nm波长范围内光的耦合效率、生化分析检验精度，满足了微型生化分析技术多指标检验的需要，同时也为发展迅速的微流体系统提供一种通用的光学分析平台。
(2)为了解决背景技术中定位用硅片V形槽结构制作周期长，工艺复杂，制作成本高，较脆易碎，给组装和使用带来极大不便，降低了器件使用的可靠性等问题，本发明的方法提出使用硅材料制作硅模具结构，利用模具制备和微模塑工艺制作聚合物材料微型光准直器中的基片结构，采用聚合物材料的价格低廉、加工工艺简单，使制作周期和成本极大降低，与硅材料相比，采用聚合物材料可使制作周期可缩短十几倍，成本至少可降低100倍以上。由于利用硅模具和微模塑工艺，可使本发明V形槽结构加工的一致性大大提高，同时还可以提高光学元件的对准精度。利用聚合物材料良好的韧性和刚度，解决了硅材料V形槽结构较脆易碎的问题，使得本发明更有利于提高器件使用时的可靠性。
图1是本发明组件结构的实施例立体示意2是本发明模具结构的实施例立体示意3是本发明制作工艺的实施例流程图
具体实施例方式实施例1本发明提出的聚合物紫外/可见光准直器集成组件基片结构的制作方法如图3所示。
(1)用微机械硅加工技术中光刻、湿法刻蚀等工艺，选用380μm厚双面抛光并氧化的Si单晶片，在Si单晶片正面制出宽度为2.16mm的第一V形槽4和第二V形槽6；再用光刻、干法刻蚀等工艺，在Si单晶片正面制出四个边长为2mm×3mm的矩形定位孔12，定位孔12的深度0.1mm，第一样品杯槽13通透并位于Si单晶片中心，第一样品杯槽13采用矩形结构。制成含有第一V形槽4、第二V形槽6、四个定位孔12和第一样品杯槽13的第一衬底1，如图3(a)。
(2)用微机械硅加工技术中光刻、湿法刻蚀等工艺，选用500μm厚双面抛光并氧化的Si单晶片，在Si单晶片正面制出宽度为0.29mm的第三V形槽8和第四V形槽10，再用光刻、干法刻蚀工艺，在Si单晶片背面制出四个边长为2mm×3mm的矩形定位销11，定位销11的高度为0.1mm，第二样品杯槽14穿透并位于Si单晶片中心，第二样品杯槽14采用多边形结构。制成含有第三V形槽8、第四V形槽10、四个定位销11和第二样品杯槽14的第二衬底2，如图3(b)。
(3)将第二衬底2背面的四个定位销11置于第一衬底1正面的四个定位孔12中固定粘接，得到由第一衬底1和第二衬底2构成的含有第一V形槽4、第二V形槽6、第三V形槽8、第四V形槽10、第一样品杯槽13和第二样品杯槽14的阴模模具，如图3(c)。
(4)用微模塑工艺在阴模模具上浇注聚二甲基硅氧烷，真空脱气并固化后脱模制成聚二甲基硅氧烷材料阳模模具，如图3(d)。
(5)用微模塑工艺在聚二甲基硅氧烷材料阳模模具上浇注环氧树脂，真空脱气并固化后脱模得到由环氧树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、第一样品杯槽13和第二样品杯槽14的基片结构，如图3(e)。
实施例2可利用本发明提出的聚合物紫外/可见光准直器集成组件结构的制作方法制造基片结构模具，如图2所示由第一衬底1和第二衬底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、多个定位销11、多个定位孔12、第一样品杯槽13和第二样品杯槽14组成，在第一衬底1的本体上分别制备有第一V形槽4、第二V形槽6、多个定位孔12和第一样品杯槽13，在第二衬底2的本体上分别制备有第三V形槽8、第四V形槽10、多个定位销11和第二样品杯槽14，多个定位销11置于多个定位孔12中，第一V形槽4和第二V形槽6对称分布于第一样品杯槽13两侧及多个定位孔12的内侧；第三V形槽8和第四V形槽10对称分布于第二样品杯槽14的外侧并位于多个定位销11之间，第一样品杯槽13和第二样品杯槽14通透于第一衬底1和第二衬底2。
第一衬底1、第二衬底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、多个定位销11、多个定位孔12、第一样品杯槽13和第二样品杯槽14采用Si单晶片。多个定位销11与多个定位孔12相配合使用。第一样品杯槽13采用矩形结构。第二样品杯槽14采用多边形结构。
实施例3可以利用本发明提出的聚合物紫外/可见光准直器集成组件结构的制作方法制造组件结构，如图1所示由输入透镜3、第一V形槽4、输出透镜5、第二V形槽6、输入光纤7、第三V形槽8、输出光纤9、第四V形槽10、第一样品杯槽13、第二样品杯槽14和基片15组成，基片15本体上输入透镜3、第一V形槽4、输出透镜5、第二V形槽6、输入光纤7、第三V形槽8、输出光纤9、第四V形槽10、第一样品杯槽13和第二样品杯槽14，输入透镜3置于第一V形槽4中，输出透镜5置于第二V形槽6中，输入光纤7置于第三V形槽8中，输出光纤9置于第四V形槽10中，第一V形槽4和第二V形槽6对称分布于第一样品杯槽13两侧；第三V形槽8和第四V形槽10对称分布于第二样品杯槽14的外侧，第一样品杯槽13采用矩形结构与第二样品杯槽14采用多边形结构为一体相匹配使用，第一样品杯槽13和第二样品杯槽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、第一样品杯槽13、第二样品杯槽14和基片15采用环氧树脂材料；输入透镜3和输出透镜5采用远紫外光学石英玻璃材料制成；输入光纤7和输出光纤9采用熔融石英材料。
第一V形槽4和第二V形槽6采用相同形状的V形槽，V形槽的尺寸根据实际使用输入光纤7和输出光纤9尺寸来确定；第三V形槽8、第四V形槽10采用相同形状的V形槽，V形槽的尺寸根据实际使用输入透镜3和输出透镜5尺寸来确定；第一样品杯槽13采用矩形结构。第二样品杯槽14采用多边形结构。例如一个实施例中输入透镜3的直径可以采用2.2mm，第一V形槽4的宽度可以采用2.16mm；输出透镜5的直径可以采用2.2mm，第二V形槽6的宽度可以采用2.16mm；输入光纤7的直径可以采用0.22mm，第三V形槽8的宽度可以采用0.29mm；输出光纤9的直径可以采用0.22mm，第四V形槽10的宽度可以采用0.29mm。
本发明的聚合物紫外/可见光准直器集成组件结构原理光信号由输入光纤7出射后经输入透镜3准直变为平行光，该平行光通过样品杯后，再由输出透镜5会聚并耦合进入输出光纤9，再由输出光纤9将光导出。
上述实施例仅仅是本发明的一部分，除了上述实施例以外，属于本发明范畴的其它具体实施方式
，在这里没有进行具体描述。
权利要求
1.聚合物紫外/可见光准直器集成组件基片结构的制作方法，其特征在于制作步骤如下a.首先在第一衬底的本体上分别制出第一V形槽、第二V形槽、多个定位孔和通透的第一样品杯槽；在第二衬底的本体上分别制出第三V形槽和第四V形槽、多个定位销和通透的第二样品杯槽；b.再将第二衬底上的多个定位销置入第一衬底上的多个定位孔内并连接，使两个衬底迭层即制成双层V形槽结构的阴模模具；c.用微模塑工艺在双层V形槽结构的阴模模具上制出双层V形槽结构的阳模模具；d.再用微模塑工艺在双层V形槽结构阳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、第一样品杯槽和第二样品杯槽的基片结构。
2.聚合物紫外/可见光准直器集成组件基片模具结构，其特征在于由第一衬底(1)、第二衬底(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)、多个定位销(11)、多个定位孔(12)、第一样品杯槽(13)和第二样品杯槽(14)组成，在第一衬底(1)的本体上分别制备有第一V形槽(4)、第二V形槽(6)、多个定位孔(12)和第一样品杯槽(13)；在第二衬底(2)的本体上分别制备有第三V形槽(8)、第四V形槽(10)、多个定位销(11)和第二样品杯槽(14)；多个定位销(11)置于多个定位孔(12)中；第一V形槽(4)和第二V形槽(6)对称分布于第一样品杯槽(13)两侧及多个定位孔(12)的内侧；第三V形槽(8)和第四V形槽(10)对称分布于第二样品杯槽(14)的外侧并位于多个定位销(11)之间，第一样品杯槽13和第二样品杯槽14通透于第一衬底1和第二衬底2。
3.聚合物紫外/可见光准直器集成组件结构，其特征在于在基片15本体上有输入透镜(3)、第一V形槽(4)、输出透镜(5)、第二V形槽(6)、输入光纤(7)、第三V形槽(8)、输出光纤(9)、第四V形槽(10)、第一样品杯槽(13)和第二样品杯槽(14)；输入透镜(3)置于第一V形槽(4)中；输出透镜(5)置于第二V形槽(6)中；输入光纤(7)置于第三V形槽(8)中；输出光纤(9)置于第四V形槽(10)中；第一V形槽(4)和第二V形槽(6)对称分布于第一样品杯槽(13)两侧；第三V形槽(8)和第四V形槽(10)对称分布于第一样品杯槽(14)的外侧，第一样品杯槽13和第二样品杯槽14通透于基片15。
全文摘要
本发明涉及聚合物紫外/可见光准直器集成组件、基片模具及制作方法，在第一和第二衬底上制出第一、第二、第三、第四V形槽，定位孔和定位销，第一、第二样品杯槽；定位销置入定位孔制成阴模模具；在阴模模具上制成阳模模具后注塑制成与阴模相同的聚合物基片结构；组件和模具由第一和第二衬底或基片；输入、输出透镜；第一、第二、第三、第四V形槽；输入、输出光纤；定位销、定位孔、第一、第二样品杯槽组成。解决生化检验波长范围受限问题，在220－800nm波长范围，光耦合效率及检验准确性提高。聚合物双层V形槽实现了光纤和透镜的精确定位，使制作周期和成本降低，一致性、可靠性提高。
文档编号G01N21/00GK1896784SQ200510119010
公开日2007年1月17日 申请日期2005年11月24日 优先权日2005年11月24日
发明者张平, 吴一辉, 周连群, 李淑娴, 刘永顺, 王淑荣 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所