CN1152270C - 微系统组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微系统组件(1)，尤其是用于显微光学系统中的，它由一个组件体(2)构成，在其外表面上至少有一个作用面(5，6)和用于连接毗连微系统元件(9)的若干支撑面。为了获得这样一种微系统组件(1)，它能以极高的配合精度和严格的可重复再现性与毗连的微系统元件(9)连接，而且在连接时避免损伤毗连的元件(9)和微系统组件(1)的敏感的作用面(5，6)，本发明建议：支撑面(7，8)被设置在组件体(2)的向外凸出的外表面区域内，作用面(5，6)被设置在相对于支撑面(7，8)凹进组件体(2)内部的区域内，并且作用面(5，6)相对于支撑面(7，8)的位置尺寸有最细小的公差。
Description
本发明涉及微系统组件，尤其是用于显微光学系统的微系统组件，它由一个组件体构成，在此组件体的外表面上至少有一个作用面和一些用来与微系统中与其毗连的元件连接的支撑面，此外还涉及该微系统组件的制造方法。
该微系统组件首先应在显微光学系统中应用，用来使光源与光缆相互连接或用来在光缆的终端或光源的输出端以特殊的方式和方法形成光束，例如进行聚焦，准直，形成绕射或发散。这样的微系统组件也能在其它的微结构系统中获得应用，在这些系统中诸如扫描表面这样的确定的作用面以精确的空间关系固定在与其毗接的元件上。
例如，WO 92/06046A1公开了显微光学领域中这一问题的解决方案。它所描述的显微光学透镜由一根长形的玻璃纤维构成，它在三个长侧面被压扁，而在第四个长侧面上构成圆柱形外层。
在上述显微光学透镜中圆柱形外层的圆形表面用作光学界面，同时与圆柱形外层的圆形表面相对的面作为支撑面用于连接毗连的元件，这里这些元件是二极管激光器，它们发射的光应进行准直。这里二极管激光器用合适的粘合剂或光学水泥粘接到显微光学透镜的支撑面上。这时存在着显微透镜与二极管激光器相互之间没有符合功能要求的精确定位的危险。此外在用粘合剂或水泥粘接时容易损伤二极管激光器的敏感的发射面。
如果对着二极管激光器的显微光学透镜的侧面被设计成非平面的，显微光学透镜精确对准二极管激光器的发射极是更为困难的。这样的用于对二极管激光器进行准直的显微光学透镜已由例如US-PS 5181224公布。这样的准直器仅在例如具有显著的测试开支和必要时借助于适匹器或匹配件才连接到二极管激光器上。同样这自然也是困难的：将这样的显微光学透镜精确连接于其它毗连的显微光学元件。此外，这种显微光学透镜存在下述危险：非常敏感的向前凸出的光学作用界面在运输中和操作及安装显微光学透镜时受到损伤。
本发明的目的在于以本说明书开始处所述的方式构造一个微系统组件，它能精确和严格重复地连接毗连的微结构系统的元件，并且避免损伤毗连的元件和敏感的微系统组件之作用面。本发明的目的还在于提供制造该微系统组件的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于显微光学系统的微系统组件，它由透光的组件体组成，所述组件体具有(a)至少一个第一支撑面和至少一个第二支撑面，它们分别设置在所述组件体向外伸出的部分内，每个所述的支撑面具有一个形状连接单元，用于将相应的形状连接单元嵌合到微系统中相邻的部件上，所述至少一个第一支撑面的每个形状连接单元在垂直的长度方向上延伸至所述至少一个第二支撑面的每个形状连接单元，以提供强制锁定功能；以及(b)至少一个作用面，包括一个凹透镜或凸透镜，所述透镜形成在所述第一和第二支撑面内部的所述组件体的一个表面上，并以相对于支撑面很小的公差和很高的空间精度来设置，以形成一个有效的光学界面。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造微系统组件的方法，包括以下步骤：提供一个由透光材料构成的基底；提供一个单部分研磨模，该研磨模的外形与要在基底上制造的外形相对应；并且通过超声振动研磨在所述基底上制造出所述至少一个作用面，该作用面在所述第一和第二支撑面内部的所述基底的表面内使用研磨模来形成。
在符合本发明的微系统组件中敏感的作用面没有一处是在组件体的外形上对外的地方，而是设置在相对于支撑面凹进去的地方，因而有效防止了触摸造成的损伤。在安装时这些作用表面也不与毗接的元件接触，从而有效地避免了诸如二极管激光器的敏感的发射极损伤这样的毗连元件的损伤。由于在制造时支撑面相对于作用面有严格的尺寸公差，组件的安装非常容易。仅需以正确的关系将组件上的支撑面配置到毗连元件的相应表面即可。只要尺寸关系正确，作用面相对于毗连元件的位置自然就准确了，当然其先决条件是其相应支撑面也以相应尺寸精度设计。
本发明的一个合乎目的的进一步设计是在支撑面中安置形状连接元件用来与毗连元件上相应的形状连接元件嵌合。由诸如凹坑及凸起和/或刻槽及榫头构成的这样的形状连接元件使得微系统组件能在所有方向上精确定位，而无需为了校准而进行费用昂贵的测量。
本发明进一步安排作用面和/或支撑面设计为平滑抛光。通过表面抛光，避免了外表面粗糙度引起的尺寸偏差。这样抛光的表面之间的尺寸配合能精确到几个毫微米。
本发明的一个特别优选的实施形式是，组件体由透光材料构成并且作用面被设计作光学作用界面。所有用可见光和非可见(紫外，红外)光，直至微波(毫米波)范围内的电磁波工作的系统在后面都被视为光学系统。光学玻璃、石英、锗、红宝石、光学塑料等材料被视为光学透明材料，上述各种电磁波能通过这些材料并受其影响。在光学作用界面上光线被折射，被总体反射或被一反射涂层反射或由于衍射线条或衍射光栅而产生绕射。适用于显微光学系统的微系统组件上的作用面可有不同的外形设计。它们可设计成例如凹或凸拱形透镜外表面，所有显微光学系统中所用的透镜形式均能制造出来。同样可在作用面上构成相互间具有倾斜角的平面以构造棱镜，这些平面折射或反射光线。同样也可在作用面上设置衍射线条或衍射光栅，它们使从其穿过的光线产生绕射。最后，作用面可以完全或部分地镀上一镜面反射层。
必要时也可以在每个作用面上以透镜和/或棱镜和/或衍射线条和/或反射面的形式设置多个作用单元。利用这种方式可以在一个显微光学组件中构成所谓的透镜阵列。
在组件体上相对的侧面上设置作用面具有突出的优点，其作用单元通过组件体穿透光线而相互关联。这样可能在此微光学组件中安置光学系统，这些系统以最不同的方式和方法形成和引导穿过的光线。
按本发明构成的显微光学组件可以构成例如折射型准直仪，它可连接于二极管激光器。在此准直仪中面对二极管激光器发射极的作用面构成一个棱镜，它的棱平行于二极管激光器的发射极的纵向伸长方向，并在发射极附近成圆角。棱镜的棱角大于与二极管激光器发射极的纵向伸长方向正交的发射角。最后对着二极管激光器发射极的作用面设计成圆柱面，圆柱的轴与棱镜的棱正交。这种折射准直仪能以非常小的泄漏吸收二极管激光器发射极射出的光束并对此光束进行准直。这种准直仪具有特别高数值的孔径，例如在应用石英玻璃材料时孔径为0.68，因此能对二极管激光器射出的光束进行几乎完全的准直。而且这个折射型准直仪的优点还在于具有凸出于作用面之外的支撑面。这种特殊结构和作用面相对设置的方法在没有支撑面的情况下也具有上述优点，因而本专利的保护范围包括不存在本发明的第一方面所述的支撑面的情况下按上述方式构成的准直仪。
按本发明构成的另一个显微光学组件可以构成例如反射型光耦合器，它可被使用于一个二极管激光器和一个与其连接的光缆之间。在此光耦合器的作用面上设置两个作用单元，一个是第一个非球面圆柱透镜和一个与其错开位置的平面镜，它们在第一个作用面上，另一个是一个非球面圆柱镜面和与其错开位置的第二个非球面圆柱透镜，其在第二个作用表面上。两个圆柱透镜的圆柱轴相互正交。相反，它们的光轴被安置成相互平行。在第一个非球面圆柱透镜前安置二极管激光器的发射极。发射极射出的光束经过第一个圆柱透镜进入微系统组件，射到对面设置的非球面圆柱镜面上，从那里反射到平面镜上，然后通过第二个非球面圆柱透镜从微系统组件中射出。这样构造的反射式光耦合器有非常短的结构长度，并能以非常小的泄漏将二极管激光器发射极发出的光束吸收和聚焦从而耦合到光缆中。这个反射型光耦合器最好还具有凸出于作用面之外的支撑面。这种特殊结构和作用面相对设置的方法在没有支撑面的情况下也具有上述优点。因而本专利的保护范围包括不存在本发明的第一方面所述的支撑面的情况下按上述方式构成的反射型光耦合器。
按照本发明构成的另一个微系统组件可以构成例如光导向板，通过它至少两个光电半导体组件被相互连接起来。为此，作用表面一方面被构造成透镜，用于光束的输入耦合及输出耦合，另一方面又被设计成镜面，用来在光导向板内引导光束。这样的光导向板能将输入端连接的光电半导体组件(IOE芯片)所射出的光束经第一个透镜接收进来并借助于镜面在光导向板内部控制光束的行程，使得光束经过第二个透镜从光导向板射出并且进入输出端所连接的第二个光电半导体组件。这样两个光电半导体组件实现了光连接以达到交换数据的目的。通过应用相应的选择波长的光束过滤器可以将多个光电半导体组件相互双向连接起来。在光导向板中使用多个透镜和镜面可以实现复杂的三维光学连接结构。这个光导向板最好还具有凸出于作用面之外的支撑面。这种特殊结构和作用面相对设置的方法在没有支撑面的情况下同样具有上述优点。因而本专利的保护范围包括不存在本发明的第一方面所述的支撑面的情况下按上述方式构成的光导向板。
按照本发明构成的一个显微光学组件可以作为具有波长选择性的光束分路器连接于一个光源，一个光接收器和一根光缆。为此，与光源和光缆相对的作用面有一个具有波长选择性的作用单元，其作用是作用单元按照波长来反射或折射入射的光束。从光源来的光束被具有波长选择性的作用单元如此反射，使得光束进入光缆。从光缆射出的光束被同一个具有波长选择性的作用单元如此折射，使得光束进入光接收器。这样的一个光束分路器使得可在一根光缆中实现双向光数据传输。一个二极管激光器通常被用作光源，其被聚焦的光束经过光束分路器的具有波长选择性的作用面和一个球透镜耦合到光缆中。从光缆射出的光束在具有波长选择性的功能单元处被折射，通过光束分路器射到相对的侧面输出并进入光接收器，例如一个光电二极管中。这个具有波长选择性的光束分路器最好还具有凸出于作用面之外的支撑面。这种特殊结构和作用面相对设置的方法在没有支撑面的情况下也具有上述优点。因而本专利的保护范围包括不存在本发明的第一方面所述的支撑面的情况下按上述方式构成的具有波长选择性的光束分路器。
本发明的主题还包括上述方式的微系统组件的制造方法，此方法的特征是通过利用相应成形的整体研磨模进行超声波振动研磨在基底上制造支撑面和具有安置在此支撑面上的作用面外表面轮廓的凹坑。使用本发明提出的方法，在基底上制造的微结构，即支撑面和具有作用面外表面轮廓的凹坑具有很高的尺寸精度。在此方法中研磨模由硬金属构成，它具有与被制造的微结构相反的外形，通过以超声频率机械振动研磨模并利用足够坚硬的研磨剂(硬材料粉末或膏)对着基底挤压研磨模。这样在基底的外表面上以高尺寸精度和相对细小的外表面精度形成研磨模的正复制物。通过利用整体型研磨模可用简单的方法使得支撑面和作用面之间的尺寸关系有最高的精度。
外表面精度是如此细小，以至于能直接使用电子射线抛光束对其抛光。其中电子射线的能量密度如此调整，使得只有被抛光面的外表面被熔化，这样外表面张力制造出绝对平滑的外表面。此电子射线抛光方法是同一专利申请人的德国专利申请DE 42 34 740A1的主题。
为以上述方式大批量生产微系统组件本发明建议：在一个具有大的表面的研磨模上产生大量微系统组件的相反轮廓，在一相应大小的基底上利用研磨模成形，并且最后将基底分割成单个的微系统组件。
下面借助于附图详细说明本发明的一个实施例。
图1连接二极管激光器的构成折射型准直仪的微系统组件的垂直纵截面图。
图2图1所示微系统组件的水平纵截面图。
图3图1和图2所示微系统组件立体图。
图4支撑面上具有形状连接单元的微系统组件的立体图，此形状连接单元与毗接元件上相应形状连接单元嵌合。
图5两个串接的圆柱透镜阵列的立体图。
图6具有两个径向上光学关联的相对设置的作用面的微系统组件立体图。
图7一个构成反射型光耦合器的微系统组件的侧视图。
图8图7所示微系统组件的顶视图。
图9构成光导向板的微系统组件的纵截面图。
图10构成具有波长选择性的光束分路器的微系统组件的纵截面图。
图11由基底制造一个粗加工的微系统组件的研磨过程截面示意图。
图12由基底制造多个相邻设置在光学界面上的粗加工作用单元的研磨过程截面示意图。
图13用电子射线抛光光学作用界面的截面示意图。
在以下的附图说明中相符的标号用来表示相同的组件。
图1示出一个符合本发明的微系统组件，它用于显微光学系统，该组件整体用标号1表示。微系统组件1构成折射型准直仪。它由一个由诸如石英玻璃或其它透光材料构成的组件体2构成。在组件体2中有凹坑3和4，在坑底设置了作用面5和6。作用面5具有棱镜的形状，其棱角α＝85°。在其棱角区域棱镜倒成圆弧角5a。作用面6呈现近似圆柱形的拱顶，圆柱形拱顶的轴垂直于对面的光学作用界面5上棱镜的棱的纵向伸长方向。
此外，在组件体2上有支撑面7和8，它们用于与毗连的光学元件9连接，例如与一个二极管激光器相连接，它具有与支撑面7相应的相对支撑面10。支撑面7和8具有从表面凸出的形状连接单元7a和8a，例如其形状为凸头，它们与毗连的光学元件9上相对支撑面10上的相反形状连接单元10a嵌合。
从图1和图2可以看出，支撑面7和8与作用面5和6之间有精确的尺寸关系。由于面对支撑面7和8的作用面5和6缩在组件体内部，作用面处于得到良好保护的位置。借助于组件体2上的支撑面7和8以及毗连光学元件9上的相对支撑面10，能以简单的方法非常精确地将微系统组件1定位于二极管激光器11上。并且作用面5上的棱镜的棱精确地位于二极管激光器11的发射极对面，同时棱镜的棱严格平行于发射极纵向伸长方向。
图3示出上面说明的微系统组件1的立体图。
图4示出构成折射型准直仪的微系统组件，其与光学元件9毗连的支撑面7具有凸台阶50。这个凸台阶50与毗连光学元件9上相应的凹台阶51嵌合。这样，微系统组件1能在Y方向和Z方向上都精确地固定于毗连元件9上，而无需为了调准而进行的费用昂贵的测量。
图5示出两个微系统组件1，在它们的作用面上有多个圆柱透镜形状的作用单元。两个微系统组件1各自有一个圆柱透镜阵列60和61。圆柱透镜阵列60和61上各个圆柱透镜的圆柱轴相互平行。在它们的支撑面7上两个圆柱透镜阵列60和61与另一个的相对作用面相互分开。两个圆柱透镜阵列60和61的圆柱轴相互垂直。这样的圆柱透镜阵列60和61通常串接起来，以实现光变换和成形通过的光束之目的。
图6示出一个微系统组件1，在其组件体2上径向相对的侧面上有圆柱透镜阵列70及71，它们通过组件体2光学上相互关联。两个圆柱透镜阵列70和71的圆柱轴相互垂直。
图7示出构成反射型光耦合器的微系统组件1。在其组件体2上有作用面5和6分别设置在径向相对的侧面上，它们的作用单元80至83通过组件体2光学上相互关联。在一个非球面圆柱透镜80的前方安置图中未示出的二极管激光器的发射极，它射出光束。光束通过圆柱透镜80进入组件体2，射到非球面圆柱镜面81上，从它反射到平面镜82上并从那里反射到第二个非球面圆柱透镜83上。然后光束通过圆柱透镜83穿出组件体2并最终射入图中未示出的光缆中，此光缆安置在圆柱透镜83的前方。两个圆柱透镜80和83的圆柱轴相互垂直，它们的光轴84和85相互平行。这样的反射型光耦合器用于聚焦从二极管激光器射出的光束并将其射入电缆中。图8示出图7反射型光耦合器的顶视图。
图9示出构成光导向板的微系统组件1，它连接到两个光电半导体组件90和91并实现它们之间的光学连接。光导向板的作用面一方面构成透镜93和96用于光束的输入耦合和输出耦合，另一方面构成镜面94和95，用于在光导向板内引导射束。光连接是这样实现的：第一个光电半导体组件90射出光束92，它经过透镜93耦合到光导向板的组件体2中。光束92经过镜面94和95如此前进：它经过第二个透镜96又从组件体2中射出并进入第二个光电半导体组件91。两个光电半导体组件90和91的连接可以倒换方向，即半导体组件91发射光束92，半导体组件90接收光束。通过应用合适的光束分路器可以实现两个光电半导体组件90和91的双向连接。
图10示出构成具有波长选择性的光束分路器的微系统组件1。它与一个光源102，一个光接收器107和一根光缆105相连接。与光源102和光缆105相对的作用面6上有一个作用单元101，它具有波长选择性。一个二极管激光器可作为光源102使用。二极管激光器102的发射极射出光束103，它在具有波长选择性的作用单元101处反射并经一个球透镜104进入光缆105。若现在光束106由光缆105射出，它在具有选择性的作用单元101和其相对的作用单元100处如此折射，使得光束进入光接收器107，光接收器由光电二极管构成。利用这种具有波长选择性的分路器可以实现在一根光缆105中的双向光数据传输。
图11至13示意性地说明按照本发明制造微系统组件的生产方法。生产过程的第一步从一块例如方块形的基底20出发，基底由透光材料，例如由石英玻璃构成。在方块形石英玻璃组件体上形成凹坑3和4是通过超声研磨实现的。这是一种非定向的切削，它利用不固定的在流体或糊状物中精细分散开的硬材料颗粒进行，这些颗粒被以超声频率振动的，由硬材料构成的研磨模带动。
图11示意性说明用于制造单个微系统组件1的粗加工件的超声振动研磨。标号21表示研磨模。它在其对着基底20的外表面上具有与所要制造的凹坑3和4及作用面5和6形状相反的模型。在研磨模21对着基底20的一侧表面镀上一层由耐磨材料构成的镀层22。这层耐磨材料直接与研磨粉接触，研磨粉含有细微的分散开的硬材料颗粒。
研磨过程中具有耐磨材料层22的研磨模21以超声频率机械振动并挤压基底20。同时基底20上的物质被这种非定向切削剥去。一旦研磨模与基底20的表面区域7，8接触，就中断研模过程。结果是在基底上产生了一个与研磨模21严格一致的正复制物。用这种方法能以很高的尺寸精度在所制造的微系统组件1的外表面上制造所需要的结构。
图12示出利用超声振动研磨方法在大面积基底上制造多个相邻排列的作用元件的方法。大面积研磨模31在其对着大面积基底30的外表面上有与多个相邻排列的凹坑和光作用界面的形状相反的模型。研磨模在其对着基底30的一侧表面上镀一层耐磨材料镀层32。如制造单个微系统组件时所说明的，利用垂直于基底方向上的超声频率的机械振动，基底30的物质通过非定向切削被剥去。借助此方法可以在单个显微光学组件上制造所谓的透镜阵列或者在制造之后沿着线条33将各个作用单元分割成单个微系统组件1。
在第二个加工工序中接着用高能量电子束43将作用面5和6抛光。图13说明了这一工序。图中示出的用于产生高能量电子射线束43的电子枪具有一个发射电子的阴极40，一个用于加速电子射线束43的阳极41和一个用于形成电子射线束43的开槽档板42。如此产生电子射线束：具有很高能量的形状为扁平矩形带的电子射线束43指向基底2上要抛光的外表面。然后基底43相对于带状电子射线束43的平面横向运动。打在被抛光的外表面上的能量通过适当措施进行控制，使得外表面仅在等于抛光前精度的深度内熔化，而且使得抛光前的不平滑通过熔化金属的表面张力而变得平滑。
Claims (9)
1.用于显微光学系统的微系统组件，它由透光的组件体组成，所述组件体具有
(a)至少一个第一支撑面和至少一个第二支撑面，它们分别设置在所述组件体向外伸出的部分内，每个所述的支撑面具有一个形状连接单元，用于将相应的形状连接单元嵌合到微系统中相邻的部件上，所述至少一个第一支撑面的每个形状连接单元在长度延伸方向上垂直于所述至少一个第二支撑面的每个形状连接单元，以提供强制锁定功能；以及
(b)至少一个作用面，包括一个凹透镜或凸透镜，所述透镜形成在所述第一和第二支撑面内部的所述组件体的一个表面上，并相对于支撑面精确设置，以形成一个有效的光学界面。
2.如权利要求1所述的微系统组件，其中所述的至少一个作用面和/或支撑面是平滑抛光的。
3.如权利要求1所述的微系统组件，其中具有至少两个作用面，它们设置在组合体径向相对的两个侧面上，所述作用面的作用单元穿过组件实现光学上的相互关联。
4.如权利要求3所述的微系统组件，其中
所述微系统组件被设计成反射型光耦合器，它可以插入到一个二极管激光器和一个连接所述激光器的光波导之间；
两个作用单元设置在至少两个作用面中的每个作用面上，所述至少两个作用面中的第一个作用面包括第一个非球面圆柱透镜和一个与所述第一非球面圆柱透镜错开位置的平面镜，并且所述至少两个作用面中的第二个作用面包括一个非球面圆柱镜面和与所述非球面圆柱镜面错开位置的第二个非球面圆柱透镜；
两个圆柱透镜的圆柱轴相互正交；并且
两个圆柱透镜的光轴相互平行设置。
5.如权利要求3所述的微系统组件，其中
所述微系统组件被设计成光导板，通过它至少两个光电半导体组件可以相互连接；并且
至少两个作用面包括用于光线输入耦合和输出耦合的至少两个透镜，以及用于在光导板内部引导光束的镜面。
6.如权利要求3所述的微系统组件，其中
所述微系统组件被设计成波敏光束分路器，它可连接到一个光源、一个光接收器和一个光波导；并且
面对光源和光波导的作用面有一个具有波敏特性的作用单元。
7.制造用于显微光学系统的微系统组件的方法，所述微系统组件包括透光的组件体，所述组件体具有
(a)至少一个第一支撑面和至少一个第二支撑面，它们分别设置在所述组件体向外伸出的部分内，每个所述的支撑面具有一个形状连接单元，用于将相应的形状连接单元嵌合到微系统中相邻的部件上，所述至少一个第一支撑面的每个形状连接单元在长度延伸方向上垂直于所述至少一个第二支撑面的每个形状连接单元，以提供强制锁定功能；以及
(b)至少一个作用面，包括一个凹透镜或凸透镜，所述透镜形成在所述第一和第二支撑面内部的所述组件体的一个表面上，并相对于支撑面精确设置，以形成一个有效的光学界面；
所述方法包括以下步骤：
提供一个由透光材料构成的基底；
提供一个单部分研磨模，该研磨模的外形与要在基底上制造的外形相对应；并且
通过超声振动研磨在所述基底上制造出所述至少一个作用面，该作用面在所述第一和第二支撑面内部的所述基底的表面内使用研磨模来形成。
8.如权利要求7所述的方法，其中研磨模具有与多个微系统组件相反的形状，其中研磨模具有很大的表面面积，在具有相应的很大表面面积的基底上进行模制；并且其中该方法还包括：在所述基底上制造所述至少一个作用面之后，将基底分成单个的微系统组件。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：在所述基底上制造所述至少一个作用面之后，用电子束抛光作用面和支撑面。
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