專利名稱：光學元件的制作方法
光學元件
本發(fā)明涉及小規(guī)模光學元件及它們的制造方法。
化學分析中所用的小規(guī)模裝置變得日益重要，特別是在試驗室環(huán) 境之外能夠使用的便攜式手持裝置領域中，例如用于分析來自公路、 鐵路或者船運油罐車的樣品，和用于分析來自管線和地面儲油罐的樣
口P 。
小規(guī)模光學分析元件的一個例子描述在EP-A-0266769中，其描述 了一種具有3mm光路長度的元件，其包含了在金屬體中形成的Z形通 道。
但是，小規(guī)模便攜式裝置的一個問題是經(jīng)常需要復雜的制作技術(shù) 來制造足夠小的尺寸的關(guān)鍵部件。另外 一 個問題是小規(guī)模部件的生產(chǎn) 可能經(jīng)常會遇到低的質(zhì)量一致性以及高的成本。
在便攜式光學分析裝置的制造中，涉及到曝露于一種或多種頻率 的電磁輻射的樣品的吸收特性和/或反射特性的測量，保持該樣品的光 學分析元件是一種重要的部件。它必須由這樣的材料制成，該材料對 于所用的電磁輻射是足夠透明的。此外，在可置換的光學分析元件的 情況中，用于光學測量的路徑長度必須 一致以使任何的分析誤差最小。
DE20020606U1描述了一種光學元件，其是由具有流體結(jié)構(gòu)或者通 道的層和另外一種透明層制成。任選的，在該包含流體結(jié)構(gòu)的層的任 一側(cè)可以有兩個透明的層。
US5801857描述一種用于測量血糖的微量取樣裝置，其包含具有 微量取樣器室的晶片、從該室伸出來的整體成形的針、來自該微量取 樣器室的排氣口，其中該晶片可以由藍寶石、硅或者陶瓷制成，并且 可以任選地適應于光學視窗。微量取樣器可以如下來制成通過在單 硅晶片上蝕刻幾個微量取樣器，并小塊切割該晶片來生產(chǎn)單個的裝置。
US2007/0160502描述了 一種制造微流體裝置的方法，包含將兩個 材料層粘合在一起，其中第一層是基底，并且具有流體口，其提供了 對于第二層中的通道微觀結(jié)構(gòu)的接近。該裝置可以如下來制造在包 含兩個層的單個大的晶片上制造幾個裝置，并且小塊切割該晶片來形 成單個的微流體裝置。這里仍然存在著對于生產(chǎn)多個高度一致性的光學元件的需要。這 里還存在著對于提供更有效的生產(chǎn)這樣的元件的方法的需要，該方法 更簡單、更具有成本和材料效率。此外，這里存在著對于這樣的光學 元件的需要，該元件能夠幫助提高光學分析的質(zhì)量和精度。此外，這 里存在著對于一種改進的光學分析樣品的方法的需要。
根據(jù)本發(fā)明，這里提供了一種晶片，其包含通道陣列，由該晶片 能夠生產(chǎn)多個光學元件，每個元件具有帶有開口的通道，樣品流體可 以供給到該開口中，該光學元件適用于使用一種或多種波長的電磁輻
射(EMR)的光學分析中，并且其包含了這樣的材料，該材料對于該光學 分析中使用的EMR是至少部分透明的，該通道布置在每個元件中，以 使得樣品流體能夠供給到其中，并且能夠用引導穿過該至少部分透明 材料的EMR進行照射，特征在于晶片和光學元件具有內(nèi)層和一個或多 個外層，該內(nèi)層包含了光學元件的通道，并且外層之一包含了反射表 面，以使得當光學元件使用時，透射穿過通道中的樣品流體的EMR從 該反射表面上纟皮反射，并且回穿過樣品流體。
本發(fā)明提供一種單晶片，其能夠切割來形成多個光學元件，該元 件適用于使用一種或多種頻率的電磁輻射(EMR)的光學分析中。該晶片 包含通道陣列，該通道典型的是彼此是相同形狀和大小的。該通道是 這樣排列的，以使得在晶片切割之后，所形成的光學元件每個包含了 具有開口的通道，待分析的樣品能夠供給到該開口中。該晶片包含這 樣的材料，該材料對于光學分析中所用的EMR輻射來說是至少部分透 明的。每個元件中的通道是這樣排列的，以使得引導穿過該EMR-透明 材料的EMR能夠照射通道中的樣品。優(yōu)選每個元件具有兩個通道開口 ， 來允許樣品流體流過該元件。這降低了氣泡形成的機會，并且還能夠 在所獲得的連續(xù)流動的樣品上進行分析。
在被從晶片上切割之前，每個光學元件的通道可以與相鄰的光學 元件的通道相互連接。備選地，每個光學元件的通道可以是獨立的通 道，其彼此不交叉。
通過根據(jù)本發(fā)明來生產(chǎn)晶片，多個光學元件可以容易的在單個初 始制作步驟中產(chǎn)生，隨后進行簡單的切割程序。這提高了元件之間的 一致性，例如在該晶片材料的光路長度和吸收率特性方面的 一致性， 這是因為全部的元件是由相同的晶片制成的，這使得在不同批次的晶
5片材料之間可能出現(xiàn)的差異變得最小。在一種實施方案中，在所述陣 列中的通道的形狀和/或尺寸可以是不同的，這樣能夠由該晶片來制作 許多不同的光學元件，例如在它們被用于不同設備的場合。備選地， 通道的形狀和尺寸可以是相同的，來提供許多相同類型和高度一致性 的光學元件。每個晶片可以提供大量的光學元件，典型的是10個或者 更多。
在一種實施方案中，該晶片是由多個層組成的，該多個層優(yōu)選是 能夠強的和有效的結(jié)合在一起，并且作為與樣品接觸的結(jié)果或者通過 熱誘導的膨脹或者收縮，其是抗分離的。
可以使用三個層，其中兩個外層夾著一個內(nèi)層，該內(nèi)層包含多個 通道。至少外層之一對于光學分析中所用的一種或多種波長的電磁輻
射(EMR)來說是至少部分透明的。外層之一可以是反射性的，以使得透 射過通道中的樣品的輻射被反射回來，穿過該樣品。這可以例如通過 使用例如鋁或者金的金屬箔或者涂層來實現(xiàn)。通過引導入射的EMR這 樣穿過樣品，以使得在反射時，反射光束不與入射光束重合，由此減 少甚至消除了與例如標準具(etalon)干涉條紋相關(guān)的問題，這提高了光 譜的質(zhì)量。這典型的是如下來實現(xiàn)的引導入射的EMR穿過該樣品， 并且以不與反射表面垂直的角度照射到該反射表面上。通過引導入射 的EMR這樣穿過樣品，以使得在反射時，反射光束不與入射光束重合， 由此減少甚至消除了與例如標準具(etalon)干涉條紋相關(guān)的問題，這提 高了光語的質(zhì)量。這典型的是如下來實現(xiàn)的引導入射的EMR穿過該 樣品，并且以不與反射表面垂直的角度照射到該反射表面上。
本發(fā)明的光學元件適于激光光鐠技術(shù)，例如使用可調(diào)的二極管激 光器的技術(shù)。激光光鐠通常比非激光技術(shù)更精確和靈敏，并因此能夠 用于混合物中的稀釋物質(zhì)的檢測和量化。但是，激光光譜非常容易形 成標準具干涉條紋，因此本發(fā)明的光學元件會是特別有用的。
晶片和光學元件能夠適于任何的EMR波長，例如近紅外(NIR，包 括4000 cm"-10000 cm"的頻率)，中紅外線(MIR,包括4000 cm"-180 cm"的頻率)，或者UV/可見光波長(其包括200-800nm范圍的波長)。 何種分析是可行的將部分地取決于待分析的樣品流體的性質(zhì)和晶片材 料的性質(zhì)。
平版印刷技術(shù)例如化學或者激光平版印刷，可以用來生產(chǎn)晶片中的通道。結(jié)合(bonding)技術(shù)例如陽極結(jié)合(anodic bonding )或者使 用粘接劑可以用于將晶片層結(jié)合在一起。使用何種技術(shù)將尤其取決于 晶片材料的性質(zhì)。
在一種優(yōu)選的實施方案，晶片包含硅層，其能夠容易地被切割或 者使用平版印刷技術(shù)蝕刻至高精確度。硅晶片還可以制備成高的純度 和厚度，其相對于聚合物材料是有利的，例如，生產(chǎn)具有期望的一致 性程度的聚合物材料是困難的和昂貴的。
適于與硅一起用在NIR元件中的NIR-透明材料是硅酸鹽基玻璃， 例如石英或者硼珪酸鹽玻璃，例如PyrexTM。 二氧化硅基材料，例如硼 硅酸鹽玻璃或者石英，能夠陽極結(jié)合到硅上，來提供在所述層之間強 的附著性。它們在熱誘導膨脹或者收縮過程中還是抗降解的或者抗破 裂的，這是通過兩種材料低的和類似的熱膨脹系數(shù)來進一步提高的。
常規(guī)的切割方法可以用來將晶片分割成多個光學元件。在例如用 于烴類樣品NIR測量的裝置中可以使用由硼硅酸鹽玻璃和硅制成的光 學元件，并因此能夠在分析來自多種與烴相關(guān)的工業(yè)中的樣品中獲得 應用，特別是在原油的提取、配送和精煉中獲得應用。例如，在石油 鉆塔或者油井處可以將便攜式手持裝置用于從油管或者從原油海洋油 輪的油罐中提取的樣品。它還可以用于分析煉油廠的樣品，例如從原 油儲罐中提取的樣品，從一種或多種精煉設備提取的樣品，或者從燃 料罐或者公路和鐵路配送罐車提取的樣品。
總之，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)大量的光學元件的低成本的方法， 該光學元件在材料質(zhì)量方面和在元件尺寸方面，特別是在光路長度方 面是高度一致的。因為大量的光學元件能夠同時的和以相對低的成本 來進行生產(chǎn)，因此該光學元件在使用后能夠便利的進行處理，這避免 了在測量之間清洗元件的需要，并因此避免了污染任何隨后分析的樣 品的任何風險。
現(xiàn)在將在后面參考附圖，來說明本發(fā)明非限定性的實施例，其中；

圖1是在切割成多個光學元件之前，具有多個通道的晶片的頂視
圖，光學元件之一被顯示在插圖中。
圖2表示了由圖1的晶片切割的光學元件的側(cè)視圖。
圖3是一種晶片的頂視圖，該晶片具有不同于圖1所示的元件的
通道結(jié)構(gòu)，來自于其的一個光學元件被顯示在插圖中。圖4表示了由圖3的晶片切割的光學元件的側(cè)視圖。
圖5是帶有圖4所示的光學元件的小規(guī)模分析裝置的俯視圖。 圖6是從圖5的小規(guī)模分析裝置下面觀察的視圖。 圖7示意了近紅外(NIR)輻射穿過光學元件的路徑，該光學元件是 由具有兩個PyrexTM(硼石圭酸鹽玻璃)外層和一個硅內(nèi)層的晶片制成。
圖1表示了帶有多個通道2的晶片l的頂視圖，其中全部的通道 是相同形狀和大小的。柵格3表示了切割線，由該切割線來生產(chǎn)光學 元件4。插圖表示了單個的光學元件，在其中通道2具有兩個開口端5 和6，流體可以通過這兩個開口端。通道的中心部分7具有比通道的 開口 5和6更大的橫截面積，這增加了能夠進入該通道的材料的量， 目的是增加曝露于EMR的材料的量。在這個實施例中，光學元件的尺 寸是10mmx5mm寬，在兩個開口處的通道直徑是0.5mm，中心部分7 的寬度是1.5mm。具有通道8的晶片層的材料是硅，并且該晶片還包 含了兩個Pyrex 硼硅酸鹽玻璃外層(未示出)。每個層的厚度是 0.5mm，產(chǎn)生了 1.5mm的總晶片厚度。
圖2表示了由圖1的晶片所生產(chǎn)的光學元件4的側(cè)視圖。表示了 三個層，其中，中心硅層8夾入到兩個硼硅酸鹽玻璃外層9和IO之間， 表示了通道2的開口端5。
圖3表示了一種晶片，其是以與圖1的晶片相同的方式和相同的 材料來生產(chǎn)的。但是，在這個實施例中，晶片1的硅層8中的通道2 是U形的。當沿著柵格線3切割時，產(chǎn)生了帶有U形通道的光學元件 4。
圖4表示了通道2的兩個開口 5和6，這兩個開口都開在光學元件 的同一側(cè)，在這種實施例中，通道2整體都是相同的橫截面積，寬度 是2mm。元件厚度也是1.5mm,并且尺寸是10mmxl2mm寬。
圖5表示了一種聚合物的一次性的樣品分析板30的俯視圖，在其 中可以將具有如圖3所示的U形通道的整體光學元件(未示出)插入到凹 進處31中。將來自樣品庫的樣品流體例如原油經(jīng)由入口管道35轉(zhuǎn)移 到微流體通道36中，并且穿過開口44，后者通到微流體通道38中(圖 6中所示)。溶劑例如曱苯也可以如下來供給到該樣品板通過入口管 道32,進入到微流體通道33中，其通過開口 45通到微流體通道41中 (圖6中所示)。
8圖6(其示意了圖5所示的同樣的樣品板30在圍繞著軸A-A'旋轉(zhuǎn) 180。之后的圖)示意了當分別到達微流體通道38和41時，溶劑或者樣 品所采用的不同的路徑。微型閥34和37的位置決定了溶劑和樣品能 夠采用的路徑。
微流體通道38連接這兩個微型閥，并且為樣品提供了直接轉(zhuǎn)移到 微流體通道39的路徑，孩i流體通道39通到廢物收集池中(未示出)，而 不需穿過凹進處31中的光學元件(未示出)。溶劑也可以從微型閥34導 入到微流體通道39中，并導入到廢物池中，而不通過所述的元件。
在不同的位置中，微型閥34使得樣品流體通過微流體通道38被 導入到微型閥37中，微型閥37適于將樣品流體引導通過微流體通道 42，并且進入到光學元件中，該光學元件在交叉點46處連接到通道42。 當微型閥34關(guān)閉通道40時，以及當微型通道40填充有樣品流體或者 溶劑時，離開該光學元件的樣品流體在交叉點43處纟皮導入到通道39 中。
圖7表示了在透射模式或者反射模式中，如何能夠使用光學元件 來收集吸光率數(shù)據(jù)。EMR(在這種情況中是NIR輻射20)是由源21發(fā)射 的，并且任選的通過光纖導入到光學元件中。該NIR穿過第一NIR-透 明的PyrexTM層9，并且穿過通道2中的流體樣品22。穿過第二 NIR-透明的PyrexTM層10的輻射23可以用探測器24來收集，其任選的是 通過光纖導入到該探測器中的。備選地，所述元件可以在PyrexTM層10 的一個表面上帶有(adapted with)金鏡涂層27。由鏡面25反射的輻射返 回穿過所述樣品，穿過第一 NIR-透明的PyrexTM層，并且由探測器26 收集，其任選的是通過光纖從光學元件導入到該探測器中的。
能夠用于本發(fā)明的光學元件的生產(chǎn)中的市售的硅晶片可以生產(chǎn)成 不同的尺寸。 一種合適的形式是直徑為大約10 cm的圓形晶片。對于 這些實施例中所述的兩個更大的光學元件來說，這允許由單個硅盤來 生產(chǎn)大約80個光學元件，因此提供了一種成本有效的方式來生產(chǎn)眾多 的尺寸和質(zhì)量一致的光學元件，該元件適用于小規(guī)模分析裝置中。
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權(quán)利要求
1.一種晶片，其包含通道陣列，由該晶片能夠生產(chǎn)多個光學元件，每個元件具有帶有開口的通道，樣品流體可以供給到該開口中，該光學元件適用于使用一種或多種波長的電磁輻射(EMR)的光學分析中，并且其包含了這樣的材料，該材料對于該光學分析中使用的EMR是至少部分透明的，該通道布置在每個元件中，以使得樣品流體能夠供給到其中，并且能夠用引導穿過該至少部分透明材料的EMR進行照射，特征在于晶片和光學元件具有內(nèi)層和一個或多個外層，該內(nèi)層包含了光學元件的通道，并且外層之一包含了反射表面，以使得當光學元件使用時，透射穿過通道中的樣品流體的EMR從該反射表面上被反射，并且回穿過樣品流體。
2. 權(quán)利要求l所要求的晶片，其中該晶片的至少一層是硅。
3. 權(quán)利要求2所要求的晶片，其中存在著硅內(nèi)層和硼硅酸鹽玻璃外層。
4. 權(quán)利要求3所要求的晶片，其中存在著夾入到兩個硼硅酸鹽玻璃 層之間的硅層。
5. 權(quán)利要求3或者權(quán)利要求4所要求的晶片，其中通道處于硅層中。
6. 權(quán)利要求l-5中任何一個所要求的晶片，其中在陣列中全部的通 道具有相同的形狀和大小。
7. 權(quán)利要求l-6中任何一個所要求的晶片，其中每個光學元件包含 具有兩個開口的通道。
8. 權(quán)利要求l-7中任何一個所要求的晶片，由該晶片能夠生產(chǎn)10個 或者更多個光學元件。
9. 一種光學元件，其是由權(quán)利要求l-8中任何一個所要求的晶片來 生產(chǎn)的。
10. 權(quán)利要求9所要求的光學元件，其中存在至通道的兩個開口。
11. 一種光學分析裝置，其包含權(quán)利要求9或者權(quán)利要求10所要求 的光學元件。
12. —種生產(chǎn)權(quán)利要求l-ll中任何一個所要求的晶片的方法，其包 含在晶片中產(chǎn)生多個通道，該晶片包含這樣的材料，該材料對于光學 分析中所用的一種或多種波長的電磁輻射是至少部分透明的。
13. 權(quán)利要求12所要求的方法，其中該晶片包含多個層，該通道是在一個層中產(chǎn)生的，并且所述的層結(jié)合到一起來形成該晶片。
14. 權(quán)利要求13所要求的方法，其中該晶片包含硅層和兩個硼硅酸 鹽玻璃層，該通道是在硅層中產(chǎn)生的。
15. 權(quán)利要求14所要求的方法，其中該硼硅酸鹽玻璃層是通過陽極 結(jié)合而結(jié)合到硅上的。
16. 權(quán)利要求14或者權(quán)利要求15所要求的方法，其中使用平版印刷 來產(chǎn)生該通道。
17. —種制備權(quán)利要求9或者權(quán)利要求10所要求的光學元件的方 法，其包含將權(quán)利要求1 -8中任何一個所要求的晶片切割成多個單個光 學元件，以4吏得每個光學元件包含具有至少一個開口的通道。
18. 權(quán)利要求17所要求的方法，其包含根據(jù)權(quán)利要求12-16中任何 一個來生產(chǎn)晶片。
19. 一種分析樣品流體的方法，其包含用一種或多種波長的電磁輻 射(EMR)來照射光學元件中的樣品流體，以4吏得透射過該樣品流體的 EMR被反射表面反射回來，穿過該樣品流體，特征在于該光學元件是 權(quán)利要求9或者權(quán)利要求10的光學元件。
20. 權(quán)利要求19所要求的方法，其中該光學元件是權(quán)利要求ll所要 求的光學分析裝置的一部分。
21. 權(quán)利要求19或者權(quán)利要求20所要求的方法，其中該一種或多種 波長的EMR是近紅外輻射。
22. 權(quán)利要求19-21中任一個所要求的方法，其中入射的EMR處于 與反射表面不垂直的角度。
全文摘要
一種晶片(1)，其包含通道陣列(2)，由該晶片(1)能夠生產(chǎn)多個光學元件(4)，每個元件具有帶有開口的通道(2)，樣品流體可以供給到該開口中，該光學元件(4)適用于使用一種或多種波長的電磁輻射(EMR)的光學分析中，并且其包含了這樣的材料，該材料對于該光學分析中使用的EMR是至少部分透明的，該通道(2)布置在每個元件中，以使得樣品流體能夠供給到其中，并且能夠用引導穿過該至少部分透明材料的EMR進行照射，特征在于晶片(1)和光學元件(4)具有內(nèi)層和一個或多個外層，該內(nèi)層(8)包含了光學元件(4)的通道(2)，并且外層之一(a，10)包含了反射表面(27)，以使得當光學元件使用時，透射穿過通道(2)中的樣品流體(22)的EMR被反射回來，穿過樣品流體(22)。
文檔編號G01N21/03GK101688829SQ200880023674
公開日2010年3月31日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者T·科爾特布赫爾 申請人:英國石油國際有限公司