CN115198374B - 一种光学元件晶体的压弯键合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件技术领域，公开了一种光学元件晶体的压弯键合系统，根据需要设置基底上的晶体曲面(柱面、球面、双曲面、抛物面和复曲面等)，利用高温及高电压的情况下，晶体贴合基底面，由原平面逐渐形成晶体曲面，晶体与基底材料发生键合反应，并结合成为一体，非结合侧在凸模作用下形成晶体曲面，进而完成晶体从平面至曲面的调整及键合；此方式结合的晶体与基底，相比于胶粘或外力压合的方式，不存在中间胶层，与基底贴合更好；结合层不会存在胶层老化的问题，结合的牢固性、稳定性更高，不易脱离；本发明晶体与曲面基底的接触面形成化学键，晶体直接贴合在基底的晶体曲面上，弯晶面型精度高；用于研制高精度大尺寸的弯晶元件。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体指一种光学元件晶体的压弯键合系统。
背景技术
光学仪器中经常用到光栅、狭缝、反射镜、弯晶等光学元件，而弯晶是光学元件中的重要组成部分。弯晶由晶体制成，晶体结构的周期大小和X射线的波长相当，可使X射线产生衍射现象。晶体在自然状态下，晶面为平面，Johann等人提出将晶体压弯制作成弯晶，利用弯曲的晶面极大地提高X射线的收集效率，同时也可以实现X射线的单色与聚焦。为满足晶体的一些使用性能，需对晶面进行弯曲调整，进而形成晶体曲面(柱面、球面、双曲面、抛物面和复曲面等)。现有的晶体弯曲工艺及调整装置多为使用外力将晶体压弯，并使用胶粘固定在曲面基底上；或者使用真空与大气的压力差将晶体直接压弯贴合在曲面基底上。但是胶粘固定的弯晶元件对胶层的均匀性要求很高，胶层不均匀会严重影响弯晶面形精度。同时胶层在高温、辐射等环境下容易老化，导致胶层脱落，影响弯晶使用寿命。因此，针对于晶体生长后，亟需一种调整晶体曲面精度的压弯键合系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学元件晶体的压弯键合系统，用于解决上述提到调整晶体曲面精度的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种光学元件晶体的压弯键合系统，通过将晶体压弯，获得晶体曲面，键合系统包括支撑组件、滑台组件、凸模和基底装夹组件。
所述支撑组件包括隔热组件、加热板和定位板；所述加热板安装在定位板与隔热组件之间。
所述基底装夹组件包括基底装夹板和基底，基底安装在基底装夹板内并与所述加热板接触。
带有高电压的凸模通过施压压紧在放有晶体的基底上，在凸模的高电压和基底的高温作用下，使晶体与基底发生键合反应并结合在一起，获得晶体曲面。
优选地，所述隔热组件采用多层低导热系数材料，且每层材料之间采用非全覆盖式接触。
优选地，所述定位板上设有放置槽，放置槽内设有对称分布的定位面，用于基底装夹组件的推入定位，定位板上、放置槽的两侧安装有压片，压片与基底装夹组件通过摩擦接触限位。
优选地，所述基底安装通过点式定位，所述点式定位包括至少两个固定点和一个活动点。
优选地，所述点式定位具体为：在所述基底装夹板上设置放置孔，在放置孔的内壁设置两个凸起的定位点作为固定点，在所述基底装夹板设置弹簧柱塞作为活动点。
优选地，所述凸模与基底具有相同的曲面，相互嵌合。
优选地，所述凸模为导电材料加工而成，用于传导高电压。
优选地，所述加热板上设置有温度传感器。
优选地，所述滑台组件包括滑台座、滑台架、压力标定组件和绝缘体，滑台架在滑台座的导轨上滑动，滑台座的导轨用于精确导向，绝缘体安装在滑台架的下方。
优选地，所述压力标定组件包括管体、弹性体和顶压杆，管体安装在滑台架上，顶压杆在管体内滑动，弹性体放置在管体内，弹性体的上端顶起顶压杆，弹性体的下端撑在滑台架上，起到柔性连接和缓冲的作用，管体的外壁设置有刻度线。
优选地，所述绝缘体采用多层低导热系数材料，且每层材料之间采用非全覆盖式接触。
优选地，所述键合系统还包括抽真空组件和直线导入器，抽真空组件用于晶体压弯时提供真空环境，直线导入器用于作为下压时的动力连接器；
所述直线导入器的伸缩杆与顶压杆的端部连接固定。
优选地，所述抽真空组件包括真空腔体、上盖、底板和抽气阀门，上盖和底板分别安装在真空腔体两端，使真空腔体内部形成密封空间，所述抽气阀门安装在真空腔体的腔壁上用于抽出内部空气。
优选地，所述真空腔体上设置有观察窗和快开门，所述观察窗为透明材料。
优选地，所述凸模安装在绝缘体的下方，凸模通入高电压。
优选地，所述绝缘体的下方安装高压金属板，高压金属板通入高电压，晶体放置于基底上，凸模置于晶体上，通过凸模的自重压住晶体。
优选地，所述基底装夹板上设有至少三个限位块，用于限位凸模移动。
本发明的有益效果：
1、本发明的利用高温及高电压的情况下，晶体贴合基底面，由原平面逐渐形成晶体曲面，晶体与基底材料发生键合反应，并结合成为一体，完成晶体曲面的调整；此方式结合的晶体与基底，相比于胶粘或外力压合的方式，不存在中间胶层，与基底贴合更好；结合层不会存在胶层老化的问题，结合的牢固性、稳定性更高，不易脱离；
2、本发明的晶体压弯键合过程在真空环境下进行，真空环境减少灰尘的污染，降低键合过程中气泡的产生，避免晶片高温氧化；
3、本发明键合系统根据凸模的不同安装方式，具备两种压弯键合方式，能根据生产条件进行适当调整，便于提高压弯键合效率；
4、本发明晶体与曲面基底的接触面形成化学键，晶体直接贴合在曲面基底上，弯晶面型精度高；用于研制高精度大尺寸的弯晶元件。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明键合系统结构示意图；
图2是本发明键合系统部分结构示意图；
图3是本发明键合系统剖视图；
图4是本发明键合系统部分结构示意图；
图5是本发明压力标定组件剖视图；
图6是本发明压力标定组件结构示意图；
图7是本发明键合系统部分剖视图；
图8是本发明图7中A处放大结构示意图；
图9是本发明键合系统部分结构示意图。
图中：1、支撑组件；2、滑台组件；3、凸模；4、基底装夹组件；5、抽真空组件；6、直线导入器；7、底座；11、隔热组件；12、加热板；13、定位板；14、支撑架；131、放置槽；132、定位面；133、压片；21、滑台座；22、滑台架；23、压力标定组件；24、绝缘体；25、高压金属板；231、管体；232、顶压杆；233、弹性体；234刻度线；41、基底装夹板；42、基底；43、放置孔；44、定位点；45、弹簧柱塞；46、限位块；51、真空腔体；52、上盖；53、底板；54、观察窗；55、引线法兰；56、抽气阀门；57、真空规；58、快开门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本公开运用阳极键合原理实现：对一薄片状晶体进行压弯调整，将其贴合在基底42上，使晶体与基底42的基准曲面贴合，从而获得所需的晶体曲面(柱面、球面、双曲面、抛物面和复曲面等)，需说明的是，晶体曲面不仅仅限制于曲面，也可以为平面，用于键合在基底42上。
阳极键合其实质是一种固体电化学反应过程。示例性，以Si和玻璃的键合为例，室温下的玻璃并不导电，但将其加热时玻璃软化，在外部电场的作用下，Na+、K+等金属离子会向阴极移动，O2 -离子由于被束缚保持不动；而对于硅来说，电子会向阳极移动，Si与玻璃接触的界面上留下Si+离子形成正电荷层。硅与玻璃之间会形成强大的静电力，使硅片变形紧紧地贴合到玻璃表面上。连接界面上的Si+离子与O2-离子产生化学键，形成Si-O-Si的结构，最终生成SiO2，将硅与玻璃紧紧的结合在一起，化学键不断形成和扩大，可以将硅与玻璃接触的表面全部键合。
图1为键合系统结构示意图，图1所示，键合系统包括抽真空组件5、直线导入器6和底座7，底座7的底部可以设置轮毂，方便移动，抽真空组件5安装在底座7上。
其中，抽真空组件5包括真空腔体51、上盖52、底板53和抽气阀门56，上盖52和底板53分别安装在真空腔体51两端，使真空腔体51内部密封，真空腔体51通过安装在其上的抽气阀门56抽出内部空气，营造真空环境，晶体压弯过程在真空腔体51内真空环境下完成，真空环境可以减少灰尘的污染，降低键合过程中气泡的产生，降低晶片高温氧化。
直线导入器6安装在上盖52上，直线导入器6的伸缩杆穿过上盖52在真空内轴向伸缩并提供轴向的推力和拉力，与真空腔体51保持密封安装，降低对真空环境的影响。直线导入器6的伸缩杆的移动距离和力量大小由外部的驱动机构控制，也可以为手动控制。
底板53安装在底座7上，图3是本发明键合系统剖视图，真空腔体51上设置有观察窗54和快开门58，观察窗54为透明材料，便于观察晶体的压弯情况以及观测压力值大小，快开门58为晶体的放入口，同时用于封闭真空腔体51，保持其密封性。
抽真空组件5还包括引线法兰55和真空规57，真空规57用于检测真空腔体51内抽真空操作后的真空度。
图2为键合系统部分结构示意图，图2所示，键合系统还包括支撑组件1、滑台组件2、凸模3和基底装夹组件4；
其中，支撑组件1包括隔热组件11、加热板12、定位板13和支撑架14，支撑架14在真空腔体51内并安装在底板53上，隔热组件11采用多层低导热系数材料构成，且每层材料之间采用非全覆盖式接触，示例性，材料a和材料b为多层低导热系数材料相邻的两层，材料a和材料b的接触为非全覆盖式接触，即材料a和材料b接触面非100％全接触，两层材料之间存在间隔。非全覆盖式接触可以为多凸点式间隔接触，也可以为小块面间隔接触或其他间隔接触形式，非全覆盖式接触能有效阻止热量传递给其他部件，提高隔热效果。
隔热组件11安装在支撑架14上，加热板12放置在定位板13与隔热组件11之间，螺栓上套装弹性件并穿过定位板13与隔热组件11连接，通过拧紧螺栓压缩弹性件将加热板12和定位板13固定，加热板12配置有温度控制器，温度控制器用于给加热板12提供电能以及控制加热板12的温度高低，加热板12与温度控制器通过安装在真空腔体12上的引线法兰55连通(电性连接)。加热板12上设置有温度传感器，通过安装在真空腔体12上的引线法兰55与温度控制器连通。
图4为键合系统部分结构示意图，图4所示，定位板13上设有放置槽131，放置槽131内设有对称分布的定位面132，用于基底装夹组件4的推入定位，定位板13上、放置槽131的两侧安装有压片133，基底装夹组件4推入放置槽131，贴紧定位面132并与加热板12接触，放入过程，压片133与基底装夹组件4存在摩擦接触，用于固定基底装夹组件4位置，降低其滑动风险。
滑台组件2包括滑台座21、滑台架22、压力标定组件23和绝缘体24，滑台座21安装在支撑架14上，滑台架22在滑台座21的导轨上滑动，滑台座21的导轨起到给凸模3精确导向的作用，使凸模3有较高的重复定位精度，且压力单元不易产生变形。绝缘体24安装在滑台架22的下方，绝缘体采用多层低导热系数材料，且每层材料之间采用非全覆盖式接触，非全覆盖式接触能有效阻止热量传递给其他部件，提高隔热效果。
图5为压力标定组件的剖视图，图5所示，压力标定组件23包括管体231、弹性体233和顶压杆232，管体231安装在滑台架22上，顶压杆232在管体231内滑动，顶压杆232的端部与直线导入器6的伸缩杆通过螺栓固定，弹性体233放置在管体231内，通过弹性支撑顶压杆232处于管体231的上部，下压时弹性体233处为柔性连接，起到缓冲作用，避免过定义(如果将凸模3直接连接到直线导入器6的伸缩杆，由于直线导入器6的伸缩杆比较长，容易产生挠曲变形)。
图6为压力标定组件结构示意图，管体231的外侧设置有刻度线234，刻度线234用于反映直线导入器6提供压力的大小，刻度可以是直接反映压力值大小，也可以是只写上数字，通过标定来对应不同数字，代表不同的压力值。通过观察窗54查看压力标定组件23上的刻度值，也可以通过直线导入器6的刻度值来反推压力值大小。
其中，弹性体233可以为蝶形弹簧、矩形弹簧、波形弹簧、螺旋弹簧、拉簧和气弹簧中的一种或为弹性材料。
压力标定组件23作为一种压力体现方式，也可以由压力计来实现。
如图4所示，基底装夹组件4包括基底装夹板41和基底42，基底42在基底装夹板41上采用三点式定位，其中包括至少两个固定点和一个活动点，具体为：基底装夹板41上设置放置孔43，在放置孔43的内壁设置两个凸起的定位点44作为固定点，在基底装夹板41设置弹簧柱塞45作为活动点，如图7、图8所示，通过控制弹簧柱塞45的旋入深度来调节预紧力并实现定位功能，顶紧基底42，弹簧柱塞45安装在基底装夹板41内，其顶紧位置与定位点44水平。
基底42通过三点式定位，在更换不同的基底42时保证其重复定位精度。基底42压紧采用弹簧柱塞45，避免热变形产生应力集中，有效保护基底42。
基底42的上曲面为基准曲面，基底42的基准曲面可以是柱面、球面、双曲面和抛物面等，需说明的是，根据光学仪器的使用需求，基准曲面也可以为平面，此时，键合形成的晶体面为平面。基底42的形状可以是长方形、正方形、圆形和梯形等。
凸模3与基底42具有相同的曲面，相互嵌合在一起，且考虑了晶体的厚度。当凸模3是向外凸起的曲面时，则基底42的基准曲面是向内凹的曲面；当凸模3是向内凹的曲面时，则基底42的基准曲面是向外凸起的曲面；当凸模3是平面时，则基底42的基准曲面也为平面，凸模3与基底42两者中间夹着晶体，并互相嵌合。凸模3为导电材料加工而成。
通过凸模3的高电压以及基底42的高温作用下，晶体与基底42发生键合反应，并结合在一起。此晶体与基底42的结合，相比于胶粘或外力压合的方式，晶体面形精度更高，与基底42贴合更好；结合层不会存在胶层老化的问题，结合的牢固性、稳定性更高，不易脱离。
键合系统根据凸模3的不同安装方式，具有不同的加工形式。
其一：凸模3安装在绝缘体24的下方，凸模3配置有高压电源控制器，高压电源控制器给凸模3提供高压以及控制凸模的电压高低。凸模3与高压电源控制器通过安装在真空腔体51上的引线法兰55连通。步骤具体为：
将基底42放入基底装夹板41上的放置孔43内，用扳手旋转弹簧柱塞45，将弹簧柱塞45端部压紧基底42；
通过打开快开门58，将基底装夹组件4沿定位板13的导向口推入放置槽131内，推至与定位面132贴紧，则基底装夹组件4放置到位；基底42与加热板12接触，晶体放置于基底42上，放入过程，压片133与基底装夹板41之间存在摩擦接触，用于推入后压紧限位；
将快开门58关闭密封好，真空腔体51内部空气从抽气阀门56抽离，直至达到设定的真空度；
直线导入器6的伸缩杆推动压力标定组件23下移，使滑台架22在滑台座21的导轨上向下滑动，带动凸模3沿着竖直导轨方向向下移动，直至凸模3将晶体压至与基底42基准曲面重合；加热板12给基底42加热，使其升高至设定温度，凸模3通入高电压，在凸模3的高电压以及基底42的高温作用下，晶体与基底发生键合反应，并结合成为一体，形成晶体曲面(柱面、球面、双曲面、抛物面和复曲面等)。
其二：如图9所示，在绝缘体24的下方安装高压金属板25，高压金属板25配置有高压电源控制器，高压电源控制器给高压金属板25提供高压以及控制凸模3的电压高低。高压金属板25与高压电源控制器通过安装在真空腔体51上的引线法兰55连通；基底装夹板41上设有至少三个限位块46，用于限位凸模3移动。步骤具体为：
将基底42放入基底装夹板41上的放置孔43内，用扳手旋转弹簧柱塞45，将弹簧柱塞45端部压紧基底42；将晶体放置于基底42上，将凸模3置于晶体上，靠凸模3的自重压住晶体，通过限位块46限位凸模3移动；
通过打开快开门58，将基底装夹组件4和凸模3延定位板13的导向口推入放置槽131内，推至与定位面132贴紧，则基底装夹组件4放置到位；基底42与加热板12接触，放入过程，压片133与基底装夹板41之间存在摩擦接触，用于推入后限位；
将快开门58关闭密封好，将真空腔体51内部空气从抽气阀门56抽离，直至达到设定的真空度；
直线导入器6的伸缩杆推动压力标定组件23下移，使滑台架22在滑台座21的导轨上滑动，带动高压金属板25沿着竖直导轨方向向下移动，直至高压金属板25压住凸模3，并施以一定的压力；加热板12给基底42加热，使其升高至设定温度，高压金属板25通入高电压，高压金属板25将高电压传递给凸模3，在凸模3的高电压以及基底42的高温作用下，晶体与基底42发生键合反应，并结合成为一体，形成晶体曲面(柱面、球面、双曲面、抛物面和复曲面等)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，键合系统包括支撑组件(1)、滑台组件(2)、凸模(3)和基底装夹组件(4)；
其中，所述支撑组件(1)包括隔热组件(11)、加热板(12)和定位板(13)；所述加热板(12)安装在定位板(13)与隔热组件(11)之间；
其中，所述基底装夹组件(4)包括基底装夹板(41)和基底(42)，基底(42)安装在基底装夹板(41)内并与所述加热板(12)接触；所述定位板(13)上设有放置槽(131)，放置槽(131)内设有对称分布的定位面(132)，用于基底装夹组件(4)的推入定位，定位板(13)上、放置槽(131)的两侧安装有压片(133)，压片(133)与基底装夹组件(4)通过摩擦接触限位；所述基底(42)安装通过点式定位，在所述基底装夹板(41)上设有至少三个限位块(46)，用于限位凸模(3)移动；所述点式定位包括至少两个固定点和一个活动点，所述点式定位具体为：在所述基底装夹板(41)上设置放置孔(43)，在放置孔(43)的内壁设置两个凸起的定位点(44)作为固定点，在所述基底装夹板(41)设置弹簧柱塞(45)作为活动点；
所述滑台组件(2)包括滑台座(21)、滑台架(22)、压力标定组件(23)和绝缘体(24)，滑台架(22)在滑台座(21)的导轨上滑动，滑台座(21)的导轨用于精确导向，绝缘体(24)安装在滑台架(22)的下方；所述压力标定组件(23)包括管体(231)、弹性体(233)和顶压杆(232)，管体(231)安装在滑台架(22)上，顶压杆(232)在管体(231)内滑动，弹性体(233)放置在管体(231)内，弹性体(233)的上端顶起顶压杆(232)，弹性体(233)的下端撑在滑台架(22)上，起到柔性连接和缓冲的作用，管体(231)的外壁设置有刻度线(234)；所述绝缘体(24)的下方安装高压金属板(25)，高压金属板(25)通入高电压，晶体放置于基底(42)上，凸模(3)置于晶体上，通过凸模(3)的自重压住晶体；
所述键合系统还包括抽真空组件(5)，抽真空组件(5)用于晶体压弯时提供真空环境；所述抽真空组件(5)包括真空腔体(51)、上盖(52)、底板(53)和抽气阀门(56)，上盖(52)和底板(53)分别安装在真空腔体(51)两端，使真空腔体(51)内部形成密封空间，所述抽气阀门(56)安装在真空腔体(51)的腔壁上用于抽出内部空气；
带有高电压的凸模(3)通过施压压紧在放有晶体的基底(42)上，在凸模(3)的高电压和基底(42)的高温作用下，使晶体与基底(42)发生键合反应并结合在一起，获得晶体曲面。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述隔热组件(11)采用多层低导热系数材料，且每层材料之间采用非全覆盖式接触。
3.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述凸模(3)与基底(42)具有相同的曲面，相互嵌合。
4.根据权利要求1或3所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述凸模(3)为导电材料加工而成，用于传导高电压。
5.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述加热板(12)上设置有温度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述绝缘体(24)采用多层低导热系数材料，且每层材料之间采用非全覆盖式接触。
7.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述键合系统还包括直线导入器(6)，直线导入器(6)用于作为下压时的动力连接器；
所述直线导入器(6)的伸缩杆与顶压杆(232)的端部连接固定。
8.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述真空腔体(51)上设置有观察窗(54)和快开门(58)，所述观察窗(54)为透明材料。
9.根据权利要求1所述的一种光学元件晶体的压弯键合系统，其特征在于，所述凸模(3)安装在绝缘体(24)的下方，凸模(3)通入高电压。
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