Способ получения равномерных нанозазоров между поверхностями тел



Способ получения равномерных нанозазоров между поверхностями тел

 


Владельцы патента RU 2485558:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") (RU)

Способ может использоваться при изготовлении различных оптических, оптоэлектронных, квантовых и микромеханических устройств, в которых необходимо получать зазор равной и малой толщины между электродами или пластинами, имеющими поверхности большой площади, в частности, управляемых интерферометров Фабри-Перо. Способ включает выравнивание одной поверхности эквидистантно относительно второй с использованием жертвенного слоя и гибкой пленки, приклеиваемой к поверхности с помощью слоя твердеющей среды. В качестве жертвенного слоя используют прослойку смачивающей поверхность жидкости, каплю которой наносят вначале на область поверхности первого тела, или увлажняют эту область экспонированием в парах жидкости. Затем накладывают смачиваемую этой жидкостью гибкую пленку, на которую через слой твердеющей среды накладывают необходимой поверхностью второе тело, причем после затвердевания среды жидкость удаляют испарением. Объем наносимой капли жидкости может обеспечивать смачивание поверхностей только в пределах упомянутой области. Технический результат - упрощение способа изготовления устройств в виде системы тел со сверхмалыми воздушными зазорами между их поверхностями. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к оптике, электронике, к способам изготовления устройств с малыми зазорами между поверхностями деталей или электродов величиной в доли мкм, в т.ч. изготовления оптических устройств и квантовых электронных устройств.

В оптике широко используются устройства, основанные на явлениях интерференции световых потоков, например интерферометры Фабри-Перо, применяемые в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

В оптике и микросистемной технике широко используются по крайней мере две технологии получения плоских воздушных промежутков между поверхностями плоских тел с использованием жертвенного (удаляемого) слоя между поверхностями скрепляемых параллельно друг другу пластины и тонкопленочного плоского слоя и с использованием калиброванных прокладок, размещаемых между соединяемыми пластинами локально (например, при изготовлении интерферометров Фабри-Перо). Вариантом последнего метода является технология изготовления на плоской поверхности одной пластины методом ионного травления плоской выемки с глубиной, равной необходимому промежутку, и соединение подготовленной пластины с другой плоской пластиной на «оптическом контакте». Жертвенный слой применяется при создании поверхностных микротопологий с нависающими или отделяемыми от подложки структурными элементами в технологиях микромеханики. Получение промежутка с помощью прокладок - распространенный прием в оптике и механике.

Задача получения воздушного промежутка существенно усложняется при необходимости его выдерживания плоским по всей поверхности пластин с точностью до сотых и менее долей длины волны света, требующейся в оптических устройствах, так как трудоемким является изготовление самих пластин с указанным значением плоскостности.

В качестве аналога выбран известный метод изготовления оптических приборов, содержащих зеркальные поверхности с зазором между ними, например приборов с резонаторами Фабри-Перо [Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. Учебник - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998].

В соответствии с аналогом, предварительно, методами механической либо другой полировки, готовятся пластины с высокой степенью плоскостности хотя бы одной из поверхностей каждой пластины, методом, например, глубокой полировки; этим поверхностям затем придают зеркальные свойства (нанесением тонких пленок), затем пластины закрепляют друг относительно друга в механизме их перемещения так, чтобы полированные поверхности имели между собой плоский зазор.

Недостатки аналога: сложность способа при обеспечении допустимой неплоскостности зазора между массивными пластинами порядка сотых-десятых долей длины волны излучения; выполнение этого условия требует значительного удорожания процесса изготовления пластин и усложнения конструкции прибора с такими пластинами в целом и его эксплуатации в связи с необходимостью введения в его конструкцию котировочного механизма и проведения процесса юстировки с постоянным контролем взаимного расположения пластин; способ не позволяет получать контролируемые зазоры с размерами порядка межатомных расстояний.

Прототипом изобретения выбран способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри-Перо [Патент на изобретение РФ №2388025, приоритет от 21 июля 2008 г., Чесноков Д.В., Чесноков В.В., Никулин Д.М., Чесноков А.Е.], заключающийся в том, что на одну пластину интерферометра с зеркальным покрытием наносят жертвенный слой напылением в вакууме, поверх него наносят зеркальное покрытие и прикрепляют вторую прозрачную пластину слоем твердеющего материала, после чего упомянутые пластины закрепляют на держателях и удаляют жертвенный слой испарением, нагревая интерферометр.

Недостаток прототипа - необходимость в специальной технологической операции нанесения жертвенного слоя и сложность подбора его вещества - слой должен быть легколетучим и одновременно иметь абсолютно гладкую поверхность.

Решается задача создания упрощенного способа изготовления устройств в виде системы тел со сверхмалыми воздушными зазорами между их поверхностями.

Задача решается тем, что в способе получения равномерного нанозазора между областями поверхностей двух механически скрепляемых тел, включающем выравнивание одной поверхности эквидистантно относительно второй с использованием жертвенного слоя и гибкой пленки, приклеиваемой к поверхности с помощью слоя твердеющей среды, в соответствии с изобретением, в качестве жертвенного слоя используют прослойку смачивающей поверхность жидкости, каплю которой наносят вначале на область поверхности первого тела, или увлажняют эту область экспонированием в парах жидкости, затем накладывают смачиваемую этой жидкостью гибкую пленку, на которую через слой твердеющей среды накладывают необходимой поверхностью второе тело, причем после затвердевания среды жидкость удаляют испарением.

Предлагается также, что объем наносимой капли жидкости обеспечивает смачивание поверхностей только в пределах упомянутой области.

Способ иллюстрируется на фиг.1 на примере получения зазора между зеркальными покрытиями в многолучевом интерферометре Фабри-Перо.

На фигуре: 1 и 2 - вторая и первая прозрачные пластины, 3 -зеркальный слой на поверхности второй пластины, 4 - гибкая пленка, 5 - смачивающая жидкость, 6 - мениск на боковой поверхности слоя жидкости, вызванный капиллярными силами в жидкости, 7 - твердеющая среда, 8 - корпус, скрепляющий пластины 1 и 2, как в процессе затвердевания среды 7, так и после удаления слоя жидкости 5, 9 - клей, соединяющий корпус и пластины.

Последовательность операций при получении зазора между зеркальными покрытиями поверхностей пластин (пластины с зеркальными покрытиями являются телами, упомянутыми в формуле изобретения) следующая. На первую пластину 1 с зеркальным слоем 3 наносят каплю жидкости, смачивающей зеркальные слои, альтернативой может быть увлажнение поверхности парами жидкости, затем укладывают заранее подготовленную гибкую пленку толщиной <1 мкм с зеркальным покрытием с нижней стороны, при этом жидкость смачивает зеркальные покрытия и растекается по ним, образуя капиллярный слой 5 с менисками 6 по краям; размер области с капиллярным слоем определяется объемом наносимой капли; поверх гибкой пленки наносят каплю эпоксидного клея 7 и вторую прозрачную пластину 2. Вторую пластину укладывают так, чтобы области пластин, между которыми необходимо образовать нанозазор, совпадали. На нижней пластине закрепляют клеем 9 цилиндр 8, во внутреннюю полость которого входит верхняя пластина и также закрепляется клеем 9.

Объем наносимой капли жидкости необходимо выбрать таким, чтобы мениск 6, образованный на поверхности жидкости в промежутке между зеркалами, не вышел за пределы границ гибкой пленки. При этом условии слой растекшейся жидкости оказывается под отрицательным давлением (так как вогнутость мениска направлена в сторону воздуха), которое прижимает гибкую пленку к нижней пластине, распластывая пленку по всем неровностям поверхности. Затвердевание клея фиксирует «распластанное» положение гибкой пленки. Для образования воздушного промежутка между зеркальными слоями необходимо удалить жидкость из капиллярного слоя; если требуется величина зазора большей величины, чем обеспечивает капиллярный слой жидкости, можно верхнюю пластину удалить на требуемое расстояние (с помощью цилиндра 8, который может быть изготовлен из пьезокерамики, или за счет удлинения цилиндра при его нагревании). Давление внутри слоя жидкости между смоченными поверхностями относительно давления во внешней среде можно определить в соответствии с уравнением Лапласа-Юнга, как для мениска с цилиндрической симметрией:

где Δр - разница давлений внутри жидкости и снаружи, σ - поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом, R - радиус закругления поверхности мениска. При полном смачивании R=d/2. Используем воду (σ≈0,073 H/м); при d=0,1 мкм получим для отрицательного давления в капиллярном слое значение Δр=1,46 МПа (14,6 атм), что подтверждает предположение о достаточности капиллярного давления для прижима гибкой пленки.

Для получения воздушной среды в капиллярном промежутке жидкость должна быть из него удалена, например, нагреванием и испарением. Процесс удаления может быть быстрым, если выбрать легкокипящую жидкость и удалять ее капиллярный слой нагреванием тел до кипения жидкости. В рассмотренном выше случае получения зазора в системе металл - воздух - металл с помощью капиллярной прослойки жидкости величина зазора может доходить до удвоенной толщины адсорбционного слоя молекул h≈0,5 нм.

Рассмотрим примеры реализации изобретения.

Для получения между двумя стеклянными пластинами плоского зазора толщиной менее 1 мкм проведем их предварительную подготовку, которая заключается в механической полировке как минимум одной из сторон у каждой пластины с требованиями по плоскостности не хуже N=5 (5 колец Ньютона), ΔN=1. Далее нанесем на такую поверхность пластины через маску полупрозрачный зеркальный слой из алюминия методом вакуумного напыления. Подготовим в такой же вакуумной камере гибкую пленку с напыленным слоем алюминия. В атмосферных условиях увлажним алюминиевый слой на пластине, наложим гибкую пленку слоем металлизации на слой алюминия на пластине и убедимся в распластывании гибкой пленки по пластине. В качестве твердеющей среды можно нанести каплю эпоксидного клея или твердеющего вида оптических клеев; наложим сверху вторую прозрачную пластину. После затвердевания клея или даже не дождавшись затвердевания, вкладываем полученный пакет в корпус, смазанный клеем. После затвердевания клея получившуюся конструкцию можно пометить в вакуум для удаления капиллярного слоя или нагреть до температуры кипения (в случае воды - до 100°С). Таким образом будут получены зеркала резонатора Фабри-Перо, величина зазора между которыми имеет одинаковое значение во всех точках их поверхности, пригодные для использования в качестве оптических фильтров. Рассмотренные примеры реализации изобретения и анализ обоснованности предложенных решений показывают полезность и новизну решений, их выполнимость и достижимость заявленных целей.

Малая достижимая величина зазора и его большая площадь могут позволить использовать способ при создании квантовых устройств, использующих эффекты туннелирования электронов через вакуумные промежутки.

Промышленное применение способ может найти при изготовлении различных оптических, оптоэлектронных, квантовых и микромеханических устройств, в которых необходимо получать зазор равной и малой толщины между электродами или пластинами, имеющими поверхности большой площади, в частности управляемых интерферометров Фабри-Перо.

1. Способ получения равномерного нанозазора между областями поверхностей двух механически скрепляемых тел, включающий выравнивание одной поверхности эквидистантно относительно второй с использованием жертвенного слоя и гибкой пленки, приклеиваемой к поверхности с помощью слоя твердеющей среды, отличающийся тем, что в качестве жертвенного слоя используют прослойку смачивающей поверхность жидкости, каплю которой наносят вначале на область поверхности первого тела, или увлажняют эту область экспонированием в парах жидкости, затем накладывают смачиваемую этой жидкостью гибкую пленку, на которую через слой твердеющей среды накладывают необходимой поверхностью второе тело, причем после затвердевания среды жидкость удаляют испарением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем наносимой капли жидкости обеспечивает смачивание поверхностей только в пределах упомянутой области.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например, резонаторов Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к волоконно-оптическим соединителям, реализуемым с использованием нанотехнологийИзвестны оптические соединители (ОС) контактного типа, в которых минимум потерь мощности в соединителях достигается за счет увеличения плотности прилегания соединяемых оптических волокон (ОВ) друг к другу по всей поверхности торцов ОВ.

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к волоконно-оптическим соединителям (ВОС), реализуемым с использованием нанотехнологий.

Изобретение относится к оптике, к способам изготовления устройств с малыми управляемыми зазорами величиной в доли мкм, в т.ч. .

Изобретение относится к области конструирования оптических тонкопленочных покрытий. .

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к оптическим многослойным фильтрам (ОМСФ), входящим в состав устройств мультиплексирования по длине волны для образования множества спектральных каналов при работе по волоконно-оптическим кабелям связи.

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к оптическим многослойным фильтрам (ОМСФ). .

Изобретение относится к интерференционным покрытиям и, в частности, может быть использовано в оптическом приборостроении для узкополосной фильтрации света. .

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений полного внутреннего отражения и интерференции световых потоков, в том числе, устройствам оптических фильтров, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света

Изобретение может быть использовано в защитных очках, шлемах, масках, щитках и экранах для защиты глаз человека от ослепляющего лазерного излучения. Светофильтр включает прозрачную подложку и нанесенные на нее три элемента, содержащих интерференционные покрытия из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления (ВН)к. В первый элемент, представляющий собой многослойный интерференционный фильтр в виде зеркала второго порядка (λ0=1565 нм) с высоким отражением в области 530-540 нм и максимальным пропусканием в области 470-505 нм и 545-620 нм, на границе фильтр-подложка и фильтр-воздух введены дополнительные слои (СН)3 и (CH)2Cl,24H. Во второй элемент, представляющий собой длинноволновый отрезающий фильтр (λ0=680 нм) с высоким отражением в области 635-740 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм, расположенный на противоположной от первого элемента стороне подложки и непосредственно примыкающий к ней, введены дополнительные слои 0,5С(CH)4 и (CH)3C 0,54Н. В третий элемент, представляющий собой коротковолновый отрезающий фильтр (λ0=425 нм) с высоким отражением в области 380-460 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм и расположенный поверх второго элемента, дополнительно введены слои 0,5 ВН(CH)3 и 0,5B. Технический результат - повышение прозрачности фильтра в коротковолновой и длинноволновой области спектра от полосы высокого отражения при блокировании лазерного излучения заданной длины волны. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу спектральной фильтрации излучения с помощью интерференционных фильтров в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока излучения. Спектральная фильтрация осуществляется с помощью многослойного интерференционного фильтра, содержащего слои с периодически меняющимся значением коэффициента преломления. Кроме того, интерференционный фильтр содержит проходящую по всей толщине фильтра ячеистую структуру с вертикальными светоизолирующими стенками, которая обеспечивает разделение проходящего через фильтр излучения на отдельные световые потоки. Каждый из световых потоков имеет сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости светового потока, и спектральная фильтрация осуществляется раздельно для каждого из этих световых потоков. Технический результат заключается в увеличении допустимой расходимости и регистрируемой интенсивности излучения. 2 ил.

Фильтр включает первый полосно-пропускающий интерференционный фильтр, содержащий первый диэлектрический слой, расположенный между двумя отражающими слоями и имеющий полосу пропускания, центрированную на заданной длине волны и при заданном угле, и первое смещение полосы пропускания. Второй полосно-пропускающий интерференционный фильтр содержит второй диэлектрический слой, расположенный между двумя отражающими слоями, имеющий полосу пропускания, центрированную на заданной длине волны и при заданном угле, и второе смещение полосы пропускания, отличное от первого смещения полосы пропускания. Разделительная прокладка расположена между первым и вторым полосно-пропускающими интерференционными фильтрами. Отличие между первым и вторым смещениями полосы пропускания приводит к уменьшению количества видимого света, пропускаемого через указанный составной интерференционный фильтр под углом 45° к указанному заданному углу, по отношению к количеству видимого света, пропускаемого под заданным углом через указанный составной интерференционный фильтр. Технический результат - уменьшение количества пропускаемого света при отклонении угла падения от заданного угла. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

Светофильтр содержит плоскую прозрачную пластину с тонкопленочным прозрачным покрытием одной ее поверхности. В первом варианте светофильтр содержит также оптическую призму ввода излучения, закрепленную плоской гранью на тонкопленочном покрытии вблизи конца пластины. Показатели преломления призмы и пленки больше показателя преломления пластины. Во втором варианте конец пластины скошен под острым углом к поверхности тонкопленочного покрытия. Излучение вводится в пленку через скошенный конец пластины. Показатель преломления пленки больше показателя преломления пластины. Введенное в пленку излучение распространяется в ней под углом к поверхности пленки, граничащей с пластиной, меньшим угла полного внутреннего отражения, но большим угла полного внутреннего отражения второй поверхности пленки. Удаленный от места ввода излучения конец пластины может быть выполнен в виде цилиндрической или сферической линзы. Технический результат - создание светофильтра, обладающего высоким разрешением и большой областью дисперсии. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для получения широкоугольного изображения содержит оптическую систему и широкоугольный дихроический отрезающий фильтр, расположенный вблизи поверхности линзы в оптической системе. Линза принимает главные световые лучи, по существу, под одинаковым углом падения на ее поверхность. Устройство для уменьшения блика в формирователе изображения содержит абсорбционный ультрафиолетовый (УФ) отрезающий фильтр и дихроический инфракрасный (ИК) отрезающий фильтр, расположенный на линзе в оптической системе, который принимает отраженный свет от поверхности в оптической системе под углом падения, большим, чем угол падения света от объекта, падающего на дихроический ИК отрезающий фильтр. В другом варианте устройство содержит абсорбционный инфракрасный (ИК) отрезающий фильтр и дихроический ультрафиолетовый (УФ) отрезающий фильтр, расположенный на линзе в оптической системе, который принимает свет, отраженный от поверхности в оптической системе, под углом падения, меньшим, чем угол падения света от изображаемого объекта, падающего на дихроический УФ отрезающий фильтр. Технический результат - уменьшение пропускания нежелательных длин волн светового излучения и/или блика в формирователь изображения. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 20 ил.

Предложен парный оптикопеременный защитный элемент, который включает первое и второе оптикопеременные тонкопленочные многослойные интерференционные устройства, причем первое и второе оптикопеременные интерференционные устройства расположены таким образом, что они могут быть рассмотрены совместно. Диапазон, перекрываемый волнами третьей и четвертой длины второго устройства, находится внутри диапазона, перекрываемого волнами первой и второй длины первого устройства, тем самым определяя определенный угол падения света, под которым максимумы отражения k-ого порядка (k) первого и второго интерференционных устройств совпадают. Первое и второе оптикопеременные интерференционные устройства обладают одинаковыми интерференционными конструкциями таким образом, что они проявляют истинное согласование по спектру при падении света под указанным определенным углом, тогда как при всех других углах имеют разные спектры. Предложенный защитный элемент обеспечивает высокую степень защиты документов от подделки. 6 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано для быстрой перестройки или сканирования спектра пропускания или отражения излучения в сенсорных и спектральных системах. Интерферометр содержит корпус, выполненный в виде двух установленных перпендикулярно к оптической оси фланцев с осевыми сквозными отверстиями, и двухзеркальный резонатор, расположенный в отверстиях фланцев, каждое зеркало которого закреплено на соответствующем фланце с помощью пьезоэлектрического элемента. Фланцы соединены между собой узлом крепления. Выводы пьезоэлектрических элементов связаны со входом контрольного блока и выходом генератора, выход контрольного блока связан с управляющим входом генератора. Крепления зеркал к торцам пьезоэлектрических элементов выполнены с возможностью размещения между периферийными участками зеркал, не участвующих в многократном отражении света, плоскопараллельной пластины, толщина которой лежит в пределах изменения зазора между зеркалами, обеспечиваемого рабочим ходом пьезоэлектрических элементов. Технический результат - упрощение изготовления и юстировки интерферометра, обеспечение стабильности и функциональной гибкости работы в автоматизированных системах. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Сканирующее интерференционное устройство содержит подложки с зеркальным покрытием с регулированием положения при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения. Поверхности подложек зеркал интерферометра между собой соединены с помощью прозрачного упругого сплошного или островкового слоя равномерной толщины с образованием механического осциллятора, имеющего частоту собственных колебаний, близкую к частоте переменного напряжения. Модуль Юнга упругого слоя меньше, чем подложек. Пьезоэлементом может быть одна из подложек. В качестве материала прозрачного упругого слоя могут использоваться полужесткие, мягкие и эластичные формы полимера, в том числе, полиимид, полиэтилен, фоторезист, кремнийорганический каучук. Оптическая толщина упругого слоя равна половине или полной длине волны модулируемого излучения. Толщины составных частей осциллятора много меньше длины упругой волны в нем. По толщине осциллятора может укладываться целое число половин длины упругой волны в нем, а по толщине подложки - нечетное число четвертей длины упругой волны. Технический результат - увеличение глубины модуляции интерферометра, быстродействия и апертуры. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптике и касается способа повышения плотности мощности светового излучения внутри среды. Способ включает в себя формирование среды в виде многослойной периодической структуры, имеющей в спектре пропускания запрещенную зону, а также узкие резонансные пики полного пропускания и направление в эту среду излучения, длина волны которого совпадает с одним из резонансных пиков полного пропускания. Технический результат заключается в повышении плотности мощности излучения внутри периодической среды. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх