DE102005019125A1

DE102005019125A1 - Optomechanischer Schichtverbund

Info

Publication number: DE102005019125A1
Application number: DE200510019125
Authority: DE
Inventors: Peter Karageorgiev; Michael Dr. Giersig
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2005-04-24
Filing date: 2005-04-24
Publication date: 2006-10-26

Abstract

Schichtenverbund zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung 7 in eine mechanische Auslenkung, wobei eine biegsame Substratschicht 9 vorhanden ist und eine auf der Substratschicht 9 aufgebrachte und mechanisch mit der Substratschicht 9 verbundene und auf die Strahlung empfindliche Sensorschicht 8, wobei Moleküle der Sensorschicht 8 bei Bestrahlung einen Übergang durchführen, wobei der Übergang den Druck innerhalb der Sensorschicht 8 ändert, wobei die Druckänderung in der Sensorschicht 8 eine Biegung der Substratschicht 7 hervorruft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optomechanischen Schichtenverbund zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in eine mechanische Auslenkung. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Bestimmung der Polarisation elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im oder am Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes, mit dem der optomechanische Schichtverbund bestrahlt wird.

Auf den Gebieten der Optomechanik, also dem Zusammenspiel mechanischer und optischer Effekte, und der Optomechatronik, die zudem noch elektronische Phänomene berücksichtigt, sind eine Vielzahl von Bauelementen bekannt, die nicht nur in der Wissenschaft sondern auch schon in der Praxis Verwendung finden. Als Beispiel für die neuesten Entwicklungen sei auf die sogenannten „surface relief gratings" (SRG) hingewiesen. Diese SRG sind Azobenzen haltige Polymerfilme, die auf eine Bestrahlung mit einem Materialtransport auf ihrer Oberfläche reagieren. Durch den Materialtransport entsteht entsprechend der Bestrahlung ein erhabenes Relief auf der Oberfläche des Films. Diese Materialien werden beispielsweise für den Bau optischer Speicher vorgeschlagen, da sie die Information codierende Strukturen ausbilden, nachdem sie mit Licht „beschrieben" wurden.

Als einfache optoelektronische Elemente sind Halbleiterelemente (Photozellen), beispielsweise lichtempfindliche Siliziumzellen, bekannt, die bei Lichteinfall ein Potential aufbauen und/oder einen Photostrom erzeugen. Solche Photozellen werden beispielsweise in großer Anzahl zu CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) zusammengefasst.

Weiterhin sind Sensoren bekannt, mit denen sich die Polarisation von Licht untersucht lässt, wobei die bekannten Systeme die Polarisation mittels eines mit einem Polarisationsfilter gekoppelten lichtsensiblen Elementes detektieren und in ein elektrisches Signal umsetzen. Diese Sensoren sind je nach der Qualität des Polarisationsfilters mit bis zu einigen Tausend Euro verhältnismäßig teuer. Dabei ist es bei diesen Sensoren notwendig, den Polarisationsfilter bei der Messung um 180 Grad zu drehen, um den Polarisationsvektor des Lichtes zu bestimmen. Für die Drehung ist ein zusätzlicher mechanischer Aufbau notwendig, der neben den Kosten auch die Reaktionszeit des Systems belastet. Eine Massenproduktion von derartigen Polarisations-Sensoren ist derzeit nicht möglich.

Aus der SU 762 659 A1 ist ein Halbleiter Photoelement offenbart, das ein Substrat aus monokristallinen anisotropen Halbleiter mit ausgezeichneter optischer Achse und eine epitaxale Schicht aus isotropem Halbleiter aufweist. Eine Bestrahlung dieses Photoelementes generiert Ladungsträger deren Konzentration von der Orientierung der optischen Achse abhängt. Die erzeugten Ladungsträger können zu einer Biegung der Struktur führen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt nun einerseits darin, einen einfach aufgebauten und massenhaft zu fertigenden optomechanischen Schichtenverbund zu schaffen, der mit einer detektierbaren Deformation auf die Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, reagiert. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Sensor zur Detektion polarisierter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht im sichtbaren Frequenzbereich oder nahe dem sichtbaren Frequenzbereiches, zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch den Schichtenverbund nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 8 und den Sensor nach Anspruch 10 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt in dem speziellen Schichtenverbund, der bei Einstrahlung von Licht einen ähnlichen Effekt zeigt, wie ein Bimetallplättchen bei Temperaturänderung. Dabei baut sich in der Grenzfläche zwischen Substrat und Sensorschicht nach dem Einfall der elektromagnetischen Strahlung eine mechanische Spannung auf. Diese Spannung ändert die Krümmung respektive die Biegung des Schichtenverbundes. So biegt die Spannung innerhalb der Sensorschicht die Substratschicht, was sich beispielsweise dazu nutzen lässt, dass der gebogene Schichtenverbund einen elektrischen Kontakt schließt. Kurz nach dem Lichteinfall wird ein solches System mit einem Stromfluss reagieren. Die Biegung hängt dabei von der Empfindlichkeit der Sensorschicht und der Qualität insbesondere der Intensität und der Frequenz der einfallenden Strahlung ab. Solange die Strahlung isotrop und nicht polarisiert ist, stellt sich eine isotrope Biegung des Schichtenverbundes ein, die allerdings durch die Geometrie des Schichtenverbundes beeinflusst ist.

Dabei sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Spannung in dem erfindungsgemäßen Schichtenverbund nicht durch Temperaturerhöhung, sondern durch den Einfall der Strahlung erzeugt wird. Dabei sind Einflüsse einer Temperaturänderung und einer damit verbundenen Auslenkung des Verbundes zu berücksichtigen und vorteilhafterweise auszuschließen.

Entsprechend der Erfindung ist bei dem Schichtenverbund eine auf die Strahlung empfindliche Sensorschicht auf eine biegsame Substratschicht aufgebracht und mit der Substratschicht mechanisch fest verbunden. Für die Sensorschicht ist ein Material zu wählen, in dem der Einfall elektromagnetischer Strahlung einen insbesondere isothermalen Übergang erzeugt, der innerhalb des Materials zu einer Volumenänderung führt. Bei der Nutzung des erfindungsgemäßen Effekts ist es wichtig, das Material an die zu detektierende Strahlung anzupassen. D.h., es müssen Materialien gewählt werden, die in dem vorgesehenen Frequenzbereich einen Übergang haben.

Der Vorteil der Erfindung liegt vor allem in dem einfachen Konzept, das eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Nutzung bietet. Insbesondere können mit einem solchen Schichtenverbund kleine und kostengünstige Sensoren realisiert werden, mit denen sich die momentane Anwesenheit oder die Abwesenheit von Licht durch eine Registrierung der Biegung zuverlässig und zeitnah feststellen lässt. Die erfindungsgemäßen Schichtenverbunde können für Sensoren in Rauchmeldern oder in Dämmerungsschaltern eingesetzt werden.

Als Material für die Sensorschicht bietet sich Azobenzen (Azobenzol) haltiges Polymer, insbesondere ein Azobenzen haltiges Seitenkettenpolymer, an, wie es beispielsweise von den oben genannten SRGs bekannt ist. Dabei sind neben dem Azobenzen haltigen Polymer auch andere Polymere einsetzbar, die eine dem Azobenzen ähnliche Struktur beinhalten und/oder wie das Azobenzen eine Bindung mit einem durch Strahlung anregbaren Dipolmoment haben, wobei ein angeregtes Dipolmoment zu einer Bewegung des über die Bindung gekoppelten Molekülteils führt. Im Falle des Azobenzen ruft die Strahlung die Bewegung eines gekoppelten Molekülteils hervor, wenn die Polarisation der Strahlungskomponente mit dem Übergangsdipolmoment überein stimmt. Im vorliegenden Fall des Azobenzen haltigen Seitenkettenpolymers kann dieser Übergang mit Licht im sichtbaren Bereich oder nahe dem sichtbaren Bereich angeregt werden.

Die Funktionsweise des Azobenzen haltigen Polymers kann folgendermaßen erklärt werden: Die Azo Gruppe absorbiert das Licht und wird angeregt. Aus diesem angeregten Zustand relaxiert sie in eine gebogene Konfiguration, die mehr Volumen als die vorher gerade Konfiguration einnimmt. Durch den Volumenbedarf wird ein Druck innerhalb der Schicht aufgebaut, der eine Ausdehnung verursacht. Die Ausdehnung verursacht ihrerseits eine Spannung im Schichtenverbund und biegt diesen. Dabei ist der Druck bei unpolarisierter Strahlung isotrop und positiv, so dass eine isotrope Ausdehnung stattfindet. Bei polarisierter Strahlung baut sich der Druck im Wesentlichen parallel zur Polarisation des Lichtes auf. Es kann auch in senkrechter Richtung ein positiver oder sogar negativer Druck festgestellt werden, der jedoch mit etwa 10% wesentlich kleiner ist.

Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass das Azobenzen haltige Polymer vorteilhafterweise als dünner Film auf das Substrat aufgetragen wird, wobei diese Auftragung mit dem Verfahren der Rotationsbeschichtung („spin-coating") geschehen kann. Die Stärke des Filmes sollte unter 500 μm, vorteilhafterweise unter 50 μm liegen, wobei eine Stärke von weniger als 10 μm zu bevorzugen ist.

Um den gewünschten Effekt zu erzielen werden diese Filme auf eine Substratschicht ähnlicher Stärke aufgetragen, wobei das Substrat beispielsweise von einer Glas-, Metall- oder Siliziumschicht gebildet wird. Die Stärke der Substratschicht ist entsprechend kleiner als 500 μm, insbesondere kleiner als 50 μm und vorteilhafterweise kleiner als 10 μm.

Um eine Anisotropie der Strahlung, insbesondere eine Polarisation feststellen zu können, ist es besonders vorteilhaft, eine rechteckige Substratschicht vorzusehen, wobei die Abmessungen ein Verhältnis von Länge zu Breite von größer als 1 : 1, insbesondere von größer als 5 : 1 und vorteilhafterweise von größer als 10 : 1, aufweisen sollten. Ein solches Substrat, das vollständig von der Sensorschicht bedeckt ist, biegt sich entsprechend bevorzugt in der langen Achse, weil die Biegung durch die größere Länge stärker übersetzt wird, so dass sich der Effekt besser beobachten lässt. Wird nun ein derartig formatierter Schichtenverbund mit polarisierter Strahlung bestrahlt, die einen entsprechend der Polarisationsrichtung orientierten anisotropen Druck erzeugt, hängt die Stärke der Biegung extrem von dem Winkel zwischen dem Polarisationsvektor und der langen Achse des Schichtenverbundes ab. Falls der Winkel 90° ist, kann kaum eine Auslenkung des Schichtenverbundes beobachtet werden, während im Falle der Parallelität eine maximale Auslenkung beobachtbar ist. Im Rahmen von Experimenten hat sich eine Länge des Schichtenverbundes von weniger als 1 mm als vorteilhaft erwiesen. Ein derartiger Schichtenverbund kann besonders vorteilhaft als Grundlage für ein Sensorelement zur Bestimmung von Polarisationen dienen. Somit liegt ein wesentlicher Erfindungsgedanke darin, sich den Effekt zunutze zu machen, dass das Material des Films eine polarisationsempfindliche Änderung der mechanischen Eigenschaften zeigt.

Ein solcher Schichtenverbund und ein auf einem solchen Schichtenverbund basierendes Sensorelement ist besonders geeignet zur Integration in Mikrochips. Ein Sensor mit mehreren im Winkel zueinander angeordneten Sensorelementen erlaubt die exakte Bestimmung der Polarisation, wobei auch eine zirkulare, elliptische oder lineare Polarisation ausmessbar ist.

Um eventuelle unerwünschte, da durch temperaturbedingte Ausdehnung erzeugte Biegungen des Schichtenverbundes zu kompensieren, ist es vorteilhaft, auf der anderen Oberfläche der Substratschicht eine Kompensationsschicht aufzubringen, die in Material, Stärke und Abmessungen und damit in ihrer temperaturbedingten Ausdehnung der Sensorschicht gleicht. Diese kompensierende „Sensorschicht" erzeugt auf die Substratschicht denselben Druck mit einem entgegengesetztem Vorzeichen, so dass sich die temperaturbedingten Kräfte kompensieren und nur die lichtbedingte Kraft verbleibt. Mit derart kompensierten Sensorelementen ist die Messung auch bei höheren Strahlungsintensitäten möglich. Die Vorteile liegen vor allem in den geringen Herstellungskosten dieser einfachen technischen Lösung.

Die Kontaktierung eines Sensorelementes mit einem Gegenkontakt kann durch geeignete Elektronik in elektrisches Signal umgewandelt sein. Dabei sind für ein Sensorelement unterschiedliche Konfigurationen vorstellbar. Dieses kann z.B. als Plättchen oder als Microkantilever ausgebildet sein. Wie schon angedeutet, kann die Auslenkung des Sensorelementes einen elektrischen Kreis beeinflussen, insbesondere schließen, öffnen oder die Resonanzfrequenz ändern. Alternativ können polarisations- abhängige Änderungen der mechanischen Eigenschaften des Sensorelementes als Änderung einer mechanischen Resonanzfrequenz, der Schwingungsamplitude oder Phase detektiert werden. Als Anwendung dieser Idee des Polarisationssensors bieten sich Sicherheitssysteme an, bei denen die Polarisation des Lichtes demoduliert (dekodiert) werden muss.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erklärt. Dabei zeigen:
1 ein Azobenzen haltiges Seitenkettenpolymer,
2 einen Schichtenverbund und
3 ein Sensorelement.
1 zeigt zunächst eine Seitenkette 1 eines Polymers, dessen Hauptkette 2 lediglich durch eine punktierte Linie angedeutet ist. Die Seitenkette 1 enthält ein Azobenzen 3, mit einer Bindung 4 zwischen zwei N-Atomen, die Licht 5 absorbiert. Nach der Anregung durch das Licht „weicht" die Bindung 4 auf, so dass die sonst starr anhängende Gruppe 6 in Bewegung gerät.
2 zeigt einen Schichtenverbund mit drei Schichten, der als Grundlage für ein Sensorelement genutzt werden kann. Die mit Licht 7 zu bestrahlende oberste Sensorschicht 8 wird in diesem Fall gebildet von einem dünnen Film aus einem Azobenzen haltigen Seitenkettenpolymer. Dieses „aktive" Material ist auf einem passiven Substrat 9 durch Rotationsbeschichtung aufgebracht. Die Sensorschicht 8 weist eine Dicke von etwa 5 μm auf, wobei die Dicke des Substrats 9 ebenfalls in dieser Größenordnung liegt. Die Kanten des Schichtenverbundes sind etwa 500 μm lang. Das Verhältnis zwischen der Dicke der aktiven Schicht und des Substrats ist ein einstellbarer Faktor, der unter anderem die Empfindlichkeit des Sensors bestimmt, wobei ein dünnes Substrat die Empfindlichkeit verbessert. Das passive Material 9 wirkt als mechanischer Träger für die aktive Schicht 8.
Um eventuelle temperaturbedingte Effekte zu kompensieren, ist auf der anderen Seite des Substrats 9 eine Kompensationsschicht 10, die dasselbe Verhalten bei Temperaturänderung zeigt, wie die Sensorschicht 8. Die Kompensationsschicht 10 soll nicht auf die Lichteinstrahlung reagieren.
Bei Bestrahlung mit Licht 7 bestimmter Polarisation ändert sich die mechanische Spannung zwischen beide Schichten 8 und 9, wobei in diesem Fall eine Spannung aufgebaut wird. Da das Licht in diesem Fall polarisiert ist, werden die in der Sensorschicht 8 enthaltenen Polymerketten anisotrop entlang der Pfeile 11 angeregt, was zu einer Biegung des Schichtenverbundes im Wesentlichen der einen Seite führt (2b). Wenn der Schichtenverbund rund oder quadratisch ist, dann lässt sich über die Richtung der Krümmung die Polarisation des Lichtes bestimmen.
Nach 3 ist das Substrat 11 als langer und schmaler Kantilever ausgebildet, der wiederum von einer Sensorschicht 12 bedeckt ist. Dieses Sensorelement biegt sich dann maximal, wenn seine längere Achse in einer bestimmten Ausrichtung (z.B. parallel) zur Polarisation des Lichtes 13 orientiert ist. In dem vorliegenden Fall wird die Auslenkung des Sensorelementes durch Einschalten eines Stromes 14 festgestellt. Dazu ist der Kantilever 11 aus leitenden Material und über eine Leitung 15 geerdet. Berührt er mit seiner Spitze 16 den Gegenkontakt 17, fließt ein Strom. In diesem Fall, in dem das Substrat ein Mikrokantilever ist, wurde die aktive Schicht durch Immersion des Kantilivers in einer Lösung des Polymers hergestellt. Die Dimensionen des Kantilever sind: Länge 500 μm, Breite 50 μm, Dicke 10 μm. Ein kompletter Sensor weist mehrere solcher Sensorelemente in unterschiedlicher Orientierung auf, wobei eines der Sensorelemente nur dann schaltet, wenn es in bestimmte Verhältnisse zu der Polarisation des Lichtes orientiert ist.

Claims

Schichtenverbund zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung (7) in eine mechanische Auslenkung, gekennzeichnet durch eine biegsame Substratschicht (9) und eine auf der Substratschicht (9) aufgebrachte und mechanisch mit der Substratschicht (9) verbundene Sensorschicht (8), die auf die Strahlung empfindlich ist, wobei Moleküle der Sensorschicht (8) bei Bestrahlung einen Übergang durchführten, wobei der Übergang den Druck innerhalb der Sensorschicht (8) ändert, wobei die Druckänderung in der Sensorschicht (8) eine Biegung der Substratschicht (7) hervorruft.
Schichtenverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (8) ein Azobenzen haltiges Polymer, insbesondere ein Azobenzen haltiges Seitenkettenpolymer (1 ), aufweist.
Schichtenverbund nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Azobenzen haltige Polymer (1) einen Film (8) einer Stärke < 500 μm, insbesondere einer Stärke < 50 μm, insbesondere einer Stärke < 10 μm, ausbildet.
Schichtenverbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerfilm (8) auf eine Substratschicht (7) einer Stärke < 500 μm, insbesondere einer Stärke < 50 μm insbesondere einer Stärke < 10 μm aufgebracht ist.
Schichtenverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der Länge zur Breite der Substratschicht (7) größer als 1 : 1 ist insbesondere größer als 5 : 1 ist, wobei die Substratschicht (7) vollständig von der Sensorschicht (8) bedeckt ist.
Schichtenverbund nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Substratschicht (7) kleiner als 1 mm ist.
Schichtenverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf der anderen Oberfläche der Substratschicht (7) aufgebrachte Kompensationsschicht (10), deren thermische Eigenschaften denen der Sensorschicht (8) gleicht.
Verfahren zur Bestimmung der Polarisation elektromagnetischer Strahlung (7), insbesondere im oder am Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes, wobei ein Schichtenverbund nach einem der vorherigen Ansprüche bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung des Schichtenverbundes registriert und aus der Biegung auf die Richtung der von der polarisierten elektromagnetischen Strahlung im Schichtenverbund erzeugten Anisotropie geschlossen wird, wobei aus der Richtung der Anisotropie die Richtung der Polarisation ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der biegsamen Substratschicht (11) derart gewählt werden, dass die Biegung nur entlang einer Achse beobachtbar ist.
Sensorelement zur Detektion polarisierter elektromagnetischer Strahlung aufweisend einen Schichtenverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die eine Biegung des Schichtenverbundes registrieren und als Signal ausgeben.
Sensorelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtenverbund eine elektrische Kontaktzone aufweist, die bei einer Biegung mit einem Gegenkontakt elektrisch kontaktiert, wobei ein messbarer Strom fließt.
Sensorelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht als leitende Elektrode insbesondere aus Metall gefertigt ist.
Sensor zur Detektion polarisierter elektromagnetischer Strahlung aufweisend mindestens zwei Sensorelemente nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die in einem Winkel von insbesondere 90° zueinander angeordnet sind.