DE19842694A1 - Mikrostrukturierter Körper sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Mikrostrukturierter Körper sowie Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Ein mikrostrukturierter Körper mit einem Substrat (10) und mindestens einer auf das Substrat aufgebrachten Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mikrostrukturiert und präzise relativ zur Oberfläche des Substrates positioniert ist. Ein solcher Körper kann mit einem Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Schritte enthält: Zuerst wird ein Substrat (10) hergestellt, das Justiergestaltungen (16, 18) aufweist. Dann wird die Oberfläche des Substrates (10) mindestens bereichsweise mit einem flüssigen Material (20) beschichtet. Anschließend wird ein Deckel (30) mit mikrostrukturierter Oberfläche auf das Substrat (10) aufgesetzt, wobei der Deckel (30) mit Positioniergestaltungen (34, 36) versehen ist, die zu den Justiergestaltungen (16, 18) komplementär sind, so daß der Deckel (30) in einer genau definierten Lage auf dem Substrat (10) angeordnet wird, sowie mit Gestaltungen, mittels denen die Beschichtung mikrostrukturiert wird. Nachfolgend wird der Deckel (30) mechanisch auf das Substrat (10) gepreßt, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche des Deckels (30) mindestens bereichsweise in der Beschichtung abgeformt wird. Zuletzt wird das aufgebrachte Material (20) ausgehärtet.
Description
Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Körper mit einem
Substrat und mindestens einer auf das Substrat aufgebrachten
Beschichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen mikrostrukturierten Körpers.
Ein mikrostrukturierter Körper dieses Typs kann insbesondere
mittels Abformtechniken hergestellt werden. Im sogenannten LIGA-
Verfahren werden zunächst mikrostrukturierte Masterstrukturen durch
Röntgenlithographie erzeugt. Aus diesen wird dann durch galvanische
Abformung ein Abformwerkzeug mit einer geometrisch inversen Oberfläche
hergestellt. Von diesem Abformwerkzeug kann anschließend mit einem
Kunststoff-Abformschritt ein Kunststoffteil erhalten werden, welches
formgleich mit der mikrostrukturierten Masterstruktur ist. Auf diese
Weise lassen sich zum Beispiel im Spritzgußverfahren sehr
kostengünstig große Mengen von hochpräzisen, mikrostrukturierten
Kunststoffteilen herstellen, die nachfolgend als Substrat bezeichnet
werden.
Nachteilig hierbei ist, daß nur bestimmte Mikrostrukturen
herstellbar sind, nämlich solche Strukturen, die durch Abformen von
einem geeignet mikrostrukturierten Werkzeug in einem einzigen
homogenen Werkstoff erzielbar sind. Auf diese Weise können
beispielsweise keine Formen mit Hinterschneidungen erhalten werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen
mikrostrukturierten Körper zu schaffen, bei dem die Strukturen in
vielfältigster Weise ausgestaltet sein können, so daß sich die
verschiedensten Anwendungsbereiche eröffnen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem
mikrostrukturierten Körper der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß die Beschichtung mikrostrukturiert und präzise relativ zur
Oberfläche des Substrates positioniert ist. Dies eröffnet völlig neue
Freiheiten durch die Kombinationsmöglichkeit verschiedener Materialien
und Gestaltungen. Es ist nunmehr möglich, auf der mikrostrukturierten
Beschichtung eine weitere Beschichtung aufzubringen, die mit der
ersten Beschichtung und den in dieser abgeformten Mikrostrukturen
zusammenwirkt, um spezielle Funktionen zu verwirklichen. Außerdem
können nunmehr mikorstrukturierte Gestaltungen gebildet werden, die
durch Strukturierung des Substrates allein nicht herstellbar sind, da
beispielsweise eine Hinterschneidung am Werkzeug erforderlich wäre.
Unter einer mikrostrukturierten Oberfläche bzw. Beschichtung wird
hier einer Gestaltung verstanden, die aus verschiedenen, ebenen oder
gekrümmten Flächen besteht, die dreidimensional und in präzisen
Abständen und Anordnungen relativ zueinander angeordnet sind,
beispielsweise Nuten, Gräben, Kanäle, Aussparungen, etc. Diese
Gestaltungen halten bestimmte Toleranzen ein, die von der zu
erzielenden Anwendung abhängen. Diese Toleranzen können sehr eng sein,
wenn eine präzise Positionierung relativ zu anderen Strukturen
erforderlich ist, oder auch vergleichsweise groß sein, wenn eine
besondere Genauigkeit nicht erforderlich ist. Dies verringert den
Bearbeitungsaufwand.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Beschichtung
aus einem Material, das sich hinsichtlich mindestens einer
physikalischen Eigenschaft von dem Material des Substrats
unterscheidet. Auf diese Weise kann auf der Oberfläche des Substrates
z. B. ein Wellenleiter ausgebildet werden. Der Wellenleiter kann
dadurch gebildet werden, daß die Oberfläche des Substrates mit dem
geeigneten Material in flüssigem Zustand beschichtet wird und daß
anschließend ein mikrostrukturierter Deckel auf das Substrat
aufgesetzt wird. Dieser Deckel wird mechanisch gegen das Substrat
gedrückt und sorgt dafür, daß in der Beschichtung die
mikrostrukturierten Gestaltungen abgeformt werden, die den
Wellenleiter bilden sollen und die auf dem Substrat und/oder dem
Deckel ausgebildet sind. Der Deckel muß dabei relativ zu dem
mikrostrukturierten Substrat präzise positioniert werden, damit sich
das aufgebrachte Material nach dem Andrücken des Deckels an den
erforderlichen Stellen befindet. Anschließend wird das immer noch
flüssige Material ausgehärtet, beispielsweise durch Bestrahlung. Nun
kann der Deckel abgenommen werden, und es bleibt das Substrat mit dem
aufgebrachten, nun ausgehärteten Material zurück, das seinerseits
mikrostrukturiert ist. Es ist dann möglich, in weiteren
Bearbeitungsschritten weitere Beschichtungen auf den aus der ersten
Beschichtung erhaltenen Mikrostrukturen auszubilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die
Beschichtung einen Wellenleiter, wobei der Wellenleiter zumindest
teilweise über die umliegende Oberfläche des Substrats hervorsteht.
Auf diese Weise können durch Zusammenwirken des mikrostrukturierten
Deckels mit dem Substrat Wellenleiter mit nahezu beliebigem
Querschnitt gebildet werden, der nicht hinterschneidungsfrei sein muß,
beispielsweise ein runder Querschnitt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Wellenleiter
einen trapezförmigen Querschnitt auf, und er ist vollständig auf der
Oberfläche des Substrates angeordnet. Ein Wellenleiter mit
trapezförmigem Querschnitt kann besonders gut abgeformt werden, da zum
einen das in die mit ebenfalls trapezförmigem Querschnitt
mikrostrukturierte Gestaltung hinein verdrängte, flüssige Material
diesen Querschnitt besser vollständig ausfüllt als beispielsweise
einen rechteckigen Querschnitt, und zum anderen beim Abheben des
Deckels nicht die Gefahr besteht, daß die Seitenflächen und Ränder des
Wellenleiters beschädigt werden, da die geneigten Seitenflächen des
Wellenleiters sich nach der Art von Formschrägen leicht vom Deckel
lösen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein
Wellenleiter mit einem kreisförmigen Querschnitt gebildet werden,
wobei eine Hälfte des Querschnitts vertieft im Substrat und die andere
Hälfte erhaben oberhalb der umliegenden Fläche des Substrats
angeordnet ist. Auf diese Weise können mikrostrukturierte Gestaltungen
erhalten werden, die dann, wenn sie allein durch eine entsprechende
Gestaltung des Substrates erhalten werden müßten, zu
Hinterschneidungen führen würden, die nicht abgeformt werden könnten.
Erst wenn ein Teil des Querschnitts des Wellenleiters in der
Beschichtung abgeformt wird, entfallen die Hinterschneidungen, so daß
auch beispielsweise ein kreisförmiger Querschnitt erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in
der Beschichtung eine Nut ausgebildet ist. Diese Nut kann
beispielsweise eine Führungsnut für ein mit dem Körper zu koppelndes
Element sein. Dieses Element, beispielsweise ein als optischer Sender
bzw. Empfänger ausgebildeter Halbleiterchip, dient dazu, dem
mikrostrukturierten Körper Signale zuzuführen oder Signale von diesem
abzunehmen. Es ist gemäß der Erfindung nicht erforderlich, die zur
Aufnahme eines mit dem mikrostrukturierten Körper zu koppelnden
Elements dienende Nut bereits bei der Herstellung des Substrats
abzuformen; die Nut kann später an der gewünschten Stelle in einem
einzigen Arbeitsschritt beispielsweise gleichzeitig mit der
Herstellung von Wellenleitern am Substrat ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind an dem Substrat
Justiergestaltungen für einen auf das Substrat aufsetzbaren,
mikrostrukturierten Deckel vorgesehen. Diese Justiergestaltungen, die
beispielsweise aus den präzise geschnittenen Außenkanten des Substrats
oder aus einer Nut bestehen können, die in der Oberfläche des
Substrats ausgebildet ist, dienen zur präzisen Positionierung des
Deckels relativ zum Substrat und können gegebenenfalls für die weitere
Justage des fertigen Bauteils verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Justiergestaltungen mindestens teilweise in räumlicher Nähe zu der
mikrustrukturierten Beschichtung angeordnet sind. Auf diese Weise
ergibt sich einer erhöhte Genauigkeit bei der Herstellung der
abgeformten Mikrostrukturen. Die Position der Mikrostrukturen in der
Beschichtung ist nämlich umso genauer relativ zu den Mikrostrukturen
des Substrats, je kleiner die Abstände zwischen den abzuformenden
Strukturen und den Justiergestaltungen sind, da dann eventuelle
Toleranzen oder eventueller Materialverzug nur sehr geringe
Auswirkungen haben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung mikrostruk
turierter Körper enthält die folgenden Schritte: Zuerst wird ein
Substrat hergestellt, das Justiergestaltungen aufweist. Dann wird die
Oberfläche des Substrats mindestens bereichsweise mit einem flüssigen
Material beschichtet. Anschließend wird ein Deckel mit
mikrostrukturierter Oberfläche auf das Substrat aufgesetzt, wobei der
Deckel mit Positioniergestaltungen versehen ist, die zu den
Justiergestaltungen komplementär sind, so daß der Deckel in einer
genau definierten Lage auf dem Substrat angeordnet wird, sowie mit
Gestaltungen, mittels denen die Beschichtung mikrostrukturiert wird.
Danach wird der Deckel mechanisch auf das Substrat gepreßt, wobei die
mikrostrukturierte Oberfläche des Deckels mindestens bereichsweise in
der Beschichtung abgeformt wird. Zuletzt wird das aufgebrachte
Material ausgehärtet. Dieses Verfahren eröffnet die Möglichkeit, an
den jeweiligen Einsatzzweck angepaßte, mikrostrukturierte Gestaltungen
zu erhalten. Die Justiergestaltungen ermöglichen zusammen mit den
Positioniergestaltungen ein präzise Anordnung des Deckels relativ zum
Substrat, so daß in der Beschichtung mikrostrukturierte Gestaltungen
abgeformt werden können, die präzise relativ zu Mikrostrukturen im
Substrat liegen können. Die dabei erhaltene Genauigkeit ermöglicht es,
auf den erhaltenen Mikrostrukturen in nachfolgenden Arbeitsschritten
weitere Mikrostrukturen aufzubauen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Deckel derart mikrostrukturiert ist, daß die aufgebrachte Beschichtung
beim Aufdrücken des Deckels aus den zu strukturierenden Bereichen
verdrängt wird. Auf diese Weise können insbesondere vertiefte
Strukturen abgeformt werden. Danach könnte in einem weiteren
Arbeitsschritt eine zweite Beschichtung aufgebracht werden, die mit
einem zweiten Deckel mikrostrukturiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Deckel derart mikrostrukturiert ist, daß die aufgebrachte Beschichtung
beim Aufdrücken des Deckels in die zu strukturierenden Bereiche
hineingedrängt wird. Auf diese Weise können insbesondere erhabene
Strukturen abgeformt werden. Diese können mit der erforderlichen
Präzision auch auf einem Substrat ausgebildet werden, dessen
Oberläche gewissen Unebenheiten aufweist. Dies senkt die Kosten für
die Herstellung des Substrates, das nicht in allen
Oberflächenbereichen mit der Präzision hergestellt werden muß, die für
mikrostrukturierte Bereiche erforderlich ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Körper durch die ausgehärtete Beschichtung gebildet wird, die von dem
Substrat abgehoben wird. Dies ermöglicht es, einen mikrostrukturierten
Körper beispielsweise in der Form einer Folie zu erhalten, die
beidseitig mikrostrukturiert ist. Es muß nur darauf geachtet werden,
daß sich die auf das Substrat aufgebrachte Beschichtung beim Aushärten
nicht mit diesem verbindet, sondern nach dem Aushärten von dem
Substrat getrennt werden kann. Dies gelingt beispielsweise, wenn als
Material für das Substrat Nickel und als Beschichtungsmaterial
Kunststoff verwendet wird. Wenn in weiteren Arbeitsschritten
zusätzliche Mikrostrukturen auf der Folie ausgebildet werden, dient
diese dann ihrerseits als Substrat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener
Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt sind. Obwohl die gezeigten Ausführungsformen jeweils ein
optisches bzw. elektro-optisches Bauteil zeigen, wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, daß mittels der aufgezeigten Grundprinzipien auch
Bauteile hergestellt werden können, die keine optischen Funktionen
haben, beispielsweise rein elektrische bzw. elektronische Bauteile. In
den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Substrat vor der Beschichtung mit einem Material;
Fig. 2 das Substrat von Fig. 1 mit aufgebrachtem Wellenleiter
und ausgebildeter Führungsnut für eine mit dem Wellenleiter koppelbare
Lichtleitfaser;
Fig. 3 ein Substrat mit strukturierter Oberfläche;
Fig. 4 das Substrat von Fig. 3 sowie einen auf dieses
aufsetzbaren, mikrostrukturierten Deckel;
Fig. 5 ein Substrat und einen Deckel ähnlich denjenigen von
Fig. 4, jedoch mit zusätzlichen Positionier- und Justier
gestaltungen;
die Fig. 6a bis 6c ein Substrat und einen Deckel, wobei auf
das Substrat verschiedene Materialien aufgebracht werden;
die Fig. 7a und 7b ein Substrat und einen Deckel, wobei auf
dem Substrat ein sowohl erhabener als auch vertiefter Wellenleiter
gebildet wird;
die Fig. 8a und 8b ein Substrat und einen Deckel ähnlich
denjenigen von Fig. 7, wobei ein nur erhabener Wellenleiter gebildet
wird;
die Fig. 9a bis 9e ein Substrat und einen Deckel, wobei ein
abgeschirmter Hochfrequenzleiter gebildet wird;
die Fig. 10a und 10b ein Substrat mit einer Aufnahmeöffnung
für einen Chip;
die Fig. 11a bis 11c ein Substrat und einen Deckel, mittels
denen eine mikrostrukturierte Folie hergestellt werden kann;
die Fig. 12a bis 12d ein Substrat und einen Deckel, wobei
eine partielle Metallisierung auf einem auf das Substrat aufgebrachten
Material erzielt wird;
Fig. 13 ein elektro-optisches Bauteil, das durch partielle
Metallisierung eines Substrats hergestellt werden kann;
Fig. 14 ein elektro-optisches Bauteil, das mit einem hohlen Ka
nal versehen ist, das von einem Medium durchströmt werden kann; und
Fig. 15 ein optisches Bauteil, das als Transceiver verwendet
werden kann.
Anhand der Fig. 1 bis 4 werden nun die Grundschritte der
Herstellung eines mikrostrukturierten Körpers beschrieben. Zuerst wird
ein Substrat 10 hergestellt. Dies kann insbesondere durch Abformen
mittels eines Kunststoffmaterials von einem mikrostrukturierten
Werkzeug geschehen.
Das Substrat 10 kann auf seiner strukturierten Oberfläche
beispielsweise mit Gräben 12 und Nuten 14 (siehe Fig. 3) versehen
sein. Ferner können die Außenkanten des Substrats 10 mikrostrukturiert
sein, beispielsweise präzise geschnitten, um als Justiergestaltungen
16 zu dienen.
Auf die strukturierte Oberfläche des Substrats 10 wird ein
optisches Material 20 in flüssigem Zustand aufgebracht. Anschließend
wird ein Deckel 30 auf das Substrat 10 und das auf dieses aufgebrachte
Material 20 aufgesetzt. Der Deckel 30 ist ebenfalls mit einer
mikrostrukturierten Oberfläche versehen, beispielsweise mit
Vorsprüngen 32, die in die Gräben 12 des Substrates hineinragen, sowie
mit Kanten 34, die Positioniergestaltungen bilden und mit den
Justiergestaltungen 16 derart zusammenwirken, daß der Deckel 30
relativ zum Substrat 10 genau justiert und positioniert wird. Wenn der
Deckel 30 in der korrekten Stellung auf das Substrat 10 aufgebracht
ist, wird er mechanisch gegen dieses gedrückt. Dabei wird das
aufgebrachte flüssige Material 20 aus allen den Bereichen verdrängt,
in denen es nicht erwünscht ist. Gleichzeitig oder anschließend wird
das flüssige Material 20 ausgehärtet, beispielsweise mittels
Bestrahlung. Schließlich wird der Deckel 30 vom Substrat 10
abgenommen. Aus diesem Grunde wird der Deckel oft auch als "StripOff-
Deckel" bezeichnet.
Zurück bleibt das Substrat 10, auf dem nun mittels des
ausgehärteten Materials 20 verschiedene Mikrostrukturen gebildet sind.
Diese Mikrostrukturen enthalten insbesondere einen Wellenleiter 40
(siehe Fig. 2) sowie Aufnahmen 42 für eine schematisch dargestellte
Lichtleitfaser 5, in denen jeweils eine Führungsnut 44 für die
Lichtleitfaser 5 ausgebildet ist.
In einem weiteren, nicht dargestellten Arbeitsschritt können nun
Lichtleitfasern in den Führungsnuten 44 angeordnet und dort verklebt
werden, so daß sie mit dem Wellenleiter 40 gekoppelt sind.
Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß zur Positionierung des
Deckels 30 relativ zum Substrat 10 keinerlei Gestaltungen verwendet
werden, die später zur präzisen Aufnahme der einzelnen Lichtleitfasern
dienen. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, daß die Führungsnut
für die Lichtleitfaser erst in dem Arbeitsschritt hergestellt wird,
mit dem auch das auf das Substrat aufgebrachte Material
mikrostrukturiert wird; auf diese Weise ist ein Verschmutzen oder auch
Beschädigen der Führungsnut für die Lichtleitfaser verhindert. Die
Führungsnut kann insbesondere mit demselben Material hergestellt
werden, das auch für den Wellenleiter verwendet wird und das auf den
Rest der Oberfläche des Substrates aufgebracht wird. Auf diese Weise
wird in einem einzigen Arbeitsschritt beispielsweise ein Wellenleiter
in der strukturierten Oberfläche des Körpers und eine Führungsnut für
eine mit diesem Wellenleiter koppelbare Lichtleitfaser hergestellt.
Die Positionierung der Führungsnut für die Lichtleitfaser relativ zu
dem Wellenleiter erfolgt mit hoher Genauigkeit, da sich die Struktur
zur Ausbildung der Führungsnut in dem Material an dem Deckel befindet,
mittels dem auch der Wellenleiter auf dem Substrat gebildet wird.
In Fig. 5 ist ein Substrat 10 mit mikrostrukturierter Oberfläche
gezeigt, wie es weitgehend aus den Fig. 1 bis 4 bekannt ist.
Zusätzlich zu den präzise strukturierten Außenkanten 16 ist eine
Justiergestaltung 18 in der Form einer Nut mit V-förmigem Querschnitt
vorgesehen. Diese ist in der Nähe der Nuten 14 für die Ausbildung von
Wellenleitern angeordnet. Die V-förmige Nut 18 wirkt mit einer
Positioniergestaltung 36 am Deckel 30 zusammen, die als Vorsprung mit
ebenfalls V-förmigem Querschnitt ausgebildet ist. Auf diese Weise wird
die Genauigkeit der Positionierung und Justierung des Deckels 30
relativ zum Substrat 10 erhöht. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn die
Justiergestaltung 18 und die Positioniergestaltung 36 in der Nähe von
Oberflächenstrukturen des Substrats 10 und des Deckels 30 angeordnet
sind, da auf diese Weise Toleranzen aufgrund von Materialverzug etc.
verringert werden. Dies ermöglicht es, Funktionselemente, die in die
mittels der Vorsprünge 32 abgeformten Aussparungen eingesetzt werden,
präzise zu den Wellenleitern zu positionieren.
In den Fig. 6a bis 6c sind ein Substrat 10 und ein Deckel 30
gezeigt, wobei mittels der Justier- und Positioniergestaltungen 18, 36
eine derart präzise Anordnung des Deckels 30 relativ zum Substrat 10
möglich ist, daß in einem ersten Arbeitsschritt ein erstes
aufgebrachtes Material mit präzisen Mikrostrukturen angeordnet werden
kann und anschließend ein zweites Material auf dem ersten Material mit
derselben Genauigkeit mikrostrukturiert werden kann.
Mit einem ersten Deckel 30, der mit einem Vorsprung 32 versehen
ist, wird das auf das Substrat 10 aufgebrachte erste Material 20 in
dem Graben 12 so mikrostrukturiert, daß ein Wellenleiter 40 mit einem
präzise strukturierten Graben 46 entsteht. Anschließend wird ein
zweites Material 22 aufgebracht, das sich in seinen optischen
Eigenschaften von dem ersten Material 20 unterscheidet und nach dem
Aushärten einen in den Wellenleiter 40 geschachtelten Wellenleiter 41
bildet. Dies ermöglicht die Konstruktion von unsymmetrischen
Wellenleitersystemen, d. h. Wellenleitersystemen aus Wellenleitern mit
unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten, oder Wellenleiterstrukturen
für eine Taperanordnung. Die Justier- und Positioniergestaltungen 18,
36, die sehr viel näher an den Wellenleitern 40, 41 angeordnet sind
als die Justier- und Positioniergestaltungen 16, 34, führen zu einer
besonders hohen Genauigkeit.
In Fig. 7 ist zu sehen, daß mittels einer in dem Deckel 30
angeordneten Vertiefung 37, die mit dem geeignet gestalteten Graben 12
zusammenwirkt, durch Mikrostrukturieren der Beschichtung ein
Wellenleiter 40 mit kreisförmigem Querschnitt erzielt werden kann. Im
Gegensatz zu der aus dem Spritzguß bekannten Technik ist der auch bei
einem Durchmesser von z. B. 0,5 mm noch sehr filigrane Wellenleiterkern
nicht freitragend und damit mechanisch instabil, sondern er ist fest
mit dem Substrat verklebt. Somit ist eine mechanisch stabile optische
Kopplung zur runden Lichtleitfaser möglich.
Bei geeigneter Ausgestaltung der Vertiefung 37 kann auch ein
erhabener Wellenleiter 40 mit beliebigem, hinterschneidungsfreiem
Querschnitt auf der Oberfläche des Substrates erzielt werden. In Fig.
8 ist ein Wellenleiter mit trapezförmigem Querschnitt gezeigt. Da bei
dieser Gestaltung, abgesehen von der Justiergestaltung 18, keinerlei
Vertiefungen im Substrat vorhanden sind, kann dieses mit einer
vergleichsweise einfach strukturierten Oberfläche hergestellt werden.
Alle Gestaltungen, die mikrostrukturiert sein müssen, also der
Wellenleiter sowie die Führungsnuten für die Lichtleitfaser, werden
als erhabene Strukturen am Deckel ausgebildet.
Anhand der Fig. 9a bis 9e ist zu sehen, wie ein abgeschirmter
Hochfrequenzleiter hergestellt werden kann. Zunächst wird das Substrat
10 mit dem Graben 12 hergestellt. Anschließend wird auf die
mikrostrukturierte Oberfläche des Substrats 10 eine metallische
Beschichtung 50 aufgebracht, die gegebenenfalls galvanisch oder
chemisch verstärkt werden kann.
Anschließend wird in dem Graben 12 aus einem geeigneten, ersten
Material durch Aufsetzen des Deckels 30 eine Schicht 48 ausgebildet,
die als Dielektrikum wirkt. Diese Schicht wird mittels eines
Vorsprungs 32 am Deckel 30 mikrostrukturiert. Daraufhin wird eine
erneute metallische Beschichtung 52 aufgebracht, die in einem letzten
Arbeitsschritt auf der Oberfläche abpoliert wird, so daß die zweite
metallische Beschichtung 52 nur noch im Bereich des Grabens 12
verbleibt. Diese Beschichtung kann in gleicher Weise wie oben
beschrieben galvanisch oder chemisch verstärkt werden.
In den Fig. 10a und 10b ist ein Substrat 10 gezeigt, in welchem
mittels eines mikrostrukturierten Deckels ein Wellenleiter 40 sowie
eine Aufnahmeöffnung 60 für eine Kantenemitter-Laserdiode 62
ausgebildet sind. Diese ist "up side down" an einem Kühlkörper 64
angebracht. Die Aufnahmeöffnung 60 und der Wellenleiter 40 können
mittels eines geeignet geformten Deckels derart präzise in einer auf
das Substrat 10 aufgebrachten, mikrostrukturierten Beschichtung
hergestellt werden, daß die Laserdiode 62 nach dem Einsetzen in die
Aufnahmeöffnung 60 exakt mit dem Wellenleiter 40 gekoppelt ist. Nach
der erfolgten Justierung müssen alle Bauteile mittels eines im Index
richtig gewählten Polymerklebers verbunden werden, um einen
langzeitstabilen Aufbau zu erhalten.
In den Fig. 11a bis 11c ist gezeigt, wie mittels eines
Substrates 10 und eines Deckels 30 eine mikrostrukturierte Folie 70
hergestellt werden kann. Das Substrat 10 und der Deckel 30 sind mit
einer derart mikrostrukturierten Oberfläche versehen, daß ein auf das
Substrat 10 aufgebrachtes Material 20 so geformt wird, daß es
beispielsweise optische Linsen mit beidseitiger Linsenwölbung,
Fresnell-Linsen oder Justierstrukturen enthält. Wenn das Material 20
ausgehärtet ist und vom Substrat 10 entfernt wird, ergibt sich eine
mikrostrukturierte Folie 70, in der diese Bauelemente verwirklicht
sind. Durch metallische Beschichtung bestimmter Oberflächen können
auch mikrostrukturierte Spiegel hergestellt werden. Auch lokale
Durchbrüche 72 in der ansonsten durchgehenden Folie sind möglich.
In den Fig. 12a bis 12d ist gezeigt, wie ein Substrat 10, das
bereichsweise mit dem ausgehärteten, mikrostrukturierten Material 20
versehen ist, mit einer metallischen Beschichtung versehen werden
kann. Nach Aufbringen und Aushärten des Materials 20 wird zunächst
eine durchgehende metallische Beschichtung 80 aufgebracht.
Anschließend wird die Oberfläche des Substrats 10 poliert, so daß die
metallische Beschichtung 80 an all jenen Stellen entfernt wird, an
denen sie nicht unterhalb dieser polierten Oberfläche liegt. Da die
Politur auch auf dem Material ausgeführt wird, das in den Nuten 14
angeordnet ist und später als Wellenleiter dienen soll, muß sie mit
feinstem Korn durchgeführt werden. Die metallische Beschichtung ist
jedoch sehr dünn, so daß dies kein großes Problem darstellt. Hinzu
kommt, daß der Wellenleiter später mit einem Material sehr ähnlichen
Indexes übergossen wird, was den Einfluß von Oberflächenrauhigkeiten
reduziert. Nachdem die metallische Beschichtung an der Oberfläche des
Substrates abpoliert ist (siehe Fig. c), kann die verbleibende
metallische Beschichtung verstärkt werden, beispielsweise galvanisch,
damit ausreichend hohe Ströme in den elektrischen Leitern 80 fließen
können. Dazu werden die metallischen Teilflächen elektrisch
kontaktiert und in ein Galvanikbad eingebracht. Über die Steuerung des
Zuleitungsstromes kann die Schichtdicke der galvanischen Verstärkung
eingestellt werden. In Fig. 12d ist zu sehen, daß die rechte
Beschichtungsteilfläche 80 eine größere Wandstärke als die linke
Beschichtungsteilfläche 80 hat.
Die Möglichkeit, unterschiedlich dicke, metallische Beschichtungen
auf dem Substrat auszubilden, erlaubt es, eine dünne Beschichtung, die
als Heizleiter wirkt, und eine dicke Beschichtung auszubilden, die als
zugeordnete Kühlfläche wirkt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein
thermo-optisch schaltbares Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet
werden. Dies ist in Fig. 13 gezeigt. Im Substrat 10 ist ein
Wellenleiter 40 ausgebildet, der sich in zwei Interferometerarme 40',
40" verzweigt. Eine metallische Beschichtung mit dünner Wandstärke
dient als Heizleiter 82, während eine metallische Beschichtung mit
dicker Wandstärke als Kühlkörper 84 dient.
Für die Ausbildung der verschiedenen Strukturen des Mach-Zehnder-
Interferometers ist es besonders vorteilhaft, wenn in der Nähe der
entsprechenden Strukturen die zusätzlichen Justier- und
Positioniergestaltungen 18, 36 verwendet werden, ausgestaltet
beispielsweise als Nut und Vorsprung.
In Fig. 14 ist ein Substrat 10 gezeigt, in welchem eine
schematisch dargestellte hohle Nut 90 ausgebildet ist. Eine solche Nut
kann beispielsweise mittels eines geeignet gestalteten Vorsprungs
erzielt werden, der am Deckel vorgesehen ist und in einem auf das
Substrat aufgebrachten Material als Mikrostruktur abgeformt wird. Die
hohle Nut erstreckt sich sehr nahe an einem optischen Wellenleiter 40,
der gekrümmt verläuft. Auf dem Substrat 10 muß ein Verschlußteil
angebracht werden, um die hohle Nut 90 zu erzeugen. Das Material des
Verschlußteils muß einen Brechungsindex haben, der kleiner als
derjenige der Wellenleiter 40, 41 ist, um die optische Feldführung
nicht zu stören. Wenn durch die hohle Nut 90 ein Medium geschickt
wird, symbolisiert durch den Pfeil 90', kommt es zu einer
Wechselwirkung zwischen dem optischen Feld im Wellenleiter 40 und dem
durch die hohle Nut 90 strömenden Medium. Da der Wellenleiter 40 in
der Nähe der hohlen Nut 90 gekrümmt verläuft, reagiert er sehr
empfindlich auf den dort vorliegenden Brechungsindex. Dieser ändert
sich aufgrund der Wechselwirkung mit dem strömenden Medium, so daß an
der Krümmungsstelle je nach Brechungsindex eine stärkere oder
schwächere Abstrahlung auftritt, die in dem zweiten Wellenleiter 41
gesammelt und zu einer Lichtleitfaser 5 geführt werden kann. Auf diese
Weise wird ein optischer Sensor für den Brechungsindex des in der
hohlen Nut 90 strömenden Mediums erzielt. Somit läßt sich zum Beispiel
die Zusammensetzung eines Gases oder eines Flüssigkeitsgemisches
technisch überwachen, das kontinuierlich durch die hohle Nut 90
fließt. Führt nämlich eine Veränderung in der Zusammensetzung des
fließenden Mediums zu einer Indexveränderung des Mediums, erhöht bzw.
reduziert sich die Abstrahlung aus dem durchgehenden Wellenleiter. Die
Messung der Lichtintensitäten in den Lichtleitfasern ergibt somit eine
Meßgröße für den Brechungsindex des Mediums. Umgekehrt ist neben der
dargestellten Sensorfunktion auch eine Aktor-Funktion des Bauteils
möglich.
Wenn sich in der hohlen Nut 90 Flüssigkeiten befinden, die durch
Anlegen eines elektrischen Feldes ihren Index ändern können, zum
Beispiel Flüssigkeitskristalle, so kann durch eine elektrische
Spannung ein Umschalten der Lichtleistung von einem auf den anderen
Ausgang bewirkt werden. Das Bauteil funktioniert dann als optischer
Schalter. Es können in der hohlen Nut 90 auch reflektierende
Flüssigkeiten verwendet werden, z. B. Quecksilber.
In Fig. 15 ist ein Substrat 10 gezeigt, bei dem ein erhabener
Wellenleiter 4U mit großem Querschnitt und ein vertieft in einer Nut
angeordneter Wellenleiter 41 mit kleinerem Querschnitt ausgebildet
sind. Eine von der Lichtleitfaser 5 in das Bauteil eingekoppelte
Lichtleistung wird mittels des erhabenen Wellenleiters 40 zu nahezu
100% zu einem vom Pfeil 97 symbolisierten Fotodetektor geleitet.
Gleichzeitig kann über den dünnen Wellenleiter 41 eine Lichtleistung,
die von einer vom Pfeil 98 symbolisierte Laserdiode abgegeben wird,
verlustarm eingekoppelt werden. Auf diese Weise ist ein Transceiver
gebildet, der trotz der Splitterkonstruktion für ein- und auslaufende
Signale weniger als 50% Splitterverluste aufweist.
Der Wellenleiter 40 kann entsprechend den Fig. 7 und 8 als
erhabene und vertiefte Mikrostruktur bzw. als nur erhabene
Mikrostruktur ausgebildet sein, während der Wellenleiter 41
beispielsweise nach Art des in Fig. 6c gezeigten Wellenleiters
vertieft ausgebildet ist, zum Beispiel als Singlemode-Wellenleiter.
Claims (32)
1. Mikrostrukturierter Körper mit einem Substrat (10) und
mindestens einer auf das Substrat aufgebrachten Beschichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mikrostrukturiert und
präzise relativ zur Oberfläche des Substrates (10) positioniert ist.
2. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Material (20) besteht,
das sich hinsichtlicht mindestens einer physikalischen Eigenschaft von
dem Material des Substrats (10) unterscheidet.
3. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung einen Wellenleiter (40, 41)
bildet.
4. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (40, 41) zumindest teilweise über
die umliegende Oberfläche des Substrats (10) hervorsteht.
5. Mikrostrukturierter Körper nach einem der Ansprüche 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (40, 41) einen
beliebigen, ausformbaren Querschnitt aufweist und vollständig auf der
Oberfläche des Substrates (10) angeordnet ist.
6. Mikrostrukturierter Körper nach einem der Ansprüche 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (40, 41) einen
kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei eine Hälfte des Querschnitts
verlieft im Substrat (10) und die andere Hälfte erhaben oberhalb der
umliegenden Fläche des Substrats (10) angeordnet ist.
7. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die mikrostrukturierte Beschichtung
mindestens einen gegenüber der umliegenden Oberfläche vertieften
Bereich (44; 46; 90) aufweist.
8. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Beschichtung eine Nut (44; 46; 90)
ausgebildet ist.
9. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nut eine Führungsnut (44) für ein mit dem
Körper zu koppelndes Element ist.
10. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die strukturierte Beschichtung mindestens einen
Wellenleiter (40, 41) bildet und daß die Führungsnut (44) zur Aufnahme
einer Lichtleitfaser (5) dient, die mit dem Wellenleiter (40, 41)
koppelbar ist.
11. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nut (90) hohl und von einem Verschlußteil
abgedeckt ist und jedes Ende der Nut (90) an einer Außenseite des
Körpers mündet.
12. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrostrukturierte
Beschichtung mindestens einen gegenüber der umliegenden Oberfläche
erhabenen Bereich (40, 41) aufweist.
13. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Substrat (10) Justier
gestaltungen (16, 18) für einen auf das Substrat (10) aufsetzbaren,
mikrostrukturierten Deckel (30) vorgesehen sind.
14. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Justiergestaltungen mindestens eine Außenkante (16)
des Substrats (10) enthalten.
15. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Justiergestaltungen mindestens eine Vertiefung
(18) enthalten, die auf der Oberfläche des Substrats (10) gebildet
ist.
16. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vertiefung eine Nut (18) ist.
17. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Nut (18) einen V-förmigen Querschnitt hat.
18. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vertiefung ein Justierkreuz ist.
19. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vertiefung ein Kegel ist.
20. Mikrostrukturierter Körper nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Justiergestaltungen (16, 18)
mindestens teilweise in räumlicher Nähe zu mikrostrukturierten
Gestaltungen (12, 14) angeordnet sind.
21. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein auf der Beschichtung
ausgebildetes Heizelement (82) und ein auf der Beschichtung ausge
bildetes Kühlelement (84) aufweist, so daß ein thermo-optisches
Bauteil gebildet ist.
22. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Abschirmung (50)
versehen ist, so daß ein abgeschirmter Hochfrequenzleiter gebildet
ist.
23. Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Körper mittels
der folgenden Schritte:
- 1. es wird ein Substrat (10) hergestellt, das Justiergestaltungen (16, 18) aufweist,
- 2. die Oberfläche des Substrats (10) wird mindestens bereichsweise mit einem flüssigen Material (20) beschichtet,
- 3. ein Deckel (30) mit mikrostrukturierter Oberfläche wird auf das Substrat (10) aufgesetzt, wobei der Deckel (30) mit Positionierge staltungen (34, 36) versehen ist, die zu den Justiergestaltungen (16, 18) komplementär sind, so daß der Deckel (30) in einer genau definier ten Lage auf dem Substrat (10) angeordnet wird, sowie mit mikrostrukturierten Gestaltungen, mittels denen die Beschichtung mikrostrukturiert wird,
- 4. der Deckel (30) wird mechanisch auf das Substrat (10) gepreßt, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche des Deckels (30) mindestens bereichsweise in der Beschichtung abgeformt wird,
- 5. das aufgebrachte Material (20) wird ausgehärtet.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der
Deckel (30) derart mikrostrukturiert ist, daß die aufgebrachte
Beschichtung beim Aufdrücken des Deckels (30) aus den zu
strukturierenden Bereichen verdrängt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der
Deckel (30) derart mikrostrukturiert ist, daß die aufgebrachte
Beschichtung beim Aufdrücken des Deckels (30) in die zu
strukturierenden Bereiche hineingedrängt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, daß als flüssiges Material ein Material (20) verwendet
wird, das sich in seinen physikalischen Eigenschaften derart von den
Eigenschaften des Materials des Substrates (10) unterscheidet, daß es
einen optischen Wellenleiter (40, 41) bildet.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das
Material (20) beim Aufdrücken des Deckels (30) in eine Vertiefung (37)
im Deckel (30) hineingedrängt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß der Deckel (30) von dem Substrat (10) abgenommen
wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß nach
dem ersten Material (20) ein zweites Material (22) aufgebracht wird,
das mittels eines zweiten Deckels mikrostrukturiert wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper durch Aufbringen der Beschichtung auf
das Substrat (10) und anschließendes Aushärten gebildet wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper durch die ausgehärtete Beschichtung
gebildet wird, die von dem Substrat (10) abgehoben wird.
32. Mikrostrukturierte Folie, erhalten durch ein Verfahren gemäß
Anspruch 31.
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