EP1114345A1 - Mikrostrukturierter körper sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Mikrostrukturierter körper sowie verfahren zu seiner herstellung

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EP1114345A1
EP1114345A1 EP99948779A EP99948779A EP1114345A1 EP 1114345 A1 EP1114345 A1 EP 1114345A1 EP 99948779 A EP99948779 A EP 99948779A EP 99948779 A EP99948779 A EP 99948779A EP 1114345 A1 EP1114345 A1 EP 1114345A1
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EP
European Patent Office
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substrate
microstructured
coating
cover
body according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99948779A
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English (en)
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Inventor
Hans Kragl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harting Elecktro Optische Bauteile GmbH and Co KG
Original Assignee
Harting Elecktro Optische Bauteile GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Harting Elecktro Optische Bauteile GmbH and Co KG filed Critical Harting Elecktro Optische Bauteile GmbH and Co KG
Publication of EP1114345A1 publication Critical patent/EP1114345A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4246—Bidirectionally operating package structures

Definitions

  • the invention relates to a microstructured body with a substrate and at least one cured coating applied to the substrate, which is microstructured and precisely positioned relative to the surface of the substrate.
  • the invention further relates to a method for producing such a microstructured body.
  • a microstructured body of this type can be produced in particular by means of impression techniques.
  • LIGA so-called LIGA
  • Impression molding is made with a geometrically inverse surface. From this molding tool, a plastic part can then be obtained with a plastic molding step, which is of the same shape as the microstructured master structure. To this
  • Manufacture plastic parts which are referred to below as the substrate.
  • microstructures can be produced, namely those structures which are formed by molding a suitably microstructured tool can be achieved in a single homogeneous material. In this way, for example, no forms with undercuts can be obtained.
  • the object of the invention is therefore to create a microstructured body in which the structures can be designed in a wide variety of ways, so that the most varied areas of application open up.
  • a further coating can be applied to the microstructured coating, which cooperates with the first coating and the microstructures molded in it in order to realize special functions.
  • This further coating can be precisely aligned relative to the substrate by means of a microstructured cover, which is positioned by means of the adjustment designs, so that a microstructured design can also be formed in the further coating, which is precisely aligned relative to the substrate.
  • micro-structured designs can now be formed which cannot be produced by structuring the substrate alone, since, for example, an undercut on the tool would be required.
  • the adjustment designs can also serve to precisely align further components relative to the substrate, for example a microchip.
  • the adjustment designs which can consist, for example, of the precisely cut outer edges of the substrate or of a groove which is formed in the surface of the substrate, serve for the precise positioning of the cover relative to the substrate and can optionally be used for the further adjustment of the finished component.
  • a microstructured surface or coating is understood here to mean a design which consists of different, flat or curved surfaces which are arranged three-dimensionally and at precise intervals and arrangements relative to one another, for example grooves, trenches, channels, cutouts, etc.
  • the coating consists of a material which differs in at least one physical property from the material of the substrate.
  • a waveguide can be formed.
  • the waveguide can be formed in that the surface of the substrate is coated with the suitable material in the liquid state and in that a micro-structured cover is then placed on the substrate.
  • This cover is pressed mechanically against the substrate and ensures that the microstructured designs which are to form the waveguide and which are formed on the substrate and / or the cover are molded in the coating.
  • the cover must be positioned precisely relative to the microstructured substrate so that the applied material is in the required places after the cover has been pressed on.
  • the still liquid material is then cured, for example by irradiation. Now the lid can be removed and the substrate with the applied, now hardened material remains, which in turn is microstructured. It is then possible, in further processing steps, to form further coatings on the microstructures obtained from the first coating.
  • the coating forms a waveguide, the waveguide at least / 17688 rL
  • the waveguide has a trapezoidal cross section and is arranged entirely on the surface of the substrate.
  • a waveguide with a trapezoidal cross section can be shaped particularly well, since on the one hand the liquid material displaced into the design, which is also microstructured with a trapezoidal cross section, fills this cross section better than a rectangular cross section, for example, and on the other hand there is no danger when the cover is lifted off that the side surfaces and edges of the
  • the waveguide can be damaged because the inclined side surfaces of the waveguide easily detach from the cover in the manner of bevels.
  • Waveguides are formed with a circular cross-section, with one half of the cross-section recessed in the substrate and the other half raised above the surrounding surface of the substrate. In this way, microstructured designs can be obtained, if only by a corresponding one
  • Design of the substrate would have to be preserved, would lead to undercuts that could not be molded. Only when a part of the cross section of the waveguide is molded in the coating does the undercuts disappear, so that a circular cross section can also be achieved, for example.
  • a groove is formed in the coating.
  • This groove can, for example, be a guide groove for an element to be coupled to the body.
  • This element for example a semiconductor chip designed as an optical transmitter or receiver, serves to supply signals to the microstructured body or to take signals from it. It is not necessary according to the invention to To take a picture of a groove serving to be coupled to the microstructured body during the manufacture of the substrate; the groove can later be formed at the desired location in a single step, for example simultaneously with the production of waveguides on the substrate.
  • the adjustment designs are arranged at least partially in spatial proximity to the microstructured coating. This results in increased accuracy in the production of the molded microstructures.
  • the position of the microstructures in the coating is in fact more precise relative to the microstructures of the substrate, the smaller the distances between the structures to be molded and the adjustment designs, since then any tolerances or possible material distortion are only very small
  • a method according to the invention for producing microstructured bodies contains the following steps: First, a substrate is produced which has alignment configurations. Then the
  • a lid with a microstructured surface is then placed on the substrate, the lid being provided with positioning configurations which are complementary to the adjustment configurations, so that the lid is arranged in a precisely defined position on the substrate, and with configurations by means of which the coating is microstructured.
  • the cover is then mechanically pressed onto the substrate, the microstructured surface of the cover being molded into the coating at least in some areas. Then the applied material is cured. Finally, the lid is removed from the substrate. This process opens up the possibility of obtaining microstructured designs that are adapted to the respective application.
  • the adjustment configurations together with the positioning configurations, enable the cover to be arranged precisely relative to the substrate, so that micro-structured configurations can be formed in the coating, which can lie precisely relative to micro-structures in the substrate.
  • the accuracy obtained thereby makes it possible to microstructures obtained in subsequent work steps to build up further microstructures.
  • the cover is microstructured in such a way that the applied coating is displaced from the areas to be structured when the cover is pressed on. In this way, recessed structures in particular can be molded. Then, in a further step, a second coating could be applied, which can be microstructured with a second lid.
  • the cover is microstructured in such a way that the applied coating is forced into the areas to be structured when the cover is pressed on. In this way, especially sublime
  • Structures are molded. With the required precision, these can also be formed on a substrate whose surface has certain unevenness. This lowers the cost of manufacturing the substrate, which does not have to be manufactured in all surface areas with the precision required for microstructured areas.
  • the body is formed by the hardened coating which is lifted off the substrate. This enables a microstructured
  • Material for the substrate nickel and as a coating material plastic is used. If additional microstructures are formed on the film in further work steps, this then in turn serves as a substrate.
  • FIG. 1 shows a substrate before coating with a material
  • FIG. 2 shows the substrate from FIG. 1 with an applied waveguide and a formed guide groove for an optical fiber that can be coupled to the waveguide;
  • FIG. 3 shows a substrate with a structured surface
  • FIG. 4 shows the substrate from FIG. 3 and a microstructured cover which can be placed thereon;
  • FIG. 5 shows a substrate and a lid similar to that of Figure 4, but with additional positioning and adjustment designs
  • FIGS. 6a to 6c a substrate and a cover, various materials being applied to the substrate;
  • FIGS. 7a and 7b show a substrate and a cover, a raised and recessed waveguide being formed on the substrate;
  • FIGS. 8a and 8b show a substrate and a cover similar to that of FIG. 7, an only raised waveguide being formed
  • FIGS. 9a to 9e a substrate and a cover, a shielded high-frequency conductor being formed;
  • FIGS. 10a and 10b show a substrate with a receiving opening for a chip;
  • FIGS. 11a to 11c show a substrate and a cover, by means of which a microstructured film can be produced
  • FIGS. 12a to 12d show a substrate and a cover, partial metallization being achieved on a material applied to the substrate;
  • FIG. 13 shows an electro-optical component that can be produced by partial metallization of a substrate
  • FIG. 14 shows an electro-optical component which is provided with a hollow channel through which a medium can flow
  • FIG. 15 is an optical component that can be used as a transceiver.
  • a substrate 10 is made. This can be done in particular by molding from a microstructured tool using a plastic material.
  • the substrate 10 can be provided with trenches 12 and grooves 14 (see FIG. 3) on its structured surface. Furthermore, the outer edges of the substrate 10 can be microstructured, for example precisely cut, in order to serve as adjustment designs 16.
  • An optical material 20 is applied in a liquid state to the structured surface of the substrate 10.
  • a cover 30 is then placed on the substrate 10 and the material 20 applied to it.
  • the cover 30 is also provided with a microstructured surface, for example with projections 32 which protrude into the trenches 12 of the substrate, and with edges 34 which form positioning designs and with the Adjustment designs 16 cooperate such that the cover 30 is precisely adjusted and positioned relative to the substrate 10.
  • the cover 30 is applied to the substrate 10 in the correct position, it is pressed mechanically against the latter.
  • the applied liquid material 20 is displaced from all the areas in which it is not desired.
  • the liquid material 20 is cured, for example by means of radiation.
  • the cover 30 is removed from the substrate 10.
  • the lid is often referred to as the "StripOff lid". After lifting the lid are the
  • Adjustment designs of the substrate are accessible again since they have not been contaminated with the liquid material.
  • microstructures contain, in particular, a waveguide 40 (see FIG. 2) and receptacles 42 for a schematically illustrated optical fiber 5, in each of which a guide groove 44 for the optical fiber 5 is formed.
  • optical fibers can now be arranged in the guide grooves 44 and glued there, so that they are coupled to the waveguide 40.
  • the guide groove for the optical fiber is only produced in the work step with which the material applied to the substrate is also microstructured; in this way, contamination or damage to the guide groove for the optical fiber is prevented.
  • the guide groove can in particular be produced with the same material that is also used for the waveguide and that is applied to the rest of the surface of the substrate. In this way, for example, a waveguide is produced in the structured surface of the body and a guide groove for an optical fiber that can be coupled to this waveguide in a single work step.
  • the positioning of the guide groove for the optical fiber relative to the waveguide takes place with high accuracy, since the structure for forming the guide groove is located in the material on the cover, by means of which the waveguide is also formed on the substrate.
  • FIG. 5 shows a substrate 10 with a microstructured surface, as is largely known from FIGS. 1 to 4.
  • an adjustment design 18 in the form of a groove with a V-shaped cross section is provided. This is near the grooves 14 for the formation of
  • the V-shaped groove 18 interacts with a positioning design 36 on the cover 30, which is designed as a projection with a V-shaped cross section. In this way, the accuracy of the positioning and adjustment of the cover 30 relative to the substrate 10 is increased. It is particularly advantageous if the
  • Adjustment design 18 and the positioning design 36 are arranged in the vicinity of surface structures of the substrate 10 and the cover 30, since tolerances due to material distortion etc. are reduced in this way. This makes it possible to precisely position functional elements, which are inserted into the recesses formed by means of the projections 32, relative to the waveguides.
  • a substrate 10 and a cover 30 are shown in FIGS. 6a to 6c, with the adjustment and positioning configurations 18, 36 making it possible to arrange the cover 30 in such a precise manner relative to the substrate 10 that in a first work step a first applied material is included Precise microstructures can be arranged and then a second material can be microstructured on the first material with the same accuracy.
  • first cover 30 which is provided with a projection 32
  • the first material 20 applied to the substrate 10 is microstructured in the trench 12 in such a way that a waveguide 40 with a precisely structured trench 46 is formed.
  • a second material 22 is applied, which is optical
  • This enables the construction of asymmetrical Waveguide systems, ie waveguide systems made of waveguides with different phase velocities, or waveguide structures for a taper arrangement.
  • the adjustment and positioning designs 18, 36 which are arranged much closer to the waveguides 40, 41 than the adjustment and positioning designs 16, 34, lead to particularly high accuracy.
  • Waveguide 40 with a circular cross section can be achieved.
  • a diameter of e.g. 0.5 mm still very filigree waveguide core is not self-supporting and therefore mechanically unstable, but is firmly glued to the substrate. This is a mechanically stable optical
  • a raised waveguide 40 with any undercut-free cross-section can also be achieved on the surface of the substrate.
  • Waveguides and the guide grooves for the optical fiber are designed as raised structures on the cover.
  • FIGS. 9a to 9e show how a shielded high-frequency conductor can be produced.
  • a metallic coating 50 is then applied to the microstructured surface of the substrate 10, which coating can optionally be reinforced galvanically or chemically.
  • a layer 48 which acts as a dielectric, is then formed in the trench 12 from a suitable first material by attaching the cover 30.
  • This layer is created using a Projection 32 on the cover 30 microstructured.
  • a renewed metallic coating 52 is applied, which is polished on the surface in a last working step, so that the second metallic coating 52 only remains in the area of the trench 12.
  • This coating can be galvanically or chemically reinforced in the same way as described above.
  • FIGS. 10a and 10b show a substrate 10, in which a waveguide 40 and a receiving opening 60 for an edge emitter laser diode 62 are formed by means of a microstructured cover. This is attached “up side down” to a heat sink 64.
  • the receiving opening 60 and the waveguide 40 can be produced by means of a suitably shaped cover so precisely in a microstructured coating applied to the substrate 10 that the laser diode 62 after insertion into the
  • Receiving opening 60 is exactly coupled to the waveguide 40. After the adjustment has been made, all components must be connected using a polymer adhesive correctly selected in the index in order to achieve a long-term stable construction.
  • FIGS. 11a to 11c show how a microstructured film 70 can be produced by means of a substrate 10 and a cover 30.
  • the substrate 10 and the cover 30 are provided with a microstructured surface such that a material 20 applied to the substrate 10 is shaped such that it contains, for example, optical lenses with bilateral lens curvature, Fresnell lenses or alignment structures.
  • a microstructured film 70 results, in which these components are realized.
  • Micro-structured mirrors can also be produced by metallic coating of certain surfaces. Local openings 72 in the otherwise continuous film are also possible.
  • FIGS. 12a to 12d show how a substrate 10, which is partially provided with the hardened, microstructured material 20, can be provided with a metallic coating.
  • a continuous metallic coating 80 is first applied.
  • the surface of the substrate 10 is then polished, so that the metallic coating 80 is removed at all those places where it is not below this polished surface. Since the polishing is also carried out on the material which is arranged in the grooves 14 and is later to serve as a waveguide, it must be carried out with the finest grain.
  • the metallic coating is very thin, so this is not a major problem.
  • the waveguide is later covered with a material of a very similar index, which reduces the influence of surface roughness.
  • the remaining metallic coating can be reinforced, for example galvanically, so that sufficiently high currents can flow in the electrical conductors 80.
  • the metallic partial surfaces are electrically contacted and placed in an electroplating bath.
  • the layer thickness of the galvanic reinforcement can be adjusted.
  • FIG. 12d it can be seen that the right partial coating surface 80 has a greater wall thickness than the left partial coating surface 80.
  • thermo-optically switchable Mach-Zehnder interferometer can be formed. This is shown in Figure 13.
  • a waveguide 40 is formed in the substrate 10 and branches into two interferometer arms 40 ′, 40 ′′.
  • a metallic coating with a thin wall serves as a heating conductor 82, while a metallic coating with a thick wall serves as a heat sink 84.
  • FIG. 14 shows a substrate 10 in which a schematically illustrated hollow groove 90 is formed.
  • a groove can be achieved, for example, by means of a suitably designed projection, which is provided on the cover and is molded as a microstructure in a material applied to the substrate.
  • the hollow groove extends very close to an optical waveguide 40 which is curved.
  • a closure member must be attached to the substrate 10 to create the hollow groove 90.
  • the material of the closure part must have a refractive index which is smaller than that of the waveguides 40, 41 in order not to interfere with the optical field guidance.
  • An optical sensor for the refractive index of the medium flowing in the hollow groove 90 is thus achieved.
  • the composition of a gas or a liquid mixture that flows continuously through the hollow groove 90 can be technically monitored. If a change in the composition of the flowing medium leads to a change in the index of the medium, the radiation from the continuous waveguide increases or decreases. The measurement of the light intensities in the optical fibers thus gives a measure of the refractive index of the medium.
  • an actuator function of the component is also possible.
  • Applying an electric field can change their index, for example liquid crystals, so can by an electric one
  • Output can be effected.
  • the component then functions as an optical one Switch.
  • Reflective liquids for example mercury, can also be used in the hollow groove 90.
  • FIG. 15 shows a substrate 10 in which a raised waveguide 40 with a large cross-section and a waveguide 41 with a smaller cross-section arranged in a recess are formed. Almost 100% of a light output coupled into the component by the optical fiber 5 is guided by means of the raised waveguide 40 to a photodetector symbolized by the arrow 97. At the same time, a light output that is emitted by a laser diode symbolized by arrow 98 can be coupled in via the thin waveguide 41 with little loss. In this way, a transceiver is formed which, despite the splitter design for incoming and outgoing signals, has less than 50% splinter loss.
  • the waveguide 40 can be designed as a raised and recessed microstructure or as only a raised microstructure, while the waveguide 41 is recessed, for example, in the manner of the waveguide shown in FIG.

Abstract

Ein mikrostrukturierter Körper mit einem Substrat (10) und mindestens einer auf das Substrat aufgebrachten, ausgehärteten Beschichtung, die mikrostrukturiert und präzise relativ zur Oberfläche des Substrates (10) positioniert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß an dem Substrat (10) Justiergestaltungen (16, 18) für einen auf das Substrat (10) aufsetzbaren, mikrostrukturierten Deckel (30) vorgesehen sind, die nach dem Aushärten der Beschichtung von außen zugänglich sind. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen mikrostrukturierten Körpers enthält die folgenden Schritte: Zunächst wird ein Substrat (10) hergestellt, das Justiergestaltungen (16, 18) aufweist. Dann wird die Oberfläche des Substrats (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 mikrostrukturierten Gestaltungen, mittels denen die Beschichtung mikrostrukturiert wird. Danach wird der Deckel (30) mechanisch auf das Substrat (10) gepreßt, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche des Deckels (30) mindestens bereichsweise in der Beschichtung abgeformt wird. Daraufhin wird das aufgebrachte Material (20) ausgehärtet, und schließlich wird der Deckel (30) von dem Substrat (10) abgenommen.

Description

Mikrostrukturierter Körper sowie Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Körper mit einem Substrat und mindestens einer auf das Substrat aufgebrachten, ausgehärteten Beschichtung, die mikrostrukturiert und präzise relativ zur Oberfläche des Substrates positioniert ist. 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 an dem Substrat Justiergestaltungen für einen auf das Substrat aufsetzbaren, mikrostrukturierten Deckel vorgesehen sind, die nach dem Aushärten der Beschichtung von außen zugänglich sind. Dies eröffnet völlig neue Freiheiten durch die Kombinationsmöglichkeit verschiedener
Materialien und Gestaltungen, da durch die von außen zugänglichen Justiergestaltungen weitere Komponenten mit sehr hoher Genauigkeit an dem Substrat angebracht oder für weitere Arbeitsschritte präzise ausgerichtet werden können. Somit kann auf der mikrostrukturierten Beschichtung eine weitere Beschichtung aufgebracht werden, die mit der ersten Beschichtung und den in dieser abgeformten MikroStrukturen zusammenwirkt, um spezielle Funktionen zu verwirklichen. Diese weitere Beschichtung kann durch einen mikrostrukturierten Deckel, der mittels der Justiergestaltungen positioniert wird, präzise relativ zum Substrat ausgerichtet werden, so daß auch in der weiteren Beschichtung eine mikrostrukturierte Gestaltung abgeformt werden kann, die präzise relativ zum Substrat ausgerichtet ist. Außerdem können nunmehr mikorstrukturierte Gestaltungen gebildet werden, die durch Strukturierung des Substrates allein nicht herstellbar sind, da beispielsweise eine Hinterschneidung am Werkzeug erforderlich wäre.
Auch können die Justiergestaltungen dazu dienen, weitere Bauteil relativ zum Substrat präzise auszurichten, beispielsweise einen Mikrochip. Die 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. 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 /17688 rL
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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 Hinter- schneidungen 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 ist vorgesehen, daß die Justiergestaltungen mindestens teilweise in räumlicher Nähe zu der mikrostrukturierten 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 mikrostrukturierter 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. Dann wird das aufgebrachte Material ausgehärtet. Zuletzt wird der Deckel wird von dem Substrat abgenommen. Dieses Verfahren eröffnet die Möglichkeit, an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßte, mikrostrukturierte Gestaltungen zu erhalten. Die Justiergestaltungen ermöglichen zusammen mit den Positionier- gestaltungen 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 Oberfläche 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 elekrische bzw. elektronische Bauteile. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 ein Substrat vor der Beschichtung mit einem Material;
- Figur 2 das Substrat von Figur 1 mit aufgebrachtem Wellenleiter und ausgebildeter Führungsnut für eine mit dem Wellenleiter koppelbare Lichtleitfaser;
- Figur 3 ein Substrat mit strukturierter Oberfläche;
- Figur 4 das Substrat von Figur 3 sowie einen auf dieses aufsetzbaren, mikrostrukturierten Deckel;
- Figur 5 ein Substrat und einen Deckel ähnlich denjenigen von Figur 4, jedoch mit zusätzlichen Positionier- und Justiergestaltungen;
- die Figuren 6a bis 6c ein Substrat und einen Deckel, wobei auf das Substrat verschiedene Materialien aufgebracht werden;
- die Figuren 7a und 7b ein Substrat und einen Deckel, wobei auf dem Substrat ein sowohl erhabener als auch vertiefter Wellenleiter gebildet wird;
- die Figuren 8a und 8b ein Substrat und einen Deckel ähnlich denjenigen von Figur 7, wobei ein nur erhabener Wellenleiter gebildet wird;
- die Figuren 9a bis 9e ein Substrat und einen Deckel, wobei ein abgeschirmter Hochfrequenzleiter gebildet wird; - die Figuren 10a und 10b ein Substrat mit einer Aufnahmeöffnung für einen Chip;
- die Figuren 11a bis 11c ein Substrat und einen Deckel, mittels denen eine mikrostrukturierte Folie hergestellt werden kann;
- die Figuren 12a bis 12d ein Substrat und einen Deckel, wobei eine partielle Metallisierung auf einem auf das Substrat aufgebrachten Material erzielt wird;
- Figur 13 ein elektro-optisches Bauteil, das durch partielle Metallisierung eines Substrats hergestellt werden kann;
- Figur 14 ein elektro-optisches Bauteil, das mit einem hohlen Ka- nal versehen ist, das von einem Medium durchströmt werden kann; und
- Figur 15 ein optisches Bauteil, das als Transceiver verwendet werden kann.
Anhand der Figuren 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 Figur 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. Nach dem Abheben des Deckels sind die
Justiergestaltungen des Substrates wieder zugänglich, da sie nicht mit dem flüssigen Material verschmutzt wurden.
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 Figur 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 Figur 5 ist ein Substrat 10 mit mikrostrukturierter Oberfläche gezeigt, wie es weitgehend aus den Figuren 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 Figuren 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 Figur 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 Figur
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 Figuren 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 Figuren 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 Figuren 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 15 ist ein Substrat 10 gezeigt, bei dem ein erhabener Wellenleiter 40 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 Figuren 7 und 8 als erhabene und vertiefte MikroStruktur bzw. als nur erhabene MikroStruktur ausgebildet sein, während der Wellenleiter 41 beispielsweise nach Art des in Figur 6c gezeigten Wellenleiters vertieft ausgebildet ist, zum Beispiel als Singlemode-Wellenleiter.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrostrukturierter Körper mit einem Substrat (10) und mindestens einer auf das Substrat aufgebrachten, ausgehärteten Beschichtung, die mikrostrukturiert und präzise relativ zur Oberfläche des Substrates (10) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Substrat (10) Justiergestaltungen (16, 18) für einen auf das Substrat (10) aufsetzbaren, mikrostrukturierten Deckel (30) vorgesehen sind, die nach dem Aushärten der Beschichtung von außen zugänglich sind.
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. Mikrostrukturierer 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 vertieft 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) aus Jgöe-bildet 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 die Justiergestaltungen mindestens eine Außenkante (16) des Substrats (10) enthalten.
14. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiergestaltungen mindestens eine Vertiefung (18) enthalten, die auf der Oberfläche des Substrats (10) gebildet ist.
15. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung eine Nut (18) ist.
16. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 15, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Nut (18) einen V-förmigen Querschnitt hat.
17. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung ein Justierkreuz ist.
18. Mikrostrukturierter Körper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung ein Kegel ist.
19. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiergestaltungen (16, 18) mindestens teilweise in räumlicher Nähe zu mikrostrukturierten
Gestaltungen (12, 14) angeordnet sind.
20. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein auf der Beschichtung ausgebildetes Heizelement (82) und ein auf der Beschichtung ausgebildetes Kühlelement (84) aufweist, so daß ein thermo-optisches Bauteil gebildet ist.
21. Mikrostrukturierter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Abschirmung (50) versehen ist, so daß ein abgeschirmter Hochfrequenzleiter gebildet ist.
22. Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Körper mittels der folgenden Schritte:
- es wird ein Substrat (10) hergestellt, das Justiergestaltungen (16, 18) aufweist, - die Oberfläche des Substrats (10) wird mindestens bereichsweise mit einem flüssigen Material (20) beschichtet,
- 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 definierten Lage auf dem Substrat (10) angeordnet wird, sowie mit mikrostrukturierten Gestaltungen, mittels denen die Beschichtung mikrostrukturiert wird, - der Deckel (30) wird mechanisch auf das Substrat (10) gepreßt, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche des Deckels (30) mindestens bereichsweise in der Beschichtung abgeformt wird,
- das aufgebrachte Material (20) wird ausgehärtet,
- der Deckel (30) wird von dem Substrat (10) abgenommen.
23. Verfahren nach Anspruch 22, 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.
24. Verfahren nach Anspruch 22, 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.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, 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.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (20) beim Aufdrücken des Deckels (30) in eine Vertiefung (37) im Deckel (30) hineingedrängt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem ersten Material (20) ein zweites Material (22) aufgebracht wird, das mittels eines zweiten Deckels mikrostrukturiert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Aufbringen der Beschichtung auf das Substrat (10) und anschließendes Aushärten gebildet wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch die ausgehärtete Beschichtung gebildet wird, die von dem Substrat (10) abgehoben wird.
30. Mikrostrukturierte Folie, erhalten durch ein Verfahren gemäß Anspruch 29.
EP99948779A 1998-09-17 1999-09-16 Mikrostrukturierter körper sowie verfahren zu seiner herstellung Withdrawn EP1114345A1 (de)

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