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Die
Erfindung betrifft eine Trägerstruktur, insbesondere für
optische Bauteile, umfassend einen Trägerkörper
mit Hohlräumen und mindestens eine Deckschicht, die auf
mindestens einer Oberfläche des Trägerkörpers
angeordnet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Leichtgewicht-Trägerstruktur für
einen optischen Spiegel oder für eine dynamisch bewegliche
Trägerplattform, z. B. für optische Bauteile.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer
derartigen Trägerstruktur. Anwendungen der Erfindung bestehen
insbesondere bei der Herstellung von optischen Bauteilen oder Trägern
für optische Bauteile.
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Eine
Leichtgewicht-Trägerstruktur ist ein mechanisches Bauteil,
dessen Masse durch die Bildung von Hohlräumen in einem
Trägerkörper der Trägerstruktur vermindert
ist. Im Trägerkörper kann z. B. eine Hohlraum-Wabenstruktur
gebildet sein, die sich durch eine hohe mechanische Stabilität
auszeichnet. Anwendungen von Leichtgewicht-Trägerstrukturen sind
bspw. in der Optik und der Feinmechanik gegeben, wenn Bauteile z.
B. für Transportzwecke oder für ein schnelles
dynamisches Ansprechverhalten möglichst leicht sein sollen.
Neben der minimalen Masse können weitere Anforderungen
in Bezug auf die mechanische Stabilität (insbesondere Festigkeit,
Steifigkeit), die thermische Stabilität (insbesondere Formhaltigkeit
bei Temperaturänderungen) und die Widerstandsfähigkeit
gegenüber äußeren Einflüssen,
wie z. B. Chemikalien oder hochenergetische Strahlung, bestehen.
Des Weiteren besteht ein Interesse an einer hohen Langzeitstabilität,
d. h. die mechanischen und thermischen Eigenschaften sollen sich
während der Lebensdauer der Trägerstruktur möglichst
nicht ändern.
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Aus
der Praxis ist bekannt, eine Leichtgewicht-Trägerstruktur
mit einem ausgefrästen Trägerkörper herzustellen,
wobei die Hohlräume im Trägerkörper einseitig
offen sind. Von Vorteil kann es sein, dass eine Vielzahl von Materialien
für derartige Trägerstrukturen geeignet sind und
die Trägerstruktur einfach herstellbar ist. Nachteile bestehen
jedoch in Bezug auf Unterschiede von mechanischen oder thermischen
Eigenschaften, die mangels Symmetrie auf verschiedenen Seiten derartiger
Trägerkörper auftreten können. Daher
werden für Präzisionsanwendungen Trägerkörper
mit geschlossenen Hohlräumen bevorzugt, bei denen die Hohlräume
allseitig vom Material des Trägerkörpers umgeben
sind.
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Trägerkörper
mit geschlossenen Hohlräumen stellen besondere Anforderungen
an das Herstellungsverfahren. Beispielsweise können geschlossene
Hohlstrukturen aus Beryllium hergestellt werden, wobei sich jedoch
erhebliche Schwierigkeiten aus der Giftigkeit des Materials ergeben.
Aus der Praxis sind auch Keramik-Trägerkörper
mit Hohlräumen bekannt, die in einem Vorprodukt-Zustand
der Keramik gebildet und mit einem Füllstoff gefüllt
werden. Nach dem Sintern der Keramik wird der Füllstoff entfernt.
Diese Technik hat Nachteile in Bezug auf die Komplexität
der Verfahrensführung und Einschränkungen hinsichtlich
der einstellbaren Geometrie der Hohlräume.
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Des
Weiteren ist aus der Praxis bekannt, Trägerkörper
mit Hohlräumen ein- oder beidseitig mit Deckschichten zu
versehen, um die Hohlräume zu verschließen. Die
Verbindung zwischen der Deckschicht, die z. B. aus Glas besteht,
und dem Trägerkörper z. B. aus Keramik, wird bisher
z. B. mit einem Glaslot oder einem Klebstoff hergestellt. Derartige Verbin dungsarten
haben sich jedoch bei zahlreichen Anwendungen als nicht ausreichend
stabil erwiesen.
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Besonders
hohe Stabilitätsanforderungen bestehen an Trägerstrukturen
für optische Anwendungen, wie z. B. für Spiegel,
die in der optische Kommunikation zwischen Satelliten oder in optischen Teleskopen
angewendet werden. So müssen Spiegelkörper für
die Satellitenkommunikation (CPA, „Course pointing assembly”-Systeme)
für den Transport ins Weltall und den Betrieb am Satelliten
eine möglichst geringe Masse, wegen der hohen Beschleunigungen
eine hohe Steifigkeit und Formgenauigkeit und wegen der extremen
Temperaturunterschiede auf der Tag- oder Nachtseite von bis zu 200°C
eine hohe thermische Stabilität aufweisen. Spiegelkörper
für CPA-Systeme werden bisher z. B. aus Beryllium hergestellt,
was jedoch die oben genannten Nachteile hat.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Trägerstruktur,
insbesondere für optische Bauteile, bereitzustellen, mit
der Nachteile herkömmlicher Leichtgewicht-Trägerstrukturen überwunden werden.
Die Trägerstruktur soll sich insbesondere durch eine hohe
mechanische Stabilität, thermische Stabilität
und/oder Langzeitstabilität auszeichnen und einfach herstellbar
sein. Die Trägerstruktur soll sich des weiteren durch eine
verbesserte Steifigkeit und Formgenauigkeit, Stabilität
gegenüber Temperaturschwankungen, Variabilität
bei der Auswahl einer Hohlraumgeometrie und/oder Widerstandsfähigkeit gegenüber
chemischen Einflüssen oder Strahlungseinflüssen
auszeichnen. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung, ein
verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Trägerstruktur
bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Verfahren
zur Herstellung von Leichtgewicht-Trägerstrukturen überwunden
werden.
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Diese
Aufgaben werden durch eine Trägerstruktur bzw. ein Verfahren
zu deren Herstellung mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Trägerstruktur,
insbesondere für optische Bauteile, bereitgestellt, die
aus einem Keramik-Trägerkörper und mindestens
einer Glas-Deckschicht zusammengesetzt ist, wobei die mindestens eine
Deckschicht durch anodisches Bonden mit dem Trägerkörper
verbunden ist. Der Trägerkörper weist Hohlräume
auf, so dass die Massendichte des Trägerkörpers
geringer als die Massendichte von Vollmaterial-Keramik ist, aus
der der Trägerkörper gebildet ist. Die Trägerstruktur
wird daher auch als Leichtgewicht-Trägerstruktur bezeichnet.
Zwischen dem Glas-Material der mindestens einen Deckschicht und dem
Keramik-Material des Trägerkörpers besteht eine
stoffschlüssige, durch anodisches Bonden gebildete Bondverbindung
(anodische Bondverbindung). Der Begriff ”anodische Bondverbindung” bezieht
sich allgemein auf eine zweidimensionale Verbindung sich berührender
Oberflächen fester Komponenten, insbesondere zur Verbindung
der Glas-Deckschicht mit dem Keramik-Trägerkörper
oder von Trägerkörperteilen, wobei die Verbindung
durch eine chemische Bindung zwischen den Atomen der sich berührenden
Komponenten gebildet ist. Die anodische Bondverbindung ist durch
einen Ionenkonzentrationsgradienten über die Grenzfläche
der miteinander verbundenen Teile gekennzeichnet. Der Ionenkonzentrationsgradient
wird durch die beim anodischen Bonden auftretenden Raumladungszonen
gebildet.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Trägerstruktur bereitgestellt, bei dem eine aus Glas
hergestellte Deckschicht durch anodisches Bonden mit mindestens
einer Oberfläche eines aus einer Keramik hergestellten
und Hohlräume aufweisenden Trägerkörpers
verbunden wird.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass mit der Anwendung des anodischen
Bondens zur Herstellung einer Trägerstruktur die folgenden
Vorteile erzielt werden. Erstens stellt die Bondverbindung eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem Trägerkörper und der Deckschicht
dar, die frei von Fremdmaterial, wie z. B. Glaslot oder Klebstoff
ist. Die Bondverbindung liefert eine hohe Festigkeit, mit der die
Steifigkeit der Trägerstruktur verbessert wird. Die Bondverbindung
besteht vollständig aus anorganischen, insbesondere chemisch
extrem stabilen Materialien. Vorteilhafterweise wird damit eine
Verschlechterung der Verbindung durch ein Ausgasen, wie es bei herkömmlichen,
geklebten Trägerstrukturen auftreten kann, ausgeschlossen.
Des Weiteren ist die Bondverbindung widerstandsfähig gegen
hochenergetische Strahlung, insbesondere gegen kosmische Strahlung
oder γ-Strahlung. Damit wird die Langzeitstabilität
der Trägerstruktur erhöht, was insbesondere für
optische Bauteile zur Anwendung im Weltall, wie z. B. für
Spiegel zur Satellitenkommunikation von besonderem Vorteil ist.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung von anodischem Bonden
zur stoffschlüssigen Verbindung der mindestens einen Deckschicht
mit dem Trägerkörper bietet ferner Vorteile für
die optischen Eigenschaften der Trägerstruktur. Einerseits
hat der Trägerkörper die gewünschte Festigkeit
und Stabilität sowie ein hohes Potential zur Gewichtsreduzierung durch
ein hohes Aspektverhältnis (Volumen der Hohlräume:Volumen
des Trägerkörpermaterials), wobei jedoch die Härte
und mikroskopische Rauheit des Keramik-Trägerkörpers
eine Bearbeitung, insbesondere zur Bildung optisch-reflektierender
Flächen, erschwert. Andererseits ermöglicht die
Glas-Deckschicht eine gute Bearbeitung, insbesondere eine Formgebung
und eine Oberflächenveredelung (insbesondere Polieren).
Somit verbindet die erfindungsgemäße Trägerstruktur
eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere Steifigkeit
und Festigkeit, mit der Eignung zur Bereitstellung hervorragender
optischer Eigenschaften. Von Vorteil ist insbesondere, dass der Trägerkörper
mit einer relativ geringen Genauigkeit bearbeitet werden kann, während
die Einstellung der Form und Oberflächenbeschaffenheit
mit der Bearbeitung der Deckschicht mit höchster Genauigkeit
ermöglicht wird.
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Vorteilhafterweise
ist eine Vielzahl von Keramikmaterialien zur Herstellung des Trägerkörpers
der erfindungsgemäßen Trägerstruktur
verfügbar. Vorzugsweise ist der Trägerkörper
aus einer elektrisch leitfähigen Keramik aus oder einem
Komposit auf der Basis von z. B. SiC, SiN, TiN, SiO2,
MgO und/oder Al2O3 gebildet.
Elektrisch leitfähige Keramiken haben den besonderen Vorteil,
dass zur Bildung der Bondverbindung keine zusätzlichen
Oberflächenbehandlungen der Keramik erforderlich sind.
Als elektrisch leitfähige Keramik hat sich insbesondere
eine Keramik auf SiC-Basis als vorteilhaft erwiesen. So weist C-SiC-Keramik
(oder: CSiC-Keramik) C-Fasern auf, die verstärkend wirken.
Des Weiteren ist CSiC-Keramik porös, was zur Gewichtsreduzierung
beiträgt. Besonders bevorzugt ist der Trägerkörper
aus Si-SiC-Keramik (oder: SiSiC-Keramik) hergestellt. SiSiC-Keramik
hat besondere Vorteile hinsichtlich einer hohen Wärmeleitung
und einer hohen thermischen Stabilität bei gleichzeitig
hoher Steifigkeit und Formgenauigkeit.
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Mit
dem Begriff „Trägerkörper” wird
jedes mechanisch feste Bauteil bezeichnet, dass eine für die
Trägerstruktur geeignete Form aufweist. Vorzugsweise hat
der Trägerkörper die Form einer Platte. Die sich
in Lateralrichtung der Platte erstreckenden Seiten werden als Hauptflächen
des Trägerkörpers bezeichnet, während
die sich in Quer- oder Dickenrichtung der Platte erstreckenden Seiten
als Seitenflächen bezeichnet werden. Der Trägerkörper
kann mindestens eine ebene und/oder mindestens eine gekrümmte
Oberfläche aufweisen. Die Platte des Trägerkörpers
kann eben oder gekrümmt, z. B. sphärisch oder
asphärisch gekrümmt sein. Der Trägerkörper
kann einstückig aus einer einzigen Keramik bestehen. Alternativ
kann der Trägerkörper mehrstückig aus
einer einzigen Keramik oder aus verschiedenen Keramiken zusammengesetzt
sein. Die mindestens eine Deckschicht kann auf mindestens einer
der Hauptflächen und/oder Seitenflächen des Trägerkörpers
angeordnet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Trägerkörper
mehrere schichtförmige Trägerkörperteile.
Die Trägerkörperteile bilden einen Stapel- oder
Schichtverbund. Vorzugsweise sind die Trägerkörperteile
durch anodisches Bonden mit einer Glas-Zwischenschicht miteinander
verbunden. Das Bonden der Keramik-Trägerkörperteile
erfolgt vorzugsweise mit dem Verfahren, das in
EP 09001324.4 (unveröffentlicht
am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung) beschrieben ist. Die Trägerkörperteile
können jeweils geschlossene Hohlräume aufweisen
oder gemeinsam im Verbund die Hohlräume des Trägerkörpers
bilden. Der Trägerkörper aus mehreren Trägerkörperteilen
hat den Vorteil, dass die Einstellung der Dicke und der Form der
Trägerstruktur vereinfacht wird.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden
die Trägerkörperteile im Verbund des Trägerkörpers
eine geschlossene Hohlraumstruktur. Die Hauptflächen des
Trägerkörpers werden durch durchgehende, geschlossene Seiten
der Trägerkörperteile gebildet. Ausnehmungen im
Volumen der Trägerkörperteile, die durch eine mechanische
Bearbeitung zur Herstellung der Hohlräume erzeugt sind,
weisen im zusammengesetzten Trägerkörper zueinander.
Wände oder Stege zwischen den Hohlräumen der Trägerkörperteile
sind im Trägerkörper miteinander verbunden und
stützen sich gegenseitig ab. Die Bildung der geschlossenen Hohlraumstruktur
hat den besonderen Vorteil, dass geschlossene Oberflächen
zur Fixierung der Deckschicht bereitgestellt werden.
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Mit
dem Begriff „Deckschicht” wird mindestens eine
Glasschicht bezeichnet, die auf mindestens einer Oberfläche
des Trägerkörpers angeordnet ist. Vorzugsweise
sind zwei Glasschichten vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden
Hauptflächen des Trägerkörpers durch
anodisches Bonden fixiert sind. Die mindestens eine Glasschicht
der Deckschicht besteht z. B. aus Na-haltigem Glas (insbesondere
Borosilikatglas, z. B. Borofloat 33 (reg. Marke), Glas 7070 (Schott)
oder Glas SW (Asahi)). Die Glasschichten können beidseitig
aus verschiedenem Glasmaterial oder vorzugsweise aus identischem Glasmaterial
bestehen. Die Dicke der Deckschicht beträgt vorzugsweise
mindestens 10 μm, z. B. mindestens 50 μm, wobei
sie vorzugsweise geringer als 5 mm, insbesondere kleiner oder gleich
1 μm ist.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
bilden der Trägerkörper und die Deckschichten
einen Schichtaufbau mit thermischer Formstabilität (temperatur-unabhängige
Form, thermisch kompensierte Form). Der Trägerkörper
und die Deckschichten sind hinsichtlich der Materialien und geometrischen
Eigenschaften (Form, Größe) so gewählt,
dass bei einer Temperaturänderung die Form der Trägerstruktur
unverändert bleibt. Vorzugsweise ist in Bezug auf die spannungsneutrale
Ebene, die in Dickenrichtung insbesondere in der Mitte der Trägerstruktur
verläuft, beidseitig ein symmetrischer Aufbau aus gleichen
Materialien, Formen und Größen des Trägerkörpers
und der Glasschichten vorgesehen. Vorteilhafterweise wird mit dem
symmetrischen Aufbau die Wirkung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des
Trägerkörpers und der Deckschichten kompensiert.
Vorzugsweise weisen die beidseitig der neutralen Faser angeordneten
Trägerkörperteile die gleiche Dicke auf. Besonders
bevorzugt weisen auch die auf den Oberflächen des Trägerkörpers
angeordneten Glasschichten die gleiche Dicke auf.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Trägerkörper und/oder
die mindestens eine Deckschicht Druckausgleichsöffnungen
aufweist. Über die Druckausgleichsöffnungen sind
die Hohlräume im Trägerkörper miteinander
und/oder mit einer Umgebung der Trägerstruktur verbunden.
Vorteilhafterweise wird somit eine Deformation der Trägerstruktur
unter sich ändernden Temperatur- und Druckbedingungen vermieden.
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Vorteilhafterweise
bietet die erfindungsgemäße Trägerstruktur
zahlreiche Anwendungen, insbesondere in der Optik und in der Mechanik.
Besonders bevorzugt bildet die Trägerstruktur einen Spiegelkörper
(Spiegelblock). Vorzugsweise ist in diesem Fall auf mindestens einer
Oberfläche, besonders bevorzugt auf beiden Hauptflächen
in der Trägerstruktur eine Reflektorschicht angeordnet.
Die Reflektorschicht besteht z. B. aus einem Metall oder einer Metalllegierung
oder einer oder mehreren dielektrischen Schichten. Die Trägerstruktur
mit der mindestens einen Reflektorschicht kann z. B. einen Spiegel
für Kommunikationsanwendungen, insbesondere in CPA-Systemen,
einen Teleskopspiegel oder einen beweglichen Spiegel zur Strahlablenkung (Scan-Spiegel)
in einem Scanning-Mikroskop oder einer Anzeigeeinrichtung bilden.
Alternativ kann die Trägerstruktur eine Plattform für
optische Bauteile, insbesondere in der Datenkommunikation oder der optischen
Messtechnik bilden. In diesem Fall ist der Trägerkörper
und/oder die Deckschicht vorzugsweise mit Halteelementen zur Fixierung
optischer Bauteile, wie z. B. zur Fixierung von Spiegeln, Prismen, Linsen,
optischen Fasern, Strahlteilern oder dgl. ausgestattet. Vorteilhafterweise
bestehen aber auch nicht-optische Anwendungen der Trägerstruktur.
Die Trägerstruktur kann allgemein für Plattformen
für dynamisch bewegte Bauteile, wie z. B. Verfahrtische
mit optischen Komponenten verwendet werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Trägerstruktur besteht in der großen
Auswahl realisierbarer Dimensionen. So kann die Oberfläche
der Trägerstruktur eine typische Ausdehnung von mindestens
1 mm, insbesondere mindestens 1 cm, vorzugsweise mindestens 20 cm,
z. B. mindestens 40 cm oder größer aufweisen.
Typischerweise ist die laterale Ausdehnung der Oberfläche
kleiner als 100 cm, z. B. kleiner als 50 cm. Die Dicke des Trägerkörpers
kann mindestens 1 mm, z. B. mindestens 5 mm, wie z. B. 1 cm oder
mehr betragen. Typischerweise ist die Dicke des Trägerkörpers
geringer als 20 cm, vorzugsweise geringer als 10 cm, z. B. 5 cm
oder geringer.
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Die
Verwendung von Glas zur Bildung der Deckschicht ermöglicht
minimierte Oberflächenrauhigkeiten, die kleiner als 1 μm,
vorzugsweise kleiner als 100 nm, besonders bevorzugt kleiner als
5 nm, z. B. 2 nm oder geringer sind. Es sind insbesondere Rauhigkeiten
kleiner als 4 nm, sogar bis 1 nm oder geringer realisierbar, was
z. B. für Anwendungen in CPA-Systemen oder Teleskopen von
Vorteil ist. Eine derartig geringe Oberflächenrauhigkeit
wäre durch Polieren der Oberfläche von kristalliner
oder mehrphasiger Keramik nicht erzielbar.
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Der
Trägerkörper weist Hohlräume auf, die vorzugsweise
durch Ausnehmungen im Material des Trägerkörpers
und/oder durch ei ne poröse Struktur des Trägerkörpers
gebildet werden. Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Varianten
zur Bildung der Hohlräume im Trägerkörper.
Vorzugsweise erfolgt eine Formgebung in einem Vorprodukt-Zustand
der Keramik, in dem die Keramik noch nicht fertig bearbeitet, insbesondere
noch nicht gehärtet ist (sog. Grünbearbeitung
der Keramik). Beispielsweise wird die Struktur in SiSiC-Keramik
gefräst, bevor die SiSiC-Keramik gebrannt, gesintert und
mit Si infiltriert ist. Vorteilhafterweise ist in diesem Vorprodukt-Zustand
die Bildung der Hohlräume z. B. mit Fräs-Werkzeugen
besonders einfach. Eventuelle Deformationen des Trägerkörpers
nach der Fertigstellung der Keramik, insbesondere nach dem Brennen
und Sintern, können durch eine Nachbearbeitung und/oder die
Formgebung der mindestens einen Deckschicht kompensiert werden.
Alternativ kann die Bildung der Hohlräume durch eine mechanische
Bearbeitung am fertigen Volumenmaterial der Keramik des Trägerkörpers
erfolgen. Die mechanische Bearbeitung kann ein Fräsen,
ein Erodieren (Funkenerosion), ein Sand-Strahlen und/oder ein Wasser-Sand-Strahlen umfassen.
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Die
Herstellung einer thermisch kompensierten Trägerstruktur
erfolgt vorzugsweise mit den folgenden Schritten. Zunächst
werden erste und zweite, plattenförmige Trägerkörperteile
mit einseitig offenen Hohlräumen vorbereitet. Die Hohlräume
sind gleich gebildet, so dass Stirnseiten der Wände zwischen den
Hohlräumen gleiche geometrische Anordnungen bilden. Im
zusammengesetzten Zustand der Trägerkörperteile
werden diese an den Stirnseiten des Wandmaterials zwischen den Hohlräumen
durch anodisches Bonden z. B. mit einer Glas-Zwischenschicht oder
durch Hochtemperaturlöten miteinander verbunden. Die ersten
und zweiten Trägerkörperteile weisen auf den zu
den Hohlräumen entgegengesetzten Seiten geschlossene Hauptflächen
auf, auf die durch anodisches Bonden jeweils erste und zweite Glasschichten
aufgebracht werden. Alternativ können zunächst zwei
Komponenten hergestellt werden, die jeweils aus einem Trägerkörperteil
und einer Glasschicht bestehen. In einem zweiten Schritt können
dann die ersten und zweiten Trägerkörperteile auf
den offenen, mit Hohlräumen versehenen Seiten durch anodisches
Bonden miteinander verbunden werden. Schließlich erfolgt
optional eine Nachbearbeitung der Glasschichten, um identische Schichtdicken
oder eine polierte Oberfläche bereitzustellen, und/oder
die Einbringung von Druckausgleichsöffnungen, z. B. durch
Bohren. Die Druckausgleichsöffnungen werden vorzugsweise
zur lateralen Seite der Trägerstruktur weisen geöffnet.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 bis 3:
schematische Schnittansichten von bevorzugten Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Trägerstrukturen;
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4:
eine schematische Perspektivansicht eines mit einer erfindungsgemäßen
Trägerstruktur hergestellten Spiegels;
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5:
eine schematische Schnittansicht eines weiteren, mit einer erfindungsgemäßen
Trägerstruktur hergestellten Spiegels; und
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6 und 7:
Verfahrensschritte der Herstellung einer erfindungsgemäßen
Trägerstruktur.
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Die 1 bis 3 illustrieren
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Trägerstruktur 100 in schematischer, nicht maßstäblicher
Schnittansicht. Die Trägerstruktur 100 umfasst
ei nen Trägerkörper 10 und mindestens
eine Deckschicht 21, 22, die über mindestens
eine Bondverbindung 23, 24 ein- oder beidseitig
mit Oberflächen des Trägerkörpers 10 verbunden
ist.
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Der
Trägerkörper 10 besteht aus einer elektrisch
leitfähigen Keramik, z. B. SiSiC-Keramik, in der Hohlräume 11 gebildet
sind. Für Anwendungen der Trägerstruktur als Spiegelblock
in einem CPA-System oder einem Teleskop ist die Dicke des Trägerkörpers 10 vorzugsweise
im Bereich von 1 cm bis 10 cm gewählt. Die Hohlräume 11 erstrecken
sich in Dickenrichtung (z-Richtung) durch den Trägerkörper 10 derart,
dass auf einer Seite des Trägerkörpers 10 eine
in Lateralrichtung (x-Richtung) geschlossene Seitenwand 14 bestehen
bleibt. Die Seitenwände 14 bilden die Hauptflächen
des Trägerkörpers 10. Alle Hohlräume 11 können
die gleiche Gestalt aufweisen oder entlang der lateralen Ausdehnung
des Trägerkörpers 10 mit verschiedenen
Größen und/oder Formen gebildet sein.
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Die
Hohlräume 11 sind durch Zwischenwände 12 voneinander
getrennt und nach außen durch Seitenwände 12.1 geschlossen.
In mindestens einer Zwischenwand 12 und/oder Seitenwand 12.1 kann optional
mindestens eine Druckausgleichsöffnung 13 (gepunktet
dargestellt) vorgesehen sein, die für einen Druckausgleich
zwischen benachbarten Hohlräumen 11 und/oder mit
der Umgebung der Trägerstruktur 100 vorgesehen
ist. Die Druckausgleichsöffnung kann einen Durchmesser
aufweisen, der geringer als 1 mm, insbesondere geringer als 100 μm
ist.
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Die
Zwischenwände 12 können sämtlich
die gleiche Dicke oder verschiedene Dicken aufweisen. Typischerweise
ist die Dicke der Zwischenwände 12 geringer als
1 cm, z. B. geringer als 5 mm oder 2 mm. Die Dicke der Zwischenwände 12 beträgt
mindestens 0,5 mm, z. B. mindestens 1 mm. Die Untergrenze der Dicke der
Zwischenwände 12 ist vom verwendeten Keramik-Material
abhängig. Die Mindestdicke soll mindestens dem 2- bis 3-fachen
Betrag der Korngröße der Keramik entsprechen und
somit typischerweise mindestens 60 μm sein. Aus Stabilitätsgründen weisen
die an den Seiten des Trägerkörpers 10 vorgesehenen
Seitenwände 12.1 eine größere
Dicke als die im Inneren des Trägerkörpers 10 vorgesehenen Zwischenwände 12 auf.
Die Zwischenwände 12 erstrecken sich über
die gesamte Dicke des Trägerkörpers 10.
Im Fall eines ebenen Trägerkörpers 10 haben
sämtliche Zwischenwände 12 dieselbe Höhe.
Im Fall eines gewölbten Trägerkörpers 10 haben
die Zwischenwände 12 der Krümmung des
Trägerkörpers 10 folgend verschiedene
Höhen.
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Die
Form und Größe der Hohlräume 11 und der
Zwischenwände 12 ist insbesondere in Abhängigkeit
von der Anwendung der Trägerstruktur 100 frei
wählbar. Die Hohlräume 11 können
z. B. eine Wabenstruktur oder Kastenstruktur bilden oder die Form von
Kegeln oder Halbkugeln aufweisen.
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Die
mindestens eine Deckschicht 21, 22 besteht aus
einem Glas, z. B. Borofloat (reg. Marke). Die Deckschicht 21 hat
eine Dicke von 50 μm. Mindestens eine der Deckschichten 21, 22 hat
eine polierte Oberfläche mit einer Rauheit, die z. B. 2
nm oder 1 nm beträgt. Die mindestens eine Bondverbindung 23, 24 zwischen
der mindestens einen Deckschicht 21, 22 und der
angrenzenden Oberfläche des Trägerkörpers 10 enthält
einen Ionenkonzentrationsgradienten quer zur Grenzfläche
zwischen den mit einander verbundenen Teilen.
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Gemäß 1 besteht
der Trägerkörper 10 aus einem einzigen
Trägerkörperteil, das durch die Bildung der Hohlräume 11 einseitig
offen oder optional (wie gestrichelt dargestellt) mit einer Zusatzschicht 25 verschlossen
sein kann. Die Zusatzschicht 25 kann in Abhängigkeit
von der Anwendung der Träger struktur 100 ebenfalls
durch anodisches Bonden oder durch andere Verbindungsverfahren,
z. B. thermisches Bonden mit dem Trägerkörper 10 verbunden sein.
Die Variante gemäß 1 hat vorteilhafterweise
einen einfachen Aufbau. Sie wird vorzugsweise angewendet, wenn geringe
Anforderungen hinsichtlich der thermischen Stabilität bestehen.
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Gemäß 2 besteht
der Trägerkörper 10 aus zwei Trägerkörperteilen 15, 16,
die jeweils Hohlräume 11 und Zwischenwände 12 aufweisen.
Die Trägerkörperteile 15, 16 sind
durch anodisches Bonden mit einer Glas-Zwischenschicht 17 miteinander verbunden
(die Bondverbindungs-Schichten sind nicht gezeigt). Vorzugsweise
bilden die Trägerkörperteile eine geschlossene
Hohlraumstruktur, indem die Verbindung der Trägerkörperteile 15, 16 an
deren offenen Seiten erfolgt. Die Trägerkörperteile 15, 16 sind über
Stirnseiten der Zwischenwände 12 miteinander verbunden.
Hierzu kann beim anodischen Bonden eine gegenseitige Ausrichtung
unter Verwendung von z. B. optischen Markierungen vorgesehen sein.
Die gegenseitige Ausrichtung kann vereinfacht werden, indem die
Zwischenwände 12 der Trägerkörperteile 15, 16 mit
verschiedenen Dicken gebildet sind. Im Trägerkörperteil 16 und
z. B. in der unteren Deckschicht 22 können Druckausgleichsöffnungen 26 vorgesehen
sein (gepunktet dargestellt, siehe 4). Optional
können auch die in 1 illustrierten
Druckausgleichsöffnungen 13 vorgesehen sein.
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3 illustriert
eine weitere Variante einer Trägerstruktur 100,
deren Trägerkörper 10 einen Verbund von
mehreren Trägerkörperteilen 15, 16, 18, 19 umfasst.
Die Trägerkörperteile sind durch anodisches Bonden über
Glas-Zwischenschichten 17 miteinander verbunden. Auf den äußeren
Oberflächen des Trägerkörpers 10 sind
die Deckschichten 21, 22 ebenfalls durch anodisches
Bonden fixiert.
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3 illustriert
des Weiteren beispielhaft die Bereitstellung einer Reflektorschicht 31 auf
der Deckschicht 21. Die Reflektorschicht 31 besteht
z. B. aus Molybdän mit einer Dicke von einigen nm. Bei
abgewandelten Varianten der Erfindung, insbesondere auch bei den
in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen
kann die Reflektorschicht 31 auf beiden Seiten der Trägerstruktur 100 vorgesehen
sein. Die mit mindestens einer Reflektorschicht ausgestattete Trägerstruktur
bildet einen erfindungsgemäßen Spiegel, der insbesondere
für die Anwendung in einem CPA-System, einem Teleskop oder
einem Scan-Mechanismus vorgesehen ist.
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Die
Varianten der 2 und 3 eignen sich
besonders zur Herstellung eines Schichtaufbaus mit thermischer Formstabilität.
In Bezug auf die Mittelebene senkrecht zur Dickenrichtung ist hierzu
vorzugsweise beidseitig ein symmetrischer Aufbau aus gleichen Materialien,
Formen und Größen des Trägerkörpers
und der Glasschichten vorgesehen.
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4 illustriert
in schematischer Perspektivansicht einen Spiegel 200 umfassend
eine Trägerstruktur 100 und eine Reflektorschicht 31.
Die Trägerstruktur 100 umfasst einen Trägerkörper 10 mit seitlichen
Druckausgleichsöffnungen 13, auf dessen Oberflächen
Deckschichten 21, 22 durch anodisches Bonden befestigt
sind. Auf der nicht-reflektierenden (in 4 unteren)
Seite sind in der Deckschicht 22 weitere Druckausgleichsöffnungen 26 (siehe 2) vorgesehen.
Die Reflektorschicht 31 ist auf der entgegengesetzten (in 4 oberen)
Seite des Spiegels 200 vorgesehen.
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Die
Trägerkörperteile, deren Verbund den Trägerkörper 10 bildet,
können gleich- oder verschiedenartig geformt sein. Beispielsweise
kann mindestens ein Trägerkörperteil mit mindes tens
einer schrägen Seitenwand gebildet sein. So illustriert 5 beispielhaft
in schematischer Schnittansicht einen Spiegel 200 umfassend
eine Trägerstruktur 100 und drei Reflektorschichten 31, 32, 33,
die auf Glas-Deckschichten 21, 28 und 29 auf
der oberen Hauptfläche, einer schräg verlaufenden
Seitenfläche und einer senkrechten Seitenfläche
des Trägerkörpers 10 angeordnet sind.
Dieser Spiegel mit einem Durchmesser von z. B. 20 cm eignet sich
besonders für eine kombinierte Entfernungs- und Höhenmessung
in den x- und z-Richtungen.
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Einzelheiten
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einer Trägerstruktur 100 sind
in 6 (Bildung des Trägerkörpers 10)
und 7 (Verbindung des Trägerkörpers 10 mit
den Deckschichten 21, 22) dargestellt.
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Bei
Schritt S0 werden zwei rohe, unbearbeitete Trägerkörperteile 15, 16 bereitgestellt,
die z. B. zwei SiSiC-Scheiben mit einem Durchmesser von 31 mm und
einer Dicke von 7 mm umfassen. Anschließend erfolgen bei
Schritt S1 ein Flachschleifen der Trägerkörperteile 15, 16 und
die Einstellung von deren Außenformat mit Lateraldimensionen
von z. B. 220 mm·150 mm. Bei Schritt S2 erfolgt ein Läppen und
Polieren mindestens eines der Trägerkörperteile (z.
B. 15) zur Vorbereitung der inneren Bondverbindung zwischen
den Trägerkörperteilen 15, 16.
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Das
anodische Bonden der Trägerkörperteile
15,
16 erfolgt
in zwei Teilschritten unter Verwendung einer Glas-Zwischenschicht
17,
die zunächst bei Schritt S3 durch anodisches Bonden mit
dem Trägerkörperteil
15 und bei Schritt
S6 (siehe unten) mit dem Trägerkörperteil
16 verbunden
wird. Das anodische Bonden erfolgt mit dem Verfahren, das in
EP 09001324.4 (unveröffentlicht
am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung) beschrieben ist. Alternativ zum
anodischen Bonden können die Trägerkörperteile
durch Hochtemperaturlöten verbunden werden.
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Anschließend
werden bei Schritt S4 im Verbund Trägerkörperteil 15/Glas-Zwischenschicht 17 und
im Trägerkörperteil 16 die Hohlräume 11 gebildet.
Das Formen der Hohlräume 11 erfolgt z. B. mit einem
Ultraschall-CNC-Verfahren. Dieses hat den Vorteil, dass zur Formgebung
besonders geringe Kräfte ausgeübt werden, was
die Bildung filigraner Strukturen, insbesondere minimale Dicke der
Zwischenwände 12 (siehe z. B. 2)
ermöglicht. Alternativ kann die Bildung der Hohlräume 11 durch
Funkenerosion erfolgen. Des Weiteren werden bei Schritt S4 im unteren
Trägerkörperteil 16 die Druckausgleichsöffnungen 13,
z. B. durch Funkenerosion (EDM) bereitgestellt.
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In
einem weiteren Schritt S5 erfolgt ein Abdünnen der Glas-Zwischenschicht 17 auf
dem oberen Trägerkörperteil 15 und deren
Oberflächenbehandlung durch Läppen und Polieren.
Des Weiteren wird das untere Trägerkörperteil 16 einer
Oberflächenbehandlung durch Läppen und Polieren
zur Vorbereitung der Bondverbindung mit der Deckschicht 22 (siehe
unten) unterzogen. Schließlich erfolgt bei Schritt S6 die
Verbindung der unteren und oberen Trägerkörperteile 15, 16 durch
anodisches Bonden. Die Druckausgleichsöffnungen 13 werden
zunächst verschlossen, um ein Substrat für die
Folgeschritte zur Aufbringung der Deckschichten (siehe 7)
zu bilden. Im Ergebnis wird bei Schritt S6 der Trägerkörper 10 mit
der geschlossenen Hohlraumstruktur bereitgestellt.
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Die
Verbindung der Deckschichten 21, 22 mit dem Trägerkörper 10 und
die Aufbringung einer Reflektorschicht 31 ist mit den weiteren
Schritten S7 bis S12 in 7 illustriert. Zu nächst
erfolgt bei Schritt S7 ein Läppen und Polieren der äußeren
Oberfläche des Trägerkörpers 10 zur
Vorbereitung des anodischen Bondens der Deckschichten 21, 22.
Als Ausgangsmaterialien der Deckschichten 21, 22 werden
zwei Glasplatten aus Borofloat-Glas mit einer Dicke von 1 mm bereitgestellt.
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Bei
Schritt S8 erfolgt die Verbindung der Deckschichten 21, 22 mit
dem Trägerkörper 10 durch anodisches
Bonden. In die untere Deckschicht 21 werden die Druckausgleichsöffnungen 26 z.
B. durch Funkenerosion eingebracht.
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Bei
Schritt S9 werden die Seitenflächen der fertigen Trägerstruktur 100 zur
Befestigung einer Halterung vorbereitet. Hierzu werden mittels Ultraschall-CNC-Bearbeitung
seitlich Klebeflächen 27 gebildet, an denen bei
Schritt S10 Halterungen (Fassungsaufnahmen) zur Befestigung der
Trägerstruktur 100 in einem optischen Bauteil
befestigt, z. B. angeklebt werden. Alternativ können die
Halterungen z. B. durch anodisches Bonden, Glas-Löten oder
Metall-Löten befestigt werden.
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Anschließend
erfolgen bei Schritt S11 Oberflächenbearbeitungen der äußeren
Deckschichten 21, 22, wie z. B. ein Abdünnen
auf eine Dicke von 0,1 mm und ein Läppen und Polieren zur
Bereitstellung von Oberflächen mit optischer Qualität.
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Schließlich
erfolgt bei Schritt S12 optional eine Feinkorrektur der Oberflächengestalt
von mindestens einer der Deckschichten 21, 22 und
die Beschichtung mit mindestens einer Reflektorschicht 31. Die
Beschichtung erfolgt z. B. durch Aufdampfen von Molybdän
auf die Deckschicht 21 in einer Vakuumapparatur. Im Ergebnis
ist der Spiegel 200 z. B. gemäß 4 fertiggestellt.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Trägerstruktur 100 bzw.
des erfindungsgemäßen Spiegels 200 ist
nicht zwingend an die in 5 und 6 gezeigten
Verfahrensschritte gebunden. Alternativ zur Bildung der Hohlräume
durch das Ultraschall-CNC-Verfahren bei Schritt S4 kann eine Grünbearbeitung
der Keramik im ungebrannten oder ungesinterten Zustand vorgesehen
sein. Des Weiteren können auch die Hohlräume durch
Funkenerosion oder durch Sand-Strahlen oder Wasser-Sand-Strahlen
gebildet sein. Die Herstellung der Trägerstruktur bzw.
des Spiegels ist analog mit nicht-ebenen Bauteilen, z. B. mit sphärisch
oder asphärisch gekrümmten Bauteilen möglich.
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Gekrümmte
Strukturen können hergestellt werden, indem gekrümmte
Keramikkörper als Startmaterial bei Schritt S0 verwendet
werden. Die Feinjustierung vorbestimmter optischer Eigenschaften kann
bei der Bearbeitung der Deckschicht 21 z. B. bei den Schritten
S11 und S12 erfolgen.
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Die
in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen
offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln oder
in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von
Bedeutung sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 09001324 [0015, 0045]