CN101965309B - 微支架 - Google Patents
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Abstract
本发明的主题是一种支架，它应用在微系统中，尤其用来自校正地安装和固定微通道板。本发明的主题还有一种装置，其至少包括按本发明的一个支架和一个微通道板。按本发明的支架包括：由导电材料构成的结构，用来容纳微系统的元器件，此元器件设在不导电的载体上；弹性的结构，它使元器件实现自校正的定位，同时还实现导电触通；至少一个止挡，用来实现元器件的定位。
Description
技术领域
本发明主要涉及微机电系统(MEMS)的领域。本发明的主题是一种支架，它应用在微系统中，尤其用来自校正地安装和固定微通道板。本发明的主题还有一种装置，其至少包括按本发明的支架和微通道板。
背景技术
微系统技术将微电子学、微机械学、微流体学、微光学的方法结合起来，亦或将信息科学、生物技术和纳米技术的进展结合起来，微系统技术将这些领域中的进展和结构组合成新的系统。功能确定的结构的尺寸在微米级的范围内，这可用于与纳米技术区分开来。
微电子学局限于电子元器件如晶体管(CPU)和电容器(RAM)，而微系统技术致力于设计和制造微电子的开关以及微机械的和微光学的构件，并致力于将它们集成为一个系统，例如在半导体材料(例如结晶硅或砷化镓)中，既作为分立的元器件，也作为整体的元器件。
在微系统中，它在英语中也称为micro electro mechanical systems(MEMS)，传感器、致动器和数据处理器共同起作用。例如，无线鼠标、现代打印机的磁泡喷射-打印头、加速度传感器和转速传感器(用来触发气囊并控制稳定和导航系统)、微创介入冶疗、内窥镜系统、用于监控食品的化学传感器、微硬盘或投影机中的微镜芯片亦或有机的发光二极管。微系统技术的边界区域是微方法技术，它致力于物理的和/或化学的工艺，此工艺在微构造的整套装备中运行。
微系统以前主要以半导体技术为基础，原材料(基底)通常是硅或砷化镓。如今，微系统也可价廉物美由塑料制成，在材料研究方面的成果可用于多功能的系统。
微系统通常不是整体地由晶片制成，而是由不同的元器件组成，它们彼此结合成混合的微系统。微系统相应地具有连接位置，它使多个元器件连接成一个系统。这种连接位置的例子是支架，用来容纳和固定微系统的元器件。为了表述明确，将微质谱仪当作例子来看。
微质谱仪由现有技术已知(例如见：在Sensors and Actuators A：Physical，138(1)(2007)，22-27中发表的“Complex MEMS：A fullyintegrated TOF micro mass spectrometer”)。迄今还不能在一个工件上整体地将微质谱仪的所有元器件都制成。次级电子倍增器例如是一个复杂的构件，它必须单独地制成并与微质谱仪的其余元器件一起组合成一个整体系统。为此需要支架，它容纳着次级电子倍增器并相对于系统的其它元器件进行固定。
在微质谱仪的情况下，微通道板(英语是Microchannel plate)的应用接近次级电子倍增器。
微通道板是扁平的、图像解析的次级电子倍增器。它用来无噪音地增强自由电子或其它离子粒子的细微电流，它们以一定的能量碰撞到板的输入侧上，并在该处触发二次电子。
微通道板具有两个金属的板侧面，加速电压处在板侧面之间。此板自身由半导体构成，并像筛子一样穿孔，或被微观的细小通道穿透，这些通道典型地具有约10μm的孔距和约6-8μm的直径。此板具有十分之几毫米的厚度，并且这些通道以约10°的角度朝板的轴线倾斜，因此入射的电子能安全地多次击中通道壁。然后它们被电压加快速度并且在每次壁碰撞时倍增，此电压沿着通道处在板之间。每个单独的通道都像微观的电子倍增器一样起作用，例如在光电倍增器中所用的那样。
在输出侧上通过与通道壁的反复碰撞，电子的数量增加了约1000倍。通过再加速路段使增强(增多)的电子转向本身的探测器(大多是遮光板，但也例如是ebCCD(电子轰击型CCD)，一种用来探测自由电子的CCD的特殊形式，还可转向电子捕集器(例如设计成法拉第探测器)。
微通道板应用在不同的测量系统中，如质谱仪、电子倍增器和夜视系统，用来增强弱小的“初级”电子或离子流。如果初级射束(电子、离子、光子)在精确定义的位置上出现在非常小的横截面上，这尤其在微系统技术或集成的、微光学系统中使用时适用，因此微通道板的通道为此必须以微米级的精度来校正。
对于这种应用来说有利的是，混合集成的微通道板可插入导向装置中，此导向装置直接朝初级射束结构进行定向。
除了微米级精度地朝离子通道进行校正以外，还有利的是，支架装置同时还可能将微通道板固定在这个位置上并且实现导电触通。在所述实施例的情况下，还必须有电子捕集器，它必须确保，这样来屏蔽由板上的高压而引起的电场，即它们不会影响微系统(例如微质谱仪)的功能。
在制造微光学系统时，元器件的对齐也是很重要的。光线的基本特性决定了，产生、传递和改变光线的元器件必须相互精确地定位。微光学系统中的安装装置和支架通常局限于机械的结构，它们主要用来实现元器件的精确定位。它们优选使用安装在硅基底中的结构，不同的元器件(例如光纤维、激光二极管及探测器二极管)彼此校正地集成在所述结构上；或使用由焊剂(所谓的凸块)构成的金属(优选圆形的)结构，它允许在焊剂熔化过程中进行校正。
钎焊和激光焊接在微系统技术中是两种常见的固定或安装技术。在激光焊接的情况下，待固定的元器件例如可保持在夹具中，然后调整夹具并与基底焊接在一起。另外缺点是，这些元器件不可逆转地与基底相连；不能更换元器件。
在EP1230571B1中描述了一种装置，用来使玻璃纤维主动地与可塑性变形的支架装置对齐，但不包括导电的触通。
在EP1345843B1中描述了一种装置，用来固定完全自由的微构件，但它不能使元器件实现自校正的安装。
发明内容
由所述的现有技术中，得出本发明的目的，提供一种用来将元器件集成在MEMS中的支架，此支架可使这些元器件实现自校正地安装。想要的支架应该可实现元器件和基底之间的可逆连接。除了元器件的机械固定以外，还应该进行导电触通。此支架应该成本划算地制成，并且可灵活且简单地操作。
令人惊讶地已发现，这目的可尤其有效地通过导电的弹簧结构得以实现，它可安装在不导电的基底上。
因此，本发明的主题是一种装置，它用来自校正地将元器件安装和固定在微系统中，其特征在于至少一个导电的弹簧结构和至少一个止挡，此弹簧结构用来实现元器件的校正、固定和触通，元器件推顶到所述止挡上，其中弹簧结构和止挡都设在不导电的基底上。
按本发明的装置(下面也称为支架)优选、但不仅限于用来将元器件集成在混合的微系统中。微系统通常指结构和/或元器件的装置，其尺寸为微米级，其中所述结构和/或元器件当作系统来共同起作用。混合的微系统是指这样的微系统，即它具有多个元器件，这些元器件在单独的制造工艺中制成并组接/连接成一个完整的系统。
按本发明的支架实现了一个复合的目的，即使元器件在唯一一个结构上实现自校正的安装、固定和导电触通，所述结构优选在与微系统结构的一部分相同的制造工艺中并因而在相同的掩膜中生产出来。
按本发明的支架具有至少一个弹簧结构。此弹簧结构是指隆起，它处于静止状态并可通过外力从此静止状态中偏转，其中此外力对隆起的弹力起反作用，在外力撤除时，此弹力负责使隆起再次可逆地回到静止状态中。
此弹簧结构的作用还有，使应朝基底安装和固定的元器件在确切的位置上固定。通过将元器件置于按本发明的支架中，弹簧结构从其静止位置中偏转，并将弹力施加到元器件上，因此这些元器件被置于确切的位置中。此外，此弹簧结构由导电的材料制成，或配备有导电的材料。按本发明，元器件和弹簧之间的机械接触同时也是导电的触通。
此外，按本发明的支架还具有至少一个止挡，元器件朝此止挡推顶和/或顶压，由此所述止挡形成边界。此元器件在与基底相连时朝至少一个止挡推顶和/或顶压，因而此止挡是元器件继续移动的障碍，并且至少在一定尺寸上确定了已固定的元器件的位置。
按本发明，所述至少一个弹簧结构和所述至少一个止挡设在不导电的基底上。此基底通常是微系统的一部分，微系统的结构设置或设在此基底上，或与微系统的元器件相连。不导电的材料是指这样的材料，即导电能力典型地小于10-7S/m。例如使用塑料、玻璃、陶瓷或复合材料，作为不导电的材料。
在优选的实施例中，导线框设在不导电的基底上，它使所述至少一个导电的弹簧结构实现导电的触通。
在优选的实施例中，构成支架的结构与微系统(例如微质谱仪)的结构的至少一个部分一起制成。
对于微系统技术的专业人员来说，微系统中的结构的制造是已知的。例如在书籍“Fundamentals of Microfabrication″作者是Marc Madou，CRC Press Boca Raton FLA 1997或在书籍“Mikrosystemtechnik fürIngenieure”，作者是W.Menz.J.Mohr和O.Paul，Wiley-VCH，Weinheim 2005中描述并举例说明了微制造技术。
微系统技术的工艺主要以硅基底的结构化为基础，其具有很高的高宽比(例如深度很深(～100μm)的狭窄沟槽(～μm))，以微米级的结构精度借助湿化学的、优选等离子蚀刻工艺与在热膨胀系数方面相匹配的、含有钠的玻璃基底(例如Pyrex
)相结合，它们设置有简单蚀刻的结构，并优选与所谓的阳极键合(Bonden)直接相连，备选地与起焊料合金(AuSi)作用的Au薄层密密封地彼此相连。
具有高的高宽比的金属结构通过电离生长在厚的光刻胶(＞100μm)以相似的精度来实现(UV-LIGA)。在使用薄层技术，如优选在等离子体中的高真空蒸发和阴极雾化(喷镀)、PVD工艺或优选在从气相中的化学离析(CVD工艺)并结合光刻和蚀刻技术时，功能层(例如金属化、疏水或亲水的表面)和功能元器件(例如阀门密封件和薄膜)、加热元器件、温度传感器、压力传感器和流动传感器以完整的、过程兼容的工艺集成在此基底上。通过在确切的区域中在离析或形成结构的过程中使用优选自我组织的碳-纳米管(亦或硅针或金属簇结构)，使以纳米结构为基础的功能集成在微系统中。
按本发明的支架的结构(弹簧结构、止挡)是优选的，因此如许多微系统一样以硅-玻璃-工艺制成。通过首先将用于不同触通方式(例如用于导电的弹簧结构)的印制导线结构设在不导电的基底上，此支架优选与微系统(例如微质谱仪或纤维支架)的结构的至少一个部分一起制成。随后优选通过低共熔的键合，优选几百μm厚的、高掺杂的半导体基底(优选硅)局部地键压在电子的范围内，从此处所述结构在接着的光蚀工艺中结构化到不导电的基底。备选的是，这个导电的结构也可通过金属的电离结构在相应结构化的涂层中产生优选几百μm的足够厚度。整个系统在必要时可用另一不导电的基底覆盖。
按本发明的支架尤其适合将微通道板集成在混合的微系统中，例如制造微质谱仪。因此本发明的主题还包括按本发明的支架的应用，用来实现微通道板的容纳、固定和导电触通。
本发明的主题还包括一种装置，它至少具有按本发明的支架和微通道板。这种按本发明的装置除了微通道板以外还包括以下元器件：
-由导电材料构成的结构，用来容纳微通道板，此微通道板设在不导电的载体上；
-弹性的结构，它使微通道板实现自校正的定位，同时还实现导电触通；
-至少一个止挡，用来实现微通道板的定位。
此外，此装置还优选包括：
-至少一个屏蔽电极，用来使微系统的其余元器件与高电压隔离开来；和/或
-电子捕集器，它优选借助至少一个屏蔽电极进行屏蔽。
在优选的实施例中，所有所述的元器件通过光刻在相同的掩膜中制成。印制导线优选存在于基底上，这些印制导线使这些元器件实现了导电触通。
所述的装置非常适合在微系统中增强初级射束(电子、离子、光子)。因此它例如适合用在质谱仪、电子倍增器、夜视系统、光电倍增器、粒子计数器、辐射剂量计和其它类似的测量系统。
本发明的主题尤其还包括，在微质谱仪、电子倍增器、夜视系统、光电倍增器、粒子计数器、辐射剂量计中按本发明的支架和按本发明的装置的应用，此装置包括至少一个微通道板和按本发明的支架。此支架和装置尤其优选应用在微质谱仪中。
附图说明
下面借助附图和实施例详细地描述了本发明，但它并不局限于此实施例。
具体实施方式
图1在俯视图(a)中示意性地示出了按本发明的支架的简单实施例，在经由图1(a)的点A和A’的连接线的横截面(b)中示出了此支架。
所示的实施例具有两个止挡(4、4’)和一个弹簧结构(5)，它们设在不导电的基底(8)上，此基底(8)在此只是局部地示出。元器件可从图1(a)的上方放入止挡(4’)和弹簧结构(5)之间的区域中。此元器件在移动时通过弹簧结构朝止挡(4’)挤压，并在这个尺寸上固定它的位置。此元器件往支架内移动如此之远，直到它顶靠在止挡(4)上。此止挡(4)限制了在进一步尺寸上的移动。通过弹簧结构(5)的弹力可避免元器件滑出来。但也能可逆地取出此元器件。
图2示意性地示出了按本发明的支架的优选实施例，此支架使微通道板在微系统中实现自校正的安装、固定和导电触通。图2(a)在俯视图中示出了此优选的实施例；图2(b)在经由图2(a)的点A和A’的连接线的横截面中示出了此实施例。
按本发明的支架由导电的结构(1)-(7)构成，它们设在不导电的基底(8)上。屏蔽物(1)用于避免高电场影响测量系统。离子捕集器(2)设置有另外的屏蔽电极(3)，当离子捕集器(2)相对于弹簧结构(5)、(6)处于正电压时，屏蔽电极(3)用于避免平衡电流影响电子测量，以便可靠地捕集电子。用于微通道板的机械止挡(4)设计成楔形的导向装置。此弹簧结构(5)和(6)呈漏斗状地共同起效，以便引导微通道板，并将它固定在探测器电极(2)和用于初级射束(10)的入口之间。此弹簧结构起导向装置的作用，并均匀地给微通道板施加必要的机械固定。它们由导电的材料(例中掺杂的硅)构成，因此它们能从两侧触通微通道板。此弹簧结构是自支撑式的，并且不与不导电的基底相连，以确保它在插入微通道板时退让，并将足够的力度均匀地施加到微通道板上，从而固定微通道板。在所示的实施例中，所述形成弹簧结构(5、6)、止挡(4)、屏蔽物(1)、离子捕集器(2)和另外的屏蔽电极(3)的结构在制造过程中与微系统(例如微质谱仪)的其它结构一起制成。用于微质谱仪的例子及其制造方法(它也可用来制造按本发明的支架)可在以下文献中找到：在International Journal of MassSpectrometry 264(2007)53-60中发表的“Mass spectra measure by a fullyintegrated MEMS mass spectrometer”(见前三段Fabrication)，作者是J.-P.Hauschild，E.Wapelhorst和J.Müller以及在Sensors and ActuatorsA：Physical，138(1)(2007)，22-27中发表的“Complex MEMS：A fullyintegrated TOF micro mass spectrometer”(见前3段Fabrication)。
图3示意性地示出了，微通道板(9)如何插入图2所示的按本发明的支架中。箭头示出了微通道板(9)在插入时的运动方向。
图4在俯视图(a)中示出了按本发明的、包括支架和微通道板的装置，并在经由图4(a)的点C和C’的连接线的横截面(b)中示出了此装置。在图4中，微通道板在图3中已插入支架中并已到达了它的终点。通过弹簧结构以及止挡，自校正地固定着此微通道板。导电的弹簧结构还实现导电触通。
在工作时，入射的初级射束(10)(电子、离子、光子)通过遮光物(Blende)进入屏蔽物(1)中，并碰撞到微通道板(9)。从此通道板中输出的电子(11)被电子捕集器捕集到。
图5示意性地示出了按本发明的装置的备选实施例，此装置包括支架和微通道板，在此实施例中光纤维(12)导引通过屏蔽物，因而此光通道板起光探测器的作用。
图6示出了按本发明的支架的另一实施例，它尤其适合容纳微通道板。所述结构由掺杂的硅构成，并设在玻璃(作为不导电的基底)上。此支架集成在按在Sensors and Actuators A：Physical，138(1)(2007)，22-27中的文献所述的微质谱仪的芯片上，并已与微质谱仪的其它结构一起制成。制造的关键工序是，所述结构借助结构的光刻技术并借助随后的干化学蚀刻(Bosch工艺，例如“Mikrosystemtechnik für Ingenieure”，作者是W.Menz.J.Mohr和O.Paul，Wiley-VCH，Weinheim 2005)来转化。此数字规定了以mm为单位的结构尺寸。如图所示，两个弹簧结构分别已设置在支架的开口的相对置的侧面上。此开口(微通道板在所图6所示的支架中是从下插入的)具有漏斗形的曲线，以便能更好地引导微通道板并使插入更简单。
原则上，所有市场上可买到的微通道板都可应用在按本发明的支架中；必要时，它们必须切割成此处可用的大小2x0.6mm。例如可使用Photonics公司的标有G10-2x0.6/ST/6的微通道板。
Claims (9)
1.一种支架的应用，所述支架包括至少一个导电的弹簧结构和至少一个止挡，此弹簧结构用来实现元器件的校正、固定和触通，所述元器件推顶到所述至少一个止挡上，其中所述至少一个弹簧结构和所述至少一个止挡设在不导电的基底上，用来在微系统中使微通道板实现安装、固定和导电触通。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述微系统为微质谱仪、电子倍增器、夜视系统、光电倍增器、粒子计数器或辐射剂量计。
3.一种装置，至少包括一个微通道板和一个支架，此支架用来自校正地安装和固定微系统中的所述微通道板，所述支架包括至少一个导电的弹簧结构和至少一个止挡，此弹簧结构用来实现元器件的校正、固定和触通，所述元器件推顶到所述至少一个止挡上，其中所述至少一个弹簧结构和所述至少一个止挡设在不导电的基底上，用来在微系统中使微通道板实现安装、固定和导电触通。
4.按权利要求3所述的装置，它还包括至少一个屏蔽电极，以便保护微系统不受微通道板上的高电压的影响。
5.按权利要求3或4所述的装置，还包括电子捕集器。
6.按权利要求3至4中任一项所述的装置，其特征在于，所有的结构通过光刻在相同的掩膜中制成。
7.按权利要求3至4中任一项所述的装置，其特征在于，此装置被不导电的基底覆盖。
8.应用按权利要求3至7中任一项所述的装置在微系统中的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于所述微系统为微质谱仪、电子倍增器、夜视系统、光电倍增器、粒子计数器或辐射剂量计。
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