DE10227691A1 - Light conducting glass component consisting of photo structured glass, used e.g. in a spring element for measuring small forces, is microstructured and has a low refractive index on its surface - Google Patents

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Abstract

Light conducting glass component consists of photo structured glass. The component is micro structured and has a low refractive index on its surface. An Independent claim is also included for a process for the production of a light conducting glass component comprising micro structuring the glass component and carrying out an ion exchange between a salt melt and the glass component.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindungfield of use the invention

Die Erfindung betrifft lichtleitende Glasbauteile und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäss den Patentansprüchen. Die erfindungsgemässen Glasbauteile finden beispielsweise Anwendung in der Messtechnik (Federelemente aus Glas für die Messung sehr kleiner Kräfte), bei Greifersystemen (Greiferelemente aus Glas) und in der Nachrichtentechnik/Optik (Lichtverteilerstrukturen, Y-Verzweiger etc.).The invention relates to light-guiding Glass components and a method for their production according to the claims. The glass components according to the invention are used, for example, in measurement technology (spring elements made of glass for the measurement of very small forces), in gripper systems (gripper elements made of glass) and in communications technology / optics (Light distribution structures, Y-branches, etc.).

Stand der TechnikState of the art

Der Fotostrukturierungsprozess für Gläser bestimmter Zusammensetzungsbereiche aus dem Grundglassystem SiO2-Al2O3-Li2O ist seit längerem bekannt (z.B. Hülsenberg, D.; Bruntsch, R.: Glasses and glassceramics for application in micromechanics. Journal of Non-Crystalline Solids 129 (1991) S. 199–205). In diesem Prozess werden in den Bearbeitungsschritten Belichten, Tempern und Ätzen in typischenweise 1 mm dicken Glasscheiben durchgehende Strukturen hergestellt. Das Belichten erfolgt unter Nutzung einer Maske. Das Spektrum der Belichtungsquelle enthält den Sensitivitätsbereich des Glases (z.B. 300 bis 320 nm). Beim Tempern kristallisiert in den belichteten Glasbereichen ein Teil des Glases zu der Kristallphase Lithiummetasilikat, dabei entsteht Restglasphase einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Ausgangsglas. Beim Ätzen wird die Kristallphase Lithiummetasilikat durch Flusssäure gelöst und die dazwischen befindliche Restglasphase fällt heraus oder wird teilweise gelöst (z.B. Harnisch, A.; Feindt, K.; Ehrhardt, A.; Baumgart, H.; Hülsenberg, D.; Kallenbach, E.: Microstructurable glasses, structuring technologies, special joining techniques and applications for microactuators. 6th International Conference on New Actuators, Bremen 17.–19. 06. 1998).The photo-structuring process for glasses of certain composition areas from the basic glass system SiO 2 -Al 2 O 3 -Li 2 O has long been known (e.g. Hülsenberg, D .; Bruntsch, R .: Glasses and glassceramics for application in micromechanics. Journal of Non-Crystalline Solids 129 (1991) pp. 199-205). In this process, exposure, annealing and etching in typical 1 mm thick glass panes are used to produce continuous structures. The exposure takes place using a mask. The spectrum of the exposure source contains the sensitivity range of the glass (eg 300 to 320 nm). During tempering, part of the glass crystallizes into the lithium metasilicate crystal phase in the exposed glass areas, resulting in residual glass phase of a different chemical composition than the starting glass. During the etching, the crystal phase lithium metasilicate is dissolved by hydrofluoric acid and the residual glass phase in between falls out or is partially dissolved (e.g. Harnisch, A .; Feindt, K .; Ehrhardt, A .; Baumgart, H .; Hülsenberg, D .; Kallenbach, E .: Microstructurable glasses, structuring technologies, special joining techniques and applications for microactuators 6 th International Conference on New Actuators, Bremen 17th-19th 06th 1998)...

Die Herstellung von Lichtleitern durch Ionenaustauschprozesse zwischen Glas und Salzschmelze ist ebenfalls seit längerem bekannt (z.B. Chartier, u.a.: Fast fabrication method for thick and highly multimode optical waveguides. electronic letters 8th december 1977, vol. 13, Nr. 25, S. 763 – 764). Sie basiert allerdings auf einer Brechzahlerhöhung in den ionenausgetauschten Glasbereichen. Dabei werden kompakte Glasstücke verwendet (z.B. L.B. Glebov u.a.: Formation of Planar waveguides based on silicate glasses by the low-temperature Ligl + ↔ Kmelt +ion exchange. Glass physics and chemistry, vol. 17, Nr. 3, 1991, pp. 255–260) und durch Maskierungstechniken lediglich ausgewählte Glasoberflächenbereiche ionenausgetauscht.The production of light guides by ion exchange processes between glass and molten salt has also been known for some time (e.g. Chartier, among others: Fast fabrication method for thick and highly multimode optical waveguides. Electronic letters 8 th december 1977, vol. 13, No. 25, p. 763 - 764). However, it is based on an increase in the refractive index in the ion-exchanged glass areas. Compact glass pieces are used (e.g. LB Glebov et al .: Formation of Planar waveguides based on silicate glasses by the low-temperature Li gl + ↔ K melt + ion exchange. Glass physics and chemistry, vol. 17, No. 3, 1991, pp. 255-260) and ion exchange only selected glass surface areas by masking techniques.

Kritik am Stand der TechnikCriticism of the stand of the technique

Ein kombiniertes Verfahren, bestehend aus Herstellung von Glasbauteilen durch den Fotostrukturierungsprozess (strukturierte Glasbauteile) und anschliessender Brechzahlreduzierung durch Ionenaustausch in den oberflächennahen Bereichen der Glasbauteile ist bisher nicht bekannt.A combined process consisting of from the production of glass components through the photo structuring process (structured glass components) and subsequent reduction in refractive index through ion exchange in the near-surface areas of the glass components is not yet known.

Bisherige Lichtleiter enthaltende Glasscheiben sind daher nicht mit komplexer Geometrie herstellbar. Es sind aus demselben Grund auch keine zusätzlichen Funktionen (z.B. dünn strukturiertes Glas als Federelement) in Lichtleiter enthaltende Glasscheiben integrierbar.Previous light guides containing Glass panes can therefore not be produced with complex geometry. For the same reason, there are no additional functions (e.g. thinly structured glass as a spring element) can be integrated into glass panes containing light guides.

Ionenaustauschprozesse zur Herstellung von lichtleitenden Kanälen in Glasscheiben benötigen eine Maskierung der Glasbauteile vor dem Ionenaustausch und das Ablösen der Maskierung danach.Ion exchange processes for the production of light-guiding channels in glass panes a masking of the glass components before the ion exchange and that supersede the masking afterwards.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in strukturierte Glasbauteile oberflächennah lichtreflektierende Volumenbereiche einzubringen. Damit wird es möglich, Licht innerhalb der Glasteile zu leiten. Die Verwendung des Fotostrukturierungsprozesses zur Herstellung von Glasbauteilen für den nachfolgenden Ionenaustausch erlaubt die Herstellung von Lichtleitern mit weitgehend variierbarer Geometrie.The invention is based on the object in structured glass components near the surface reflecting light To bring volume areas. This will make it possible to light within the To lead glass parts. The use of the photo structuring process for the production of glass components for the subsequent ion exchange allows the production of light guides with largely variable Geometry.

Lösungsolution

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.According to the invention, this is Task by the characterizing features of the first claim solved.

Erreichte VorteileAchieved advantages

Durch die Variation der Maskengeometrie im Fotostrukturierungsprozess sind beliebig viele Lichtleiterbauteilgeometrien herstellbar. Krümmungsradien und Dickenabmessungen der Lichtleitergeometrien sind von der erreichbaren Brechzahlreduzierung Δn abhängig. Die Brechzahlreduzierung Δn kann über die Prozessparameter beeinflusst werden.By varying the mask geometry Any number of fiber optic component geometries are in the photo structuring process produced. radii of curvature and thickness dimensions of the light guide geometries are of the achievable Refractive index reduction Δn dependent. The refractive index reduction Δn can about the process parameters are influenced.

In den Untersuchungen zur Erfindung wurde gezeigt, dass die Prozessparameter sinnvoll in fixe und variable eingeteilt werden können. Die variablen Prozessparameter können dabei auf die Temperatur und Zeit des Ionenaustausches reduziert werden. Das erlaubt eine leichte Steuerung des Ionenaustausches und gewährleistet die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.In the studies on the invention was shown that the process parameters make sense in fixed and variable can be classified. The variable process parameters can reduced to the temperature and time of the ion exchange become. This allows easy control of the ion exchange and guaranteed the reproducibility of the results.

Infolge des Ionenaustausches ergibt sich im Glasbauteil ausgehend von der Glasoberfläche ein Profil der chemischen Zusammensetzung. Die Natriumionenkonzentration ist zur Oberfläche hin erhöht und die Lithiumionenkonzentration zur Oberfläche hin reduziert. Die Form der Profile entspricht der von Fehlerfunktionen bzw. konjugierter Fehlerfunktionen und ist durch Polynome 6. Ordnung annäherbar. In geringem Maße nehmen im Glas vorhandene Kalium-ionen am Austausch teil. An der Glasoberfläche werden Brechzahlreduzierungen bis zu Δn = 0,014 erreicht. Die Tiefe der Brechzahlprofile ist kleiner als 250 μm, vorzugsweise jedoch 20 bis 150 μm.As a result of the ion exchange, a profile of the chemical composition results from the glass surface in the glass component. The sodium ion concentration is increased towards the surface and the lithium ion concentration is reduced towards the surface. The shape of the profiles corresponds to that of Error functions or conjugate error functions and is approximable by 6th order polynomials. Potassium ions present in the glass participate to a small extent in the exchange. Refractive index reductions of up to Δn = 0.014 are achieved on the glass surface. The depth of the refractive index profiles is less than 250 μm, but preferably 20 to 150 μm.

Wesentliche Merkmale der Erfindung sind, dass

  • – die lichtleitenden Glasbauteile mikrostrukturiert sind und an ihrer Oberfläche eine geringere Brechzahl aufweisen,
  • – eine Maskierung der Bauteile während des Ionenaustausches nicht nötig ist,
  • – die lichtleitenden Glasbauteile verschiedene geometrische Strukturen und/oder verschiedene Ionenaustauschtiefen aufweisen können,
  • – in den lichtleitenden Glasbauteilen die Funktion des Lichtleitens und/oder weitere Funktionen vereint sind,
  • – das Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden Glasbauteiles dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt mikrostrukturiert wird und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Ionenaustausch zwischen einer Salzschmelze und dem Glasbauteil stattfindet.
Essential features of the invention are that
  • The light-conducting glass components are microstructured and have a lower refractive index on their surface,
  • It is not necessary to mask the components during the ion exchange,
  • The light-conducting glass components can have different geometric structures and / or different ion exchange depths,
  • The function of the light guide and / or further functions are combined in the light-conducting glass components,
  • - The method for producing a light-conducting glass component is characterized in that the component is microstructured in a first process step and an ion exchange takes place between a molten salt and the glass component in a second process step.

Weitere Ausgestaltung der ErfindungFurther configuration the invention

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.Advantageous embodiments of the Invention are in the claims 2 to 11 specified.

Beschreibung von Ausführungsbeispielendescription of embodiments

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is set out below Hand of the schematic drawing of exemplary embodiments explained in more detail.

Die Herstellung von strukturierten Glashalbzeugen erfolgt durch den Fotostrukturierungsprozess (Belichtung, Tempern und Ätzen). In einem auf diese Weise hergestellten Ausgangsglassteg 1, I (Querschnittsdarstellung) wird durch Ionenaustausch in Salzschmelzen im oberflächennahen Bereich 1, II die Oxidkonzentration entsprechend des Profils 2 geändert. Der Kernbereich 1, III bleibt unbeeinflusst. Dabei werden die Glashalbzeuge vollständig in schmelzflüssiges Salz (z.B. NaNO3) eingetaucht und bei erhöhter Temperatur (320 bis 400°C) über eine definierte Zeit (30 bis 390 min) ionenausgetauscht. Daraus resultiert eine Änderung der Brechzahl im oberflächennahen Bereich, entsprechend 3. Zur Behandlung der Einzelteile, Stege entsprechend 4, IV bis V oder Bögen 5 (links) oder Y-Verzweiger 5 (rechts), werden diese in einem Rahmen 4, VI gehaltert. Dieser Rahmen kann nach erfolgtem Ionenaustausch entfernt werden. Nach erfolgter Konfektionierung (u.a. Polieren von Lichtein- und -auskoppelstellen) können die Teile eingesetzt werden.Structured glass semi-finished products are manufactured using the photo-structuring process (exposure, tempering and etching). In a starting glass web produced in this way 1 , I (cross-sectional view) is achieved by ion exchange in molten salts near the surface 1 , II the oxide concentration according to the profile 2 changed. The core area 1 , III remains unaffected. The semi-finished glass products are completely immersed in molten salt (eg NaNO 3 ) and ion exchanged at elevated temperatures (320 to 400 ° C) for a defined time (30 to 390 min). This results in a change in the refractive index in the area near the surface, accordingly 3 , To treat the individual parts, webs accordingly 4 , IV to V or arches 5 (left) or Y-branch 5 (right), these are in a frame 4 , VI supported. This frame can be removed after ion exchange. After assembly (including polishing of light coupling and decoupling points), the parts can be used.

Aufstellung der Bezugszeichenlist the reference number

1: I: Querschnitt eines strukturierten Glassteges im Ausgangszustand, II: oberflächennaher Bereich mit veränderter Oxidkonzentration, III: vom Ionenaustausch nicht beeinflusster Kernbereich des Glassteges. 1 : I: cross section of a structured glass web in the initial state, II: near-surface area with changed oxide concentration, III: core area of the glass web not influenced by ion exchange.

2: Konzentrationsprofil der Alkalioxide nach einem Ionenaustausch 2 : Concentration profile of the alkali oxides after ion exchange

3: Brechzahlprofil nach einem Ionenaustausch 3 : Refractive index profile after ion exchange

4: Glasstäbe verschiedener Dicken (IV: kleinste Dicke bis V: grösste Dicke), hergestellt durch Fotostrukturierung und noch in einem Glasrahmen VI gehaltert 4 : Glass rods of various thicknesses (IV: smallest thickness to V: greatest thickness), produced by photo structuring and still held in a glass frame VI

5: U-Form (links) und Y-Verzweiger (rechts), hergestellt durch Fotostrukturierung. 5 : U-shape (left) and Y-branch (right), made by photo structuring.

Claims (11)

Lichtleitendes Glasbauteil, welches aus fotostrukturierbarem Glas besteht dadurch gekennzeichnet, dass es mikrostrukturiert ist und an seiner Oberfläche eine geringere Brechzahl aufweist.Light-guiding glass component, which consists of photo-structurable glass, is characterized in that it is micro-structured and has a lower refractive index on its surface. Lichtleitendes Glasbauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es verschiedene geometrische Strukturen und/oder verschiedene Ionenaustauschtiefen aufweisen kann.Light-guiding glass component according to claim 1, characterized in that there are different geometric structures and / or different May have ion exchange depths. Lichtleitendes Glasbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Konzentrationsprofiles kleiner 250 μm, vorzugsweise jedoch 20 bis 150 μm, ist.Light-guiding glass component according to one of claims 1 or 2 characterized in that the width of the concentration profile less than 250 μm, preferably however 20 to 150 μm, is. Lichtleitendes Glasbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in ihm die Funktion des Lichtleitens und/oder weitere Funktionen vereint sind.Light-guiding glass component according to one of claims 1 to 3 characterized in that in it the function of light guide and / or other functions are combined. Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden Glasbauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Glasbauteil in einem ersten Verfahrensschritt mikrostrukturiert wird und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Ionenaustausch zwischen einer Salzschmelze und dem Glasbauteil stattfindet.Process for producing a light-conducting glass component, characterized in that the light-conducting glass component in one is microstructured in the first process step and in a second process step an ion exchange between a molten salt and the glass component takes place. Verfahren zur Herstellung eins lichtleitenden Glasbauteiles nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Mikrostrukturierung eine selektive UV-Belichtung und eine anschließende Temperung und Ätzung in Flusssäure der belichteten Bereiche umfasst.Process for producing a light-guiding glass component according to claim 5, characterized in that the method step the microstructuring a selective UV exposure and a subsequent tempering and etching in hydrofluoric acid exposed areas. Verfahren zur Herstellung eins lichtleitenden Glasbauteiles nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass für den Ionenaustausch eine vorwiegend natriumhaltige Salzschmelze verwendet wird.Process for producing a light-guiding glass component according to claim 5, characterized in that a predominantly for the ion exchange sodium salt melt is used. Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden Glasbauteiles nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Natrium-Ionen der Salzschmelze vorwiegend gegen die Lithium-Ionen des Glases ausgetauscht werden.Process for the production of a light-conducting glass component according to claim 7, characterized in that the sodium ions of Salt melt mainly exchanged for the lithium ions of the glass become. Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden Glasbauteiles nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass für den Ionenaustausch eine Salzschmelze, die in ihrer Zusammensetzung vorwiegend Salze von ein- oder zweiwertigen Kationen enthält, verwendet wird.Process for the production of a light-conducting glass component according to claim 5, characterized in that a salt melt for the ion exchange, the composition of which is predominantly salts of mono- or divalent Contains cations, is used. Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden Glasbauteiles nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kationen der Salzschmelze vorwiegend gegen die Lithium-Ionen des Glases ausgetauscht werden.Process for the production of a light-conducting glass component according to claim 9, characterized in that the cations of the salt melt mainly exchanged for the lithium ions of the glass. Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden Glasbauteiles nach einem der Ansprüche 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Oberflächenbereiche selektiv nachbearbeitet werden.Process for the production of a light-conducting glass component according to one of the claims 5 to 10 characterized in that the surface areas obtained be selectively reworked.
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