EP2627991A1 - Optischer evaneszenzfeldsensor - Google Patents

Optischer evaneszenzfeldsensor

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EP2627991A1
EP2627991A1 EP11776316.9A EP11776316A EP2627991A1 EP 2627991 A1 EP2627991 A1 EP 2627991A1 EP 11776316 A EP11776316 A EP 11776316A EP 2627991 A1 EP2627991 A1 EP 2627991A1
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EP
European Patent Office
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optical
sensor
sensor device
optical waveguide
optical layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11776316.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gregor Langer
Hannes Voraberger
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.)
AT&S Austria Technologie und Systemtechnik AG
Original Assignee
AT&S Austria Technologie und Systemtechnik AG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an optical sensor device having a substrate, on which at least one light source, preferably an LED, is arranged, from which at least one optical waveguide leads to at least one receiver, preferably a photodiode, wherein the optical waveguide in a sensor region for a change there available evanescent field is accessible.
  • Such a sensor device in the form of an optical switch or button is known in which the disorder of an evanescent field of an optical waveguide is exploited to perform a switching function.
  • the optical waveguide extends between a light transmitter, that is a light source and a sensor or receiver to which an evaluation unit is connected, and it is accessible in the region of approximately Berüh ⁇ surface.
  • a Lichtre ⁇ flexion occurs in the surface of the optical waveguide in the non-contact state. Touching this surface disturbs the evanescent field propagating in this area and thus the light propagation. This leads to a signal attenuation, which is evaluated as a switching signal.
  • Absorption measurement used analyte can be detected.
  • biosensors or chemosensors are devices that can qualitatively or quantitatively detect an analyte with the aid of a signal converter and a recognition reaction.
  • the recognition reaction is generally referred to as the specific binding or reaction of an analyte with a recognition element.
  • recognition reactions are the binding of ligands to complexes, the complexation of ions, the binding of ligands to receptors, membrane receptors or ion channels, of antigens or haptens to antibodies, of
  • specific analytes e.g., gases or liquids such as ethanol, CFCs .
  • analyte's absorption spectrum e.g., alcohol
  • biosensors or chemosensors can be used in environmental analysis, in the food industry, in human and veterinary diagnostics and in crop protection in order to qualitatively and / or quantitatively determine analytes.
  • tactile sensors of the type of interest here are optical sensors which detect touches on the sensor surface. If the detection signal is detected and further processed, for example carried out a further function, the push button is part of a switch.
  • Such an optical switch or switch has considerable advantages due to its freedom from current.
  • the use of such a switch particularly in high in sensitive areas where good EMC compatibility is required, ie in which there are as few electromagnetic fields as possible, as is the case with a power line
  • optical sensor and button could also be used in potentially explosive atmospheres, since it can not generate sparks due to the currentless operation.
  • the optical structure does not require any mechanically moving parts, which makes it not susceptible to wear and virtually maintenance-free.
  • optical sensor devices described here operate on the principle of influencing the evanescent field of an optical waveguide.
  • Optical waveguides are a class of signal transducers that can detect the change in optical properties of a medium adjacent to a waveguiding layer. When light is transported as a guided mode in the waveguiding layer, the light field at the interface falls
  • Medium / waveguide not abruptly, but sounds in the adjacent to the waveguide so-called detection medium exponentially.
  • This exponentially decaying light field is called an evanescent field. If the optical properties of the medium adjacent to the waveguide (e.g., change in optical refractive index, luminescence, absorption) vary within the evanescent field, this may be achieved by appropriate means
  • Measurement setup to be detected Crucial for the use of waveguides as signal transducers in bio-, chemo- or tactile sensors is that the change in the optical properties of the medium only very close to the surface of the
  • Optical waveguide is detected.
  • the main problem of such a sensor device is a compact integrated optical waveguide system, in which both the light source, the light sensor and the optical waveguide, which must also be formed in three dimensions, since it should be guided to the surface of the sensor array.
  • the light-guiding elements have been realized as mentioned either by fiber technology (glass fibers or polymer fibers), However, which are very cumbersome to handle, or through layer structures that require at least two different materials and also limit the design of the optical fiber structure.
  • coupling elements are required, which couple the light from the light emitter into the optical waveguide and decouple it from the optical waveguide back to the detection component.
  • These coupling elements can be constructed, for example, as optical grids, prisms or lens systems.
  • the opto-electronic components are externally coupled to the light-conducting elements. In general, the construction of such a sensor system is very complex and expensive, which predestines it not for the production in large quantities. Furthermore, they are not very compact and thus can not meet the general desire for integration and miniaturization in the sensor and analytics sector.
  • the object of the invention is therefore to provide an optical sensor device of the type mentioned, which can be realized in the form of a compact, integrated, stable unit, which is characterized by great robustness and stability, nonetheless by a high sensitivity and a good response. Furthermore, this should
  • Sensor device be accessible to a miniaturized design.
  • the present sensor device should be usable for a variety of purposes, as v.a. when
  • Tast field
  • switching device but also as a biosensor or chemosensor.
  • the photopolymerizable material is mounted, in which the optical waveguide is structured by an exposure process, preferably a Mehrphotonenabsorptionsrea, wherein the optical waveguide is guided in the sensor region to the surface of the optical layer.
  • the optical waveguide is structured by an exposure process, preferably a Mehrphotonenabsorptionsrea, wherein the optical waveguide is guided in the sensor region to the surface of the optical layer.
  • the light wave is thus lenleiter by an exposure process known per se, preferably the per se known Mehrphotonenabsorptions- structuring rationstechnologie (usually two-photon absorption structuring, TPA - Two Photon Absorption) realized, wherein preferably the production of a three-dimensional optical waveguide is made possible.
  • the term "three-dimensional” means both a possible course of the optical waveguide in the x-, y- and z-direction, ie a "spatial" course, as well as an embodiment of the optical waveguide itself, in terms of its cross-sectional shape, in any dimensions for example, to vary the cross-section from circular to elliptical or approximately rectangular, but also semicircular, etc., and vice versa.
  • the described structuring offers very special advantages for achieving a highly efficient sensor field, since in the sensor field region the optical waveguide has, for example, a broadened structure, a split structure, but also a wavy curved structure, with several arcs bordering on the surface, or a flattened wide structure (with For example, a semicircular cross-section, with the flat side up) may have.
  • a broadened structure for example, a split structure, but also a wavy curved structure, with several arcs bordering on the surface, or a flattened wide structure (with For example, a semicircular cross-section, with the flat side up) may have.
  • a semicircular cross-section with the flat side up
  • the light source, the photodiode and possibly also the evaluation unit can be embedded in the optical layer.
  • the substrate can simply be a printed circuit board substrate.
  • the optical layer may be a glassy organic-inorganic hybrid polymer, such as that known by the name ORMOCER®. Hybrid polymer be used zt which. Due to its glassy properties and chemical stability for a sensor field, such as a tactile display or a sensor in aggressive media, is well suited.
  • Other suitable materials include flexible materials, such as polysiloxanes, which are also very useful as waveguide material.
  • the optical layer may also be elastically yielding, at least in the sensor area.
  • a plurality of optical waveguides in particular also intersecting one another within the optical layer, wherein optionally a matrix arrangement is provided so as to provide, for example, a touch panel or a keyboard.
  • a matrix arrangement is provided so as to provide, for example, a touch panel or a keyboard.
  • marks may also be provided underneath the sensor arrays, such as on the surface of the substrate or circuit board layer so as to provide the respective sensor fields, e.g. Touch panels to display adequately.
  • a display e.g. a touchscreen could be realized.
  • the training of the invention is a very compact optical sensor device, such. a bio or chemosensor, a light switch or the like. , allows, in which all relevant parts, namely light source, optical waveguide and light sensor and optionally evaluation unit, can be integrated in a thin optical layer.
  • the production of the sensor device can moreover be carried out fully automatically, since both the assembly of the substrate with the components and the 3D structuring of the optical waveguide with the aid of the TPA method of machine processing is very easily accessible.
  • the present optical sensor device can be set up for a wide variety of purposes.
  • predetermined chemical receptors which extend into the medium adjacent to the optical layer. These receptors are intended or furnished for the binding of certain analytes to be detected. If, in a specific case, a certain analyte to be detected is present adjacent to the optical layer, then this analyte binds to the receptor intended for it, whereby the refractive index at the interface of the optical layer to the environment, to the neighboring medium, changes a change in the evanescent field and thus the light intensity in the optical waveguide leads.
  • a medium is provided with an analyte, which is not transparent to all wavelengths of the transported light.
  • an analyte which is not transparent to all wavelengths of the transported light.
  • the present optical sensor device can be designed as an optical touch field device in which the evanescent field adjacent to the sensor area (touch field) is disturbed by approaching an absorbing material, such as the foil of a button or a finger; characterized the herbeige ⁇ resulted decrease in the light intensity in the optical waveguide can now be detected, whereby the optical sensor device can be used as a button or switch.
  • the optical sensor device can be designed with a plurality of sensor regions, that is to say "sensor parts", which react independently of one another; especially for example, these partial sensors can be obtained by intersecting lightwave conductors , so that a type of sensor matrix is formed.
  • This can be utilized in this case an optical sensor device (a keyboard) or a touch-PA to realize a keyboard nel, in the case of a biosensor or chemosensor also by a corresponding sensor array can be provided ⁇ the.
  • the sensor fields in particular touch fields, may also be marked by markings under the optical layer, e.g. on the surface of the printed circuit board (of the printed circuit board substrate) are displayed.
  • an image display device a display, could also be located underneath the optical layer so as to realize a touchscreen.
  • the optical layer may have a thickness of, for example, 200 ⁇ or 300 ⁇ in the area of the integrated components, but the thickness of the layer may be less in the regions where only waveguides but no components are present, for example 100 ⁇ or less Save material and / or increase the flexibility of the material.
  • a strong of miniaturization ⁇ tion is achieved, which, for example in electronics areas offers a particular advantage for input units.
  • touch fields in the mobile sector, in mobile devices can be realized with great advantage.
  • the sensor device can be flexible and even transpa ⁇ rent, leading to special design possibilities. Since the sensor device operates without current, there are special applications in highly sensitive areas where electromagnetic fields would interfere with electrical sensors, but they can not influence the present optical sensor device. The sensor device could also be used in potentially explosive atmospheres because no sparks can occur due to the currentless mode of operation. Mechani ⁇ cal parts that are susceptible to wear, are avoided, and the optical sensor device is thus virtually maintenance-free.
  • the invention also has a printed circuit board element with an optimum See sensor device as stated above the subject, wherein the substrate is a printed circuit board substrate or a printed circuit board layer, such as epoxy resin, optionally with glass fiber ⁇ reinforcement.
  • the printed circuit board substrate may also be flexible, for example, be a polyimide film, and it may, for example, not just, but also "bent" on a cylindrical body, for example.
  • the invention relates to a method for producing such an optical sensor device, wherein it is provided that on a substrate, e.g. a printed circuit board layer, the at least one light source and the at least one receiver, optionally also the evaluation unit, attached and in
  • photopolymerizable material of the optical layer are cast, after which the at least one optical waveguide is patterned by Mehrphotonenabsorption in the optical layer.
  • the patterning of an optical waveguide in an optical layer is known per se by an exposure process, cf. eg US 6 690 845 B1; in particular, the patterning with the help of multi-photon absorption and two photon absorption from AT 413 891 B and AT 503 585 A is known per se, and it is also known, the focus for writing of the optical waveguide in the shape and size to be changed ⁇ countries, so that a thinner or thicker waveguide can be realized. Furthermore, the position of the focal point can be varied in three dimensions so as to inscribe the optical waveguide in the x, y and z directions.
  • the electronic components depending on the design and depending on the layer thickness of the optical material, for example, 100 ⁇ or even 200 ⁇ ⁇ lie below the surface of the optical layer.
  • the optical waveguide is led directly to the surface, ie with a local "depth" of 0 pm below the surface
  • the evaluation unit evaluates the intensity of the transmitted light signals, and this evaluation unit can also be integrated in the optical layer. Without disturbing the evanescent field, e.g. by approaching an object or touching, the evaluation unit will detect a maximum signal intensity. If now the evanescent field of light, which is outside the light source conductor, disturbed, such as if an object, e.g. a finger, moved to the sensor field or placed on it, then leads, this to the decrease in intensity of the light guided in the optical waveguide. This decrease in intensity is registered by the evaluation unit, so that e.g. a "tactile contact" or "switching request" is detected.
  • FIG. 1 is a general schematic sectional view of an optical sensor device according to the invention
  • FIGS. 2A and 2B show an optical sensor device according to the invention in the form of a touch panel device, with a sensor area enlarged in comparison with FIG. 1, in a schematic sectional illustration (FIG. 2A) or in plan view (FIG. 2B);
  • Fig. 3 is a schematic plan view of another optical sensor device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of still another sensor device, showing an enlarged sensor area and omitting the electro-optical components;
  • FIGS. 5A and 5B show a further sensor region of an optical sensor device according to the invention in a longitudinal section (Fig. 5A) and cross section (Fig. 5B);
  • FIGS. 6 and 7 show two further sensor devices according to the invention, for (bio) chemical analyzes, in schematic sectional representations;
  • Fig. 8 schematically shows a plan view of a part of a matrix arrangement of sensor areas, e.g. to realize a keyboard, a sensor array or a touchscreen.
  • FIG. 1 schematically shows an optical sensor device 1 which has an optical layer 3 on a substrate 2, for example a conventional printed circuit board layer.
  • a light source 4 for example an LED
  • a light sensor or receiver 5 for example a photodiode
  • the evaluation unit 6 is connected via an unspecified electrical connection, for example copper tracks on the substrate 2, to the receiver 5 in order to evaluate its output signals, which reflect the light intensity of the received light.
  • an optical waveguide 7 which in a known manner by a TPA process in the photopolymerizable material of the optical layer 3 in the desired manner , with the desired course and the desired cross-section, is structured.
  • the optical waveguide 7 in a sensor region 8, for example, an actuating or Tastfeldbe ⁇ rich, brought to the surface 9 of the optical layer 3 so that it runs directly on this surface 9 (or something darun ⁇ ter) a stretch long and so defines a sensitive to disturbances of the evanescent field of the optical waveguide 7 area.
  • the optical waveguide 7 forms a first medium
  • the environment above the optical layer 3 forms a second medium 10, which may be a gas or liquid.
  • this sensor area 8 e.g. an object that
  • Optical waveguide 7 is approached or with the object, the surface 9 is touched or pressed in the area 8, so there is propagating Evaneszenzfeld the optical waveguide 7, which results in a reduction in the intensity of the transmitted light in the optical waveguide 7. This will lead to a reduced electric current at the receiver 5, which is detected in the evaluation unit 6.
  • the optical layer 3 of photopolymerizable material and, preferably, the TPA structuring technology, such as in AT 413 891 B or AT 503 858 A
  • a compact unit for the sensor device 1 can be achieved, wherein the electro-optical components 4, 5, 6 are arranged on the substrate 2 and embedded in the optical layer 3.
  • the optical waveguide 7 is directly integrated into this assembly by its structuring in the optical layer 3, so that no separate component is necessary for this, in contrast to the prior art.
  • the thickness (height in Fig. 1) of the optical layer 3 - depending on the design of the components 4, 5, 6 - be, for example, only 100 ⁇ or 200 ⁇ , but nonetheless precise optical fiber guide from the light source 4 away to the sensor area 8 on the surface 9 and from there to the light receiver 5 is possible.
  • an extremely efficient, accessible to miniaturization sensor device can be obtained, and it is also conceivable to perform the entire unit flexible and / or perform within a circuit board as part thereof.
  • sensor areas 8 wherein also a matrix can be provided to realize a touch panel or a keyboard, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 8.
  • the sensor regions 8 can also be identified by markings visible to the eye so as to be able to touch the regions 8 in a targeted manner.
  • the optical layer 3 may also be a display so as to realize a plurality of sensor or touch areas 8 a touch screen.
  • the substrate 2 for example, a conventional Leiterplattenlagen- (epoxy resin) substrate
  • the light source 4, the receiver 5 and the evaluation unit 6 but which may also be located outside the unit 1) - preferably automatically - mounted;
  • these electro-optic or electronic components 4, 5, 6 are cast in the photopolymerizable material of the optical layer 3.
  • the optical waveguide 7 is "inscribed" between the light source 4 and the receiver 5, being guided in the sensor region 8 to the surface 9 of the optical layer 3 (eg an interface between optical material and air) Area 8 away, the optical waveguide 7 again extends within the optical layer 3 to the receiver 5, ie to its detection field
  • areas of the optoelectronic components 4, 5 are, for example, 20 ⁇ m to 200 m below the surface 9 of the optical layer 3.
  • the optical waveguide 7 directly touches the surface 9, i. the interface between the optical material and air, i. so there is a distance of 0 between the optical waveguide 7 and the surface 9 in this area 8; at least there will be the
  • Optical waveguide 7 brought very close to the surface 9, e.g. 0-10 pm below. This change in position of the optical waveguide 7 in the z-direction (height direction) can be realized with the TPA process in the simplest manner.
  • the photopolymerizable material of the optical layer 3 is fixed so that a finished, e.g. flexible or rigid, structural unit is obtained.
  • the intensity of the light signals is evaluated with the aid of the evaluation unit 6, so that analytes or touch or switching requests are detected in this way if the evanescent field of the optical waveguide 7 is influenced or disturbed, for example due to a Object, such as a finger, in the sensor area 8, in the medium 10, the optical waveguide 7 is approximated (which may possibly also come to a touch).
  • This disturbance of the evanescent field of the light outside the optical waveguide 7 causes a decrease in the intensity of the light guided in the optical waveguide 7, which is detected and evaluated.
  • the light used is of course not limited to the wavelength range of visible light, but may also be in the UV or IR spectrum.
  • FIGS. 2A and 2B in a schematic longitudinal section and a schematic plan view, as a specific example of a sensor device 1 is a Tastfeld transformer is shown which corresponds We ⁇ sentlichen of the sensor device 1 according to Fig. 1, so that a renewed detailed description is unnecessary.
  • Fig. 2B is now the
  • the sensor or sensing range 8 zoom (and back again) is moved, it recognizes the off ⁇ value unit 6 according to the change in the Intensity of the light in the optical waveguide 7, via the receiver 5, as a tactile or
  • Fig. 3 2B is compared to the embodiment according to FIG. If a modification shown in ⁇ when there (in the scanning range transmitter sor Scheme) 8 of the optical waveguide 7 is split to produce a plurality of separate optical fiber branches 7B, said optical fiber branches 7B but not touch each other directly (which would lead to the widened structure of FIG. 2B).
  • the optical waveguide 7 in the sensor region 8 has a wavy curved structure 7C, with a plurality of arcs 7D bordering the surface 9 of the optical layer 3.
  • a stronger evanescent field is produced in the zones with a smaller radius of curvature of the optical waveguide 7, so that the light weakening becomes even greater in the event of a disturbance of this evanescent field allows.
  • the optical waveguide 7 is "cut" in the region of the touchpad 10 on the surface 9 of the optical layer 3, so that in the region of the sensor region 8 for the optical waveguide 7 a flattened
  • Structure 7E approximately with a cross section in a semicircular or semi-elliptical shape, as shown in particular in Fig. 5B, given.
  • This is made possible in the course of the three-dimensional TPA structuring, wherein the optical waveguide 7 is not only brought into contact (tangentially) with the writing surface 9, but is structured so that it is only partially in the material of the optical layer 3; a part of the focus area of the laser beam used for writing then lies above the surface 9, i. outside of the optical layer 3, so that instead of a full cross-section of the optical waveguide 7 in this area directly adjacent to the surface 9 only a partial cross-section is given.
  • the sensor or contact surface of the optical waveguide 7 is increased at the surface 9 in the region 8, the size of the optical waveguide 7 in the z-direction, however, reduced.
  • Such a "cut” optical waveguide 7 in the sensor region 8, as shown in Fig. 5, can also be produced as mentioned by the TPA technology in an advantageous manner, a comparable training would be unthinkable with the ⁇ known technology, with discrete components ,
  • an optical sensor device 1 is shown, which is essentially what the attachment of the optical layer 3 on a substrate 2, the embedding of a light source 4, a light receiver 5 and an evaluation unit 6 in the optical material of the optical layer 3 and the TPA Structuring of the optical waveguide 7 and its course in a sensor area 8 at or near the surface of the optical layer 3, the embodiments of FIG. 1 or Fig. 2A corresponds, so that a re-description thereof is unnecessary.
  • predetermined receptors 12 are now anchored to the surface of the optical layer 3, these receptors 12 extending into the second medium 10, which in turn may be, for example, a liquid or a gas.
  • the second medium 10 which in turn may be, for example, a liquid or a gas.
  • these receptors 12 are indicated only very schematically, as well as to be detected analytes 13 in the outer, second medium 10. If now such an analyte to be detected 13 binds to a receptor 12, thereby changing the refractive ⁇ index at the Interface between the optical waveguide 7, the first medium, to the second medium 10; this in turn leads to an alteration of the evanescent field and hence to a ⁇ Ver change in light intensity in the optical fiber 7 (first medium). This change in the light intensity in the optical waveguide
  • FIG. 8 in the embodiment of FIG. 6 similar to FIG. 2B, FIG. 3, Fig. 4 or Fig. 5B shown to be so
  • this also applies to other exemplary embodiments, such as the exemplary embodiment of the optical sensor device 1 according to the invention to be described with reference to FIG. 7, with which certain analytes to be detected can be detected directly on the basis of their optical properties.
  • the optical sensor device 1 according to FIG. 7 is designed like the previously described sensor devices 1, according to FIGS. 1, 2A, 6 (but also FIGS. 3 and 5), so that a further description can be dispensed with.
  • an outer, second medium 10 is located above the optical layer 3, the optical waveguide 7 defining a first medium in the sensor region 8.
  • the outer medium 10 contains, for example, an analyte 14, such as ethanol, which is not transparent for all wavelengths of the light transported in the optical waveguide 7. Accordingly, these special wavelengths are absorbed by the analyte 14 via the propagation in the evanescent field, in the sensor region 8. This in turn alters the intensity of the light in the optical fiber, selectively for the particular wavelengths. As a result, it is possible to qualitatively and / or quantitatively determine the analyte 14.
  • the optical sensor device 1 can be extremely compact be, with all relevant components (light source 4, optical fiber
  • light receiver 5, optionally evaluation unit 6) can be integrated in a thin optical layer 3.
  • the production of this sensor device 1 can be carried out fully automatically, since both the assembly of the components 4, 5, 6 and the 3D structuring of the optical waveguide 7 a machine processing are very accessible.
  • optical layer 3 is thick, if at all, for example only a few hundred ⁇ m thick, a highly miniaturized embodiment of an optical sensor device 1 can be obtained which can be used for a wide variety of sensor applications, such as those described above with reference to FIGS. 6 and 7 . as input units in electronics areas.
  • the biosensors or chemosensors described can be used in environmental analysis, in the food industry, in the human and
  • Veterinary diagnostics and in crop protection can be used to qualitatively and / or quantitatively determine analytes.
  • Switch or touch panel devices v.a. also of great interest in the area of mobile applications.
  • this Fig. 8 shows only very schematically a plan view of indicated with simple lines optical waveguide 7 and matrix-like arranged sensor areas 8, wherein in these Sensorbe ⁇ rich 8 intersecting optical waveguide 7 as shown in Fig. 1, Fig. 2A, etc. shown the surface of the optical layer 3 (not shown in Fig. 8) are introduced; however, in the intermediate areas they are at a distance from the surface 9 (see Fig. 1) of the optical layer 3, so that there is no influence on evanescent fields.
  • markers 15 or more generally representations or displays or image display elements are 'provided to .
  • a keyboard or the like such as a keyboard or the like.
  • Key ' field but possibly also to realize a kind of touch screen.
  • the output ends of the optical waveguides can be brought to different light receivers 5 or at least to different detector areas of light receivers 5 both in accordance with the rows and in accordance with the columns, so that they can be unambiguously identified in the area of the light receivers 5.
  • the optical waveguides 7 on the input side to a common light emitter 4 optionally, if the Platzver ⁇ conditions allow this, even all the optical waveguide 7 of all rows and columns, coupled.
  • the optical waveguide 7 all lines are coupled to a light emitter and the optical waveguide 7 of all columns to another light emitter.
  • each optical waveguide 7 at least for each of the column optical waveguides and for each of the line optical waveguides, a separate light source with a wavelength predetermined for the respective optical waveguide 7, wherein on the detector side (light receiver 5) can be uniquely identified due to the respective wavelength or frequency of the respective optical waveguide so as to detect the respective matrix point.
  • the present sensor device 1 can be made rigid, but also flexible and, if desired, also transparent, which leads to new application and design possibilities. It is also advantageous that the present optical sensor device works as mentioned current-free, so that there are special applications in highly sensitive areas where electromagnetic fields would interfere with electrical structures.
  • the present optical sensor device 1 can also be used in potentially explosive atmospheres, since they are caused by the electroless operation can not form sparks. Because the present sensor device 1 does not require any mechanically moving parts, it is also not prone to wear and virtually maintenance-free.
  • a generally rectangular cross-section of the optical waveguide 7 is also conceivable, and it is also possible to have such widened structures of the optical waveguide 7, including those as shown in FIGS. 2B and 3 or 5B, e.g. to combine with the waveform of FIG. 4.

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Abstract

Optische Sensoreinrichtung (1) mit einem Substrat (2), auf dem mindestens eine Lichtquelle (4), z.B. eine LED, angeordnet ist, von der mindestens ein Lichtwellenleiter (7) zu mindestens einem Empfänger (5), z.B. einer Fotodiode, führt, mit dem eine Auswerteinheit (6) verbunden ist, wobei der Lichtwellenleiter (7) in einem Sensorbereich (8) für eine Änderung seines dort vorhandenen Evaneszenzfeldes zugänglich ist; auf dem Substrat (2) ist eine optische Schicht (3) aus fotopolymerisierbarem Material angebracht, in der der Lichtwellenleiter (7) durch einen Belichtungsprozess strukturiert ist, wobei der Lichtwellenleiter (7) im Sensorbereich (8) an die Oberfläche (9) der optischen Schicht (3) geführt ist.

Description

OPTISCHER EVANESZENZFELDSENSOR
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Sensoreinrichtung mit einem Substrat, auf dem mindestens eine Lichtquelle, vorzugsweise eine LED, angeordnet ist, von der mindestens ein Lichtwellenleiter zu mindestens einem Empfänger, vorzugsweise einer Fotodiode, führt, wobei der Lichtwellenleiter in einem Sensorbereich für eine Änderung seines dort vorhandenen evaneszenten Feldes zugänglich ist .
Hintergrund der Erfindung
Aus der DE 10 2005 021 008 AI ist eine solche Sensoreinrichtung in Form eines optischen Schalters oder Tasters bekannt, bei der die Störung eines evaneszenten Feldes eines Lichtwellenleiters zur Ausübung einer Schaltfunktion ausgenützt wird. Der Lichtwellenleiter erstreckt sich zwischen einem Lichtsender, d.h. einer Lichtquelle, und einem Sensor oder Empfänger, mit dem eine Auswerteinheit verbunden ist, und er ist im Bereich einer Berüh¬ rungsfläche zugänglich. Im Normalzustand tritt an der Oberfläche des Lichtwellenleiters im berührungslosen Zustand eine Lichtre¬ flexion auf. Bei Berühren dieser Fläche wird das sich in diesem Bereich ausbreitende evaneszente Feld und damit die Lichtausbreitung gestört. Dies führt zu einer Signalschwächung, die als Schaltsignal ausgewertet wird. Im Sensorbereich (Tastfeld) muss für die Erzielung der Schaltfunktion nicht unbedingt ein tat¬ sächliches Berühren oder Drücken des Lichtwellenleiters erfolgen; es genügt auch ein Annähern eines Gegenstandes, z.B. eines Fingers, an die Oberfläche des Lichtwellenleiters, um die ge¬ wünschte Intensitätsabschwächung herbeizuführen. Von Nachteil ist bei diesem bekannten Schalter oder Taster u.a., dass er aus einzelnen, diskreten Komponenten ausgeführt ist, was zu einer relativ aufwendigen, großen, kompliziert herzustellenden und wenig stabilen Baueinheit führt, bei der insbesondere die Anbrin¬ gung des Lichtwellenleiters problematisch ist.
In der DE 10 350 526 A sind Aufbau und Funktionsweise eines Bio- und Chemosensors beschrieben. Dieser bekannte Bio- bzw. Chemo- sensor weist jedoch eine optische Mehrschichten-Struktur mit mindestens zwei Schichten zur Realisierung eines Wellenleiters auf; weiters werden gesonderte Einkoppelelemente für die Kopplung der optischen Strahlung zwischen den opto-elektronischen Bauteilen und dem Wellenleiter benötigt.
Zur spektroskopischen Bestimmung der Konzentration von Alkohol in flüssigen Proben ist weiters aus der AT 406 711 B ein Verfahren bekannt, bei dem die Intensitätsänderung spezifischer Wellenlängen durch das Absorptionsvermögen des bei der
Absorptionsmessung verwendeten Analyten detektiert werden kann.
Ganz allgemein bezeichnet man als Bio- oder Chemosensoren Geräte, die mit Hilfe eines Signalwandlers und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können .
Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines Analyten mit einem Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von
Substanzen an Enzyme und so weiter.
Weiters können spezielle Analyten (z.B. Gase oder Flüssigkeiten wie Ethanol, FCKWs....) direkt detektiert werden, indem Intensitäten spezifischer Wellenlängen des Absorptionsspektrums des Analyten (z.B. Alkohol) detektiert werden.
Diese Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, im Nahrungsmittelbereich, in der Human- und Veterinärdiagnostik und im Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen.
Andererseits sind Tastsensoren der hier interessierenden Art optische Sensoren, die Berührungen an der Sensoroberfläche detek- tieren. Wird das Detektionssignal erkannt und weiterverarbeitet, z.B. eine weitere Funktion ausgeführt, ist der Tastsensor Teil eines Schalters. Ein derartiger optischer Taster oder Schalter hat aufgrund seiner Stromfreiheit erhebliche Vorteile. So bietet sich der Einsatz eines solchen Schalters' insbesondere in hoch- sensiblen Bereichen an, bei denen es auf eine gute EMV-Verträg- lichkeit ankommt, in denen also möglichst keine elektromagnetischen Felder, wie sie bei einer Stromleitung zwangsweise
auftreten, gewünscht sind. Der optische Sensor und Taster könnte auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, da er durch die stromlose Funktionsweise keine Funken bilden kann. Überdies benötigt der optische Aufbau keinerlei mechanisch bewegliche Teile, wodurch er nicht verschleißanfällig und nahezu wartungsfrei ist.
Die hier beschriebenen optischen Sensoreinrichtungen arbeiten nach dem Prinzip der Beeinflussung des evaneszenten Feldes eines optischen Wellenleiters.
Optische Wellenleiter sind eine Klasse von Signalwandlern, mit denen man die Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums detektieren kann, das an eine Wellenleitende Schicht grenzt. Wird Licht als geführte Mode in der Wellenleitenden Schicht transportiert, fällt das Lichtfeld an der Grenzfläche
Medium/Wellenleiter nicht abrupt ab, sondern klingt in dem an den Wellenleiter angrenzenden sog. Detektionsmedium exponentiell ab. Dieses exponentiell abfallende Lichtfeld wird als evaneszen- tes Feld bezeichnet. Ändern sich die optischen Eigenschaften des an den Wellenleiter grenzenden Mediums (z.B. Änderung des optischen Brechungsindex, der Lumineszenz, der Absorption) innerhalb des evaneszenten Feldes, kann dies über einen geeigneten
Messaufbau detektiert werden. Entscheidend für die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio-, Chemo- oder Tastsensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des
Lichtwellenleiters detektiert wird.
Das Hauptproblem einer solchen Sensoreinrichtung ist ein kompaktes integriertes Lichtwellenleitungssystem, in dem sowohl die Lichtquelle, der Lichtsensor und der Lichtwellenleiter, der überdies in drei Dimensionen ausgebildet sein muss, da er an die Oberfläche des Sensorfeldes geführt werden sollte, vorliegen.
Bisher wurden die licht führenden Elemente wie erwähnt entweder durch Fasertechnik (Glasfasern oder Polymerfasern) realisiert, die jedoch sehr umständlich zu handhaben sind, oder durch Schichtaufbauten, die jedoch mindestens zwei unterschiedliche Materialien benötigen und auch das Design des Lichtwellenleiteraufbaus einschränken. Weiters werden Einkoppelelemente benötigt, die das Licht vom Lichtemitter in den Lichtwellenleiter einkop- peln und vom Lichtwellenleiter wieder zum Detektionsbauteil auskoppeln. Diese Koppelelemente können z.B. als optische Gitter, Prismen oder Linsensysteme aufgebaut sein. Die opto-elektroni- schen Bauteile (Lichtemitter und Lichtdetektor) werden extern an die Lichtführenden Elemente gekoppelt. Im Allgemeinen ist der Aufbau eines solchen Sensorsystems sehr aufwändig und kostenintensiv, was sie nicht für die Produktion in großen Stückzahlen prädestiniert. Weiters sind sie nicht sehr kompakt ausgeführt und können somit dem allgemeinen Wunsch von Integration und Miniaturisierung auf dem Sensorik- und Analytiksektor nicht nachkommen .
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine optische Sensoreinrichtung der eingangs angeführten Art vorzusehen, die in Form einer kompakten, integrierten, stabilen Baueinheit realisiert werden kann, die sich durch große Robustheit und Stabilität, nichtsdestoweniger durch eine hohe Empfindlichkeit bzw. ein gutes Ansprechverhalten auszeichnet. Weiters soll diese
Sensoreinrichtung einer miniaturisierten Bauweise zugänglich sein. Insbesondere soll die vorliegende Sensoreinrichtung für die verschiedensten Zwecke einsetzbar sein, wie v.a. als
Tast(feld)- bzw. Schalteinrichtung, aber auch als Bio- bzw. Che- mosensor .
Die erfindungsgemäße optische Sensoreinrichtung der eingangs angeführten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat eine optische Schicht aus
fotopolymerisierbarem Material angebracht ist, in der der Lichtwellenleiter durch einen Belichtungsprozess , vorzugsweise einen Mehrphotonenabsorptionsprozess , strukturiert ist, wobei der Lichtwellenleiter im Sensorbereich an die Oberfläche der optischen Schicht geführt ist.
Bei der■ vorliegenden Sensoreinrichtung wird somit der Lichtwel- lenleiter durch einen an sich bekannten Belichtungsprozess , vorzugsweise die an sich bekannte Mehrphotonenabsorptions-Struktu- rierungstechnologie (üblicherweise Zweiphotonenabsorptions- Strukturierung, TPA - Two Photon Absorption) realisiert, wobei bevorzugt die Herstellung eines dreidimensionalen Lichtwellenleiters ermöglicht wird. Unter „dreidimensional" ist dabei sowohl ein möglicher Verlauf des Lichtwellenleiters in x-, y- und z-Richtung, also ein „räumlicher" Verlauf, zu verstehen als auch eine Ausbildung des Lichtwellenleiters selbst, was seine Querschnittsform anlangt, in beliebigen Dimensionen, um so beispielsweise den Querschnitt von kreisförmig auf elliptisch oder annähernd rechteckig, aber auch halbkreisf rmig usw. und umgekehrt zu variieren. Insbesondere ist es mit der beschriebenen Strukturierung auch möglich, einen mittels TPA-Strukturierung erzeugten Lichtwellenleiter in mehrere Zweige aufzusplitten und diese Zweige anschließend wieder zusammenzuführen. Diese Strukturierung bietet daher für die Erzielung eines hocheffizienten Sensorfelds ganz besondere Vorteile, da im Sensorfeldbereich der Lichtwellenleiter beispielsweise eine verbreiterte Struktur, eine aufgesplittete Struktur, aber auch eine wellenförmig gekrümmte Struktur, mit mehreren an die Oberfläche grenzenden Bögen, oder eine abgeflachte breite Struktur (mit beispielsweise einem halbkreisförmigen Querschnitt, mit der ebenen Seite nach oben) aufweisen kann. Dadurch kann auf einfach Weise im Zuge der Strukturierung des Lichtwellenleiters ein optimaler Sensorbereich erhalten werden, um die gewünschte Ansprechempfindlichkeit zu erzielen.
Durch die vorstehende Strukturierungstechnologie , mit "3D"- Lichtwellenleitern, werden weiters hochintegrierte und miniaturisierte Sensorsysteme ermöglicht.
Für die kompakte Ausführung ist von besonderem Vorteil, dass die Lichtquelle, die Fotodiode und gegebenenfalls auch die Auswerteinheit in der optischen Schicht eingebettet sein können. Für viele Anwendungen, vor allem im Hinblick auf Schaltfunktionen, kann weiters das Substrat einfach ein Leiterplattensubstrat sein. Die optische Schicht kann ein glasartiges organisch-anorganisches Hybridpolymer, wie etwa das unter der Bezeichnung OR- MOCER® bekannte . Hybridpolymer , eingeset zt werden, welches. aufgrund seiner glasartigen Eigenschaften sowie chemischen Stabilität für ein Sensorfeld, wie z.B. ein Tastdisplay oder einen Sensor in aggressiven Medien, gut geeignet ist. Andere geeignete Materialien sind beispielsweise flexible Materialien, wie etwa Polysiloxane , die sich ebenfalls sehr gut als Wellenleitermaterial eignen.
Die optische Schicht kann zumindest im Sensorbereich auch elastisch nachgiebig sein.
Weiters ist es denkbar, mehrere, insbesondere auch einander innerhalb der optischen Schicht kreuzende Lichtwellenleiter zu strukturieren, wobei gegebenenfalls eine Matrixanordnung vorgesehen wird, um so beispielsweise ein Touchpanel oder ein Keyboard vorzusehen. Im Fall einer transparenten optischen Schicht können unterhalb der Sensorfelder auch Markierungen angebracht sein, etwa auf der Oberfläche des Substrats bzw. der Leiterplattenlage, um so die jeweiligen Sensorfeider , z.B. Tastfelder, in adäquater Weise anzuzeigen. Auch kann sich unter der optischen Schicht ein Display befinden, wodurch z.B. ein Touchscreen realisiert werden könnte.
Im Vergleich zu den bekannten optischen Tastern oder Schaltern, die mit konkreten Lichtfasern ausgeführt werden, wobei letztere in komplizierten Windungen an eine Tastfläche, d.h. allgemein an den Sensorbereich, herangeführt werden müssen, wodurch der Aufbau aufwendig und mit großen Platzbedarf verbunden ist, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine sehr kompakte optische Sensoreinrichtung, wie z.B. ein Bio- oder Chemosensor, ein Lichtschalter oder dgl . , ermöglicht, bei der alle relevanten Teile, nämlich Lichtquelle, Lichtwellenleiter und Lichtsensor sowie gegebenenfalls Auswerteinheit, in einer dünnen optischen Schicht integriert sein können. Die Herstellung der Sensoreinrichtung kann überdies vollautomatisch durchgeführt werden, da sowohl die Bestückung des Substrats mit den Komponenten als auch die 3D-Strukturierung des Lichtwellenleiters mit Hilfe der TPA- Methode einer maschinellen Verarbeitung sehr gut zugänglich ist.
Die vorliegende optische Sensoreinrichtung kann für verschiedenste Zwecke eingerichtet werden. So können beispielsweise an der Oberfläche des Lichtwellenleiters, d.h. im Sensorbereich, wo der Lichtwellenleiter an die Oberfläche der optischen Schicht herangeführt ist, vorgegebene chemische Rezeptoren verankert sein, die in das Medium benachbart der optischen Schicht reichen. Diese Rezeptoren sind zur Bindung bestimmter zu detektie- render Analyten vorgesehen bzw. eingerichtet. Wenn nun in einem konkreten Fall ein bestimmter zu dete ktierender Analyt benachbart der optischen Schicht vorhanden ist, so bindet sich dieser Analyt an den dafür bestimmten Rezeptor, wodurch sich der Brechungsindex an der Grenzfläche der optischen Schicht zur Umgebung, zum benachbarten Medium, ändert, was eine Veränderung des evaneszenten Felds und somit der Lichtintensität im Lichtwellenleiter führt.
Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, dass zumindest oberhalb des Teils des Lichtwellenleiters, der an die Oberfläche der optischen Schicht geführt ist, ein Medium mit einem Analyten vorgesehen ist, der nicht für alle Wellenlängen des transportierten Lichts transparent ist. Befindet sich nun im Medium benachbart der optischen Schicht ein bestimmter Analyt, wie z.B. Ethanol, der nicht für die oder nicht für alle Wellenlängen des im Lichtwellenleiter transportierten Lichts transparent ist, so werden diese speziellen Wellenlängen über die Ausbreitung .im evaneszenten Feld (im Bereich des Sensorfelds) vom Analyten absorbiert. In der Folge ist es daher möglich, auf diese Weise den speziellen Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen .
Schließlich kann die vorliegende optische Sensoreinrichtung als optische Tast ( feld) einrichtung ausgebildet sein, bei der durch Annähern eines absorbierenden Materials, wie etwa der Folie eines Tasters oder eines Fingers, das evaneszente Feld benachbart dem Sensorbereich (Tastfeld) gestört wird; die dadurch herbeige¬ führte Abnahme der LichtIntensität im Lichtwellenleiter kann nun detektiert werden, wodurch die optische Sensoreinrichtung als Taster oder Schalter eingesetzt werden kann.
Wie bereits vorstehend erwähnt kann die optische Sensoreinrichtung mit mehreren Sensorbereichen, also "Sensorteilen", ausgebildet sein, die unabhängig voneinander reagieren; insbesondere können diese Teil-Sensoren durch einander kreuzende Lichtwellen¬ leiter erhalten werden, so dass eine Art Sensormatrix gebildet wird. Dies kann im Fall einer optischen Tasteinrichtung dazu genützt werden, ein Keyboard (eine Tastatur) oder ein Touch-Pa- nel zu realisieren, im Fall eines Biosensors oder Chemosensors kann auch dadurch ein entsprechendes Sensorarray vorgesehen wer¬ den .
Im Fall einer optischen Schicht, die transparent ist, können wie erwähnt auch die Sensorfelder, insbesondere Tastfelder, durch Markierungen, die unter der optischen Schicht, z.B. auf der Oberfläche der Leiterplatte (des Leiterplatten-Substrats) liegen, angezeigt werden. Insbesondere könnte sich auch unter der optischen Schicht eine Bildanzeigeeinrichtung, ein Display, befinden, um so einen Touchscreen zu realisieren.
Die optische Schicht kann im Bereich der integrierten Bauteile eine Dicke von z.B. 200 μτη oder 300 μπι haben, die Dicke der Schicht kann aber in den Bereichen, wo nur Wellenleiter, aber keine Bauteile vorliegen, geringer sein, z.B. 100 μιτι oder weniger betragen, um Material zu sparen und/oder um die Flexibilität des Materials zu erhöhen. Insgesamt ist eine starke Miniaturi¬ sierung erzielbar, was z.B. für Eingabeeinheiten in Elektronikbereichen einen besonderen Vorteil bietet. So können mit der Erfindung beispielsweise Tastfelder im Mobilfunkbereich, bei Mobiltelefongeräten, mit großem Vorteil realisiert werden.
Weiters kann die Sensoreinrichtung flexibel und sogar transpa¬ rent ausgeführt sein, was zu besonderen Designmöglichkeiten führt. Da die Sensoreinrichtung stromfrei wirkt, ergeben sich besondere Einsatzmöglichkeiten in hochsensiblen Bereichen, wo elektromagnetische Felder elektrische Sensoren stören würden, wobei sie jedoch die vorliegende optische Sensoreinrichtung nicht beeinflussen können. Auch könnte die Sensoreinrichtung in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, da durch die stromlose Funktionsweise keine Funken entstehen können. Mechani¬ sche Teile, die verschleißanf llig sind, werden vermieden, und die optische Sensoreinrichtung ist somit praktisch wartungsfrei.
Die Erfindung hat auch ein Leiterplattenelement mit einer opti- sehen Sensoreinrichtung wie vorstehend angegeben zum Gegenstand, wobei das Substrat ein Leiterplattensubstrat oder eine Leiterplattenlage, etwa aus Epoxidharz, gegebenenfalls mit Glasfaser¬ verstärkung, ist. Das Leiterplattensubstrat kann auch flexibel sein, z.B. eine Polyimidfolie sein, und es kann z.B. nicht eben, sondern auch „gebogen" auf einem z.B. zylinderförmigen Körper liegen .
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen optischen Sensoreinrichtung, wobei vorgesehen ist, dass auf einem Substrat, z.B. einer Leiterplattenlage, die wenigstens eine Lichtquelle und der wenigstens eine Empfänger, gegebenenfalls auch die Auswerteinheit, angebracht und im
fotopolymerisierbaren Material der optischen Schicht eingegossen werden, wonach der wenigstens eine Lichtwellenleiter mittels Mehrphotonenabsorption in der optischen Schicht strukturiert wird .
Es sei erwähnt, dass die Strukturierung eines Lichtwellenleiters in einer optischen Schicht durch einen Belichtungsprozess an sich bekannt ist, vgl. z.B. US 6 690 845 Bl; insbesondere ist auch die Strukturierung mit Hilfe von Mehrphotonenabsorption bzw. Zweiphotonenabsorption aus AT 413891 B und AT 503585 A an sich bekannt, wobei es überdies bekannt ist, den Fokus zum Einschreiben des Lichtwellenleiters in der Form und Größe zu verän¬ dern, so dass ein dünnerer oder dickerer Wellenleiter realisiert werden kann. Weiters kann die Position des Fokuspunktes in drei Dimensionen variiert werden, um so den Lichtwellenleiter in x-, y- und z-Richtung einzuschreiben. Bei Anwendung dieser Technik für die vorliegende optische Sensoreinrichtung können die elektronischen Bauteile je nach Design und je nach Schichtdicke des optischen Materials, beispielsweise 100 μπι oder aber auch 200 μπ\ unter der Oberfläche der optischen Schicht liegen. Im Sensorbe-, reich ist der Lichtwellenleiter direkt an die Oberfläche geführt, also mit einer lokalen „Tiefe" von 0 pm unter der
Oberfläche vorgesehen und diese Positionsänderung des Lichtwellenleiters in der z-Koordinate , also in der Tiefe, ist nur mit der genannten Mehrphotonenabsorpt ions-Strukturierung möglich. Nach der Strukturierung wird die optische Schicht fixiert. Auf die Möglichkeit der Heranführung von Lichtwellenleitern. an die Materialoberfläche, zwecks Beeinflussung des evaneszenten Feldes des geführten Lichts, wird jedoch im genannten Stand der Technik nicht eingegangen.
Die Auswerteinheit bewertet die Intensität der übertragenen LichtSignale , und diese Auswerteinheit kann ebenfalls in der optischen Schicht integriert sein. Ohne Störung des evaneszenten Feldes, z.B. durch Annähern eines Gegenstandes oder Berühren, wird die Auswerteinheit eine maximale Signalintensität feststellen. Wird nun das evaneszente Feld des Lichts, das außerhalb des Lichtquellenleiters liegt, gestört, etwa wenn ein Gegenstand, z.B. ein Finger, an das Sensorfeld heranbewegt oder darauf aufgelegt wird, dann führt, dies zur Intensitätsabnahme des im Lichtwellenleiter geführten Lichts. Diese Intensitätsabnahme wird von der Auswerteinheit registriert, so dass z.B. ein „Tastkontakt" oder „Schaltwunsch" erkannt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 eine allgemeine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung; die Fig. 2A und 2B eine erfindungsgemäße optische Sensoreinrichtung in Form einer Tastfeldeinrichtung , mit einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Sensorbereich, und zwar in einer schematischen Schnittdarstellung (Fig. 2A) bzw. in Draufsicht (Fig. 2B) ;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere optische Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung noch einer anderen Sensoreinrichtung, wobei ein vergrößerter Sensorbereich gezeigt ist und die elektro-optischen Komponenten weggelassen sind; die Fig. 5A und 5B einen weiteren Sensorbereich einer optischen Sensöreinrichtung gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt (Fig. 5A) bzw. Querschnitt (Fig. 5B) ; die Fig. 6 und 7 zwei weitere erfindungsgemäße Sensoreinrichtungen, für (bio- ) chemische Analysen, in schematischen Schnittdarstellungen; und
Fig. 8 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Matrixanordnung von Sensorbereichen, z.B. zur Realisierung einer Tastatur, eines Sensorarrays oder eines Touchscreens .
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In Fig. 1 ist schematisch eine optische Sensoreinrichtung 1 gezeigt, die auf einem Substrat 2, beispielsweise einer herkömmlichen Leiterplattenlage, eine optische Schicht 3 aufweist. In dieser optischen Schicht 3 sind eine Lichtquelle 4, z.B. eine LED, weiters ein Lichtsensor oder Empfänger 5, z.B. eine Fotodiode, sowie eine Auswerteinheit 6 eingebettet. Die Auswerteinheit 6 ist über eine nicht näher veranschaulichte elektrische Verbindung, z.B. Kupferbahnen auf dem Substrat 2, mit dem Empfänger 5 verbunden, um dessen Ausgangssignale, die die Lichtintensität des empfangenen Lichts wiedergeben, auszuwerten. Zwischen dem Lichtsender, d.h. der Lichtquelle 4, und dem Lichtsensor, d.h. dem Empfänger 5, erstreckt sich-- ein Lichtwellenleiter 7, der in an sich bekannter Weise durch einen TPA-Prozess im fotopolymeri- sierbaren Material der optischen Schicht 3 in der gewünschten Weise, mit dem gewünschten Verlauf und dem gewünschten Querschnitt, strukturiert ist. Dabei ist der Lichtwellenleiter 7 in einem Sensorbereich 8, z.B. einem Betätigungs- oder Tastfeldbe¬ reich, an die Oberfläche 9 der optischen Schicht 3 herangeführt, so dass er unmittelbar an dieser Oberfläche 9 (bzw. etwas darun¬ ter) eine Strecke lang verläuft und so einen für Störungen des evaneszenten Feldes des Lichtwellenleiters 7 empfindlichen Bereich definiert. Dabei bildet der Lichtwellenleiter 7 ein erstes Medium, und die Umgebung oberhalb der optischen Schicht 3 bildet ein zweites Medium 10, das ein Gas oder flüssig sein kann.
Wenn nun in diesem Sensorbereich 8 z.B. ein Gegenstand dem
Lichtwellenleiter 7 angenähert wird oder mit dem Gegenstand die Oberfläche 9 im Bereich 8 berührt oder gedrückt wird, so wird das sich dort ausbreitende Evaneszenzfeld des Lichtwellenleiters 7 gestört, was sich in einer Verringerung der Intensität des im Lichtwellenleiter 7 übertragenen Lichts auswirkt. Dies wird am Empfänger 5 zu einem reduzierten elektrischen Strom führen, was in der Auswerteinheit 6 erkannt wird.
Durch die Verwendung der optischen Schicht 3 aus fotopolymeri- sierbarem Material und - bevorzugt - der TPA-St rukturierungs- technologie, wie etwa in AT 413 891 B oder AT 503 858 A
beschrieben, kann eine kompakte Baueinheit für die Sensoreinrichtung 1 erzielt werden, wobei die elektrooptischen Komponenten 4, 5, 6 auf dem Substrat 2 angeordnet und in der optischen Schicht 3 eingebettet sind. Der Lichtwellenleiter 7 ist in diese Baueinheit durch seine Strukturierung in der optischen Schicht 3 direkt integriert, so dass hierfür kein gesonderter Bauteil notwendig ist, im Gegensatz zum Stand der Technik.
Je nach Ausführung der elektrooptischen Bauelemente 4, 5 und 6 kann die Dicke (Höhe in Fig. 1) der optischen Schicht 3 - je nach Design der Bauteile 4, 5, 6 - beispielsweise nur 100 μπι oder aber 200 μν betragen, wobei nichtsdestoweniger eine genaue Lichtwellenleiter-Führung von der Lichtquelle 4 weg zum Sensorbereich 8 an der Oberfläche 9 und von dort zum Lichtempfänger 5 möglich ist. Dadurch kann eine äußerst effiziente, einer Miniaturisierung zugängliche Sensoreinrichtung erhalten werden, wobei es überdies denkbar ist, die gesamte Einheit flexibel auszuführen und/oder innerhalb einer Leiterplatte als Teil hiervon auszuführen. Insbesondere ist es auch denkbar, mehrere
Sensorbereiche 8 vorzusehen, wobei auch eine Matrix vorgesehen werden kann, um ein Touchpanel oder aber ein Keyboard zu realisieren, wie nachstehend noch näher anhand der Fig. 8 erläutert werden soll. Unterhalb der optischen Schicht 3, die transparent sein kann, können die Sensorbereiche 8 auch durch für das Auge ersichtliche Markierungen gekennzeichnet werden, um so die Bereiche 8 gezielt berühren zu können. Unterhalb der optischen Schicht 3 kann sich auch ein Display befinden, um so mit Hilfe mehrerer Sensor- oder Tastbereiche 8 einen Touchscreen zu realisieren .
Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1, etwa gemäß Fig. 1, kann ' beispielsweise wie. folgt vorgegangen werden :
Ausgehend von dem Substrat 2, beispielsweise einem herkömmlichen Leiterplattenlagen- (Epoxidharz-) Substrat, werden die Lichtquelle 4, der Empfänger 5 und die Auswerteinheit 6 (die sich aber auch außerhalb der Baueinheit 1 befinden kann) - vorzugsweise automatisch - montiert; danach werden diese elektroopt ischen bzw. elektronischen Bauteile 4, 5, 6 im fotopolymerisierbaren Material der optischen Schicht 3 eingegossen. Sodann wird mittels der TPA-Technologie der Lichtwellenleiter 7 zwischen der Lichtquelle 4 und dem Empfänger 5 „eingeschrieben", wobei er im Sensorbereich 8 an die Oberfläche 9 der optischen Schicht 3 (z.B. eine Grenzfläche zwischen optischem Material und Luft) herangeführt wird. Von diesem Bereich 8 weg verläuft der Lichtwellenleiter 7 wieder innerhalb der optischen Schicht 3 zum Empfänger 5, d.h. zu dessen Detektionsfeld, hin. Die aktiven
Flächen der optoelektronischen Bauteile 4, 5 liegen je nach deren Ausbildung und je nach Schichtdicke der optischen Schicht 3 beispielsweise 20 μτη bis 200 m unter der Oberfläche 9 der optischen Schicht 3. Im Sensorbereich 8 berührt der Lichtwellenleiter 7 jedoch direkt die Oberfläche 9, d.h. die Grenzfläche zwischen dem optischen Material und Luft, d.h. es ist also ein Abstand von 0 zwischen dem Lichtwellenleiter 7 und der Oberfläche 9 in diesem Bereich 8 gegeben; zumindest wird dort der
Lichtwellenleiter 7 sehr nahe an die Oberfläche 9 herangeführt, z.B. 0-10 pm darunter. Diese Positionsänderung des Lichtwellenleiters 7 in z-Richtung (Höhenrichtung) ist mit dem TPA-Prozess in einfachster Weise zu realisieren.
Abschließend wird das fotopolymerisierbare Material der optischen Schicht 3 fixiert, so dass eine fertige, z.B. flexible oder aber starre, Baueinheit erhalten ist.
Mit Hilfe der Auswerteinheit 6 wird, wie erwähnt, die Intensität der Lichtsignale bewertet, so dass auf diese Weise Analyten oder aber Tast- bzw. Schaltwünsche detektiert werden, wenn das eva- neszente Feld des Lichtwellenleiters 7 beeinflusst bzw. gestört wird, z.B. weil ein Gegenstand, etwa ein Finger, im Sensorbereich 8, im Medium 10, dem Lichtwellenleiter 7 angenähert wird (wobei es gegebenenfalls auch zu einer Berührung kommen kann) . Durch diese Störung des Evaneszenzfelds des Lichts außerhalb des Lichtwellenleiters 7 wird eine Abnahme der Intensität des im Lichtwellenleiters 7 geführten Lichts bewirkt, die detektiert und ausgewertet wird.
Das verwendete Licht ist dabei selbstverständlich nicht auf den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts beschränkt, sondern kann auch im UV- oder IR-Spektrum liegen.
Hinsichtlich weiterer Details bzgl. Verfahren und auch verwendbarer Materialien sei auf die vorstehend erwähnten Dokumente AT 413 891 B und AT 503 858 A verwiesen, deren diesbezüglicher Inhalt zur Vereinfachung der Beschreibung als in der vorliegende Beschreibung enthalten anzusehen ist.
In Fig. 2A und 2B ist in einem schematischen Längsschnitt bzw. einer schematischen Draufsicht als spezifisches Beispiel einer Sensoreinrichtung 1 eine Tastfeldeinrichtung gezeigt, die im We¬ sentlichen der Sensoreinrichtung 1 gemäß Fig. 1 entspricht, so dass sich eine neuerliche detaillierte Beschreibung erübrigen kann. Wie insbesondere aus Fig. 2B hervorgeht, ist nun der
Lichtwellenleiter 7 im Sensor- bzw. Tastbereich 8 mit einer ver¬ breiterten Struktur 7A ausgebildet, um so die Ansprechempfindlichkeit des gebildeten Tasters oder Schalters zu verbessern. Diese verbreiterte Struktur 7A kann beim Einschreiben des Lichtwellenleiters 7 durch entsprechende Fokusveränderung erreicht werden, jedoch kann sie auch dadurch hergestellt werden, dass in diesem Bereich der Lichtwellenleiter 7 mehrmals unmittelbar ne¬ beneinander „eingeschrieben" wird, wenn er mit Hilfe der TPA- Technologie hergestellt wird.
Wenn nun, wie in Fig. 2A ersichtlich, im zweiten Medium 10 ein Gegenstand 11, z.B. ein Finger, an den Sensor- bzw. Tastbereich 8 heran (und wieder zurück) bewegt wird, erkennt dies die Aus¬ werteinheit 6 zufolge der Änderung der Intensität des Lichts im Lichtwellenleiter 7, über den Empfänger 5, als Tast- oder
Schaltbefehl .
In Fig. 3 ist im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 2B in¬ sofern eine Modifikation gezeigt, als dort im Tastbereich (Sen- sorbereich) 8 der Lichtwellenleiter 7 unter Erzeugung mehrerer gesonderter Lichtwellenleiter-Zweige 7B aufgesplittet ist, wobei diese Lichtwellenleiter-Zweige 7B jedoch einander nicht direkt berühren (was zur verbreiterten Struktur gemäß Fig. 2B führen würde) .
Gemäß der Schnittdarstellung in Fig. 4 hat bei der darin gezeigten Ausführungsform der Lichtwellenleiter 7 im Sensorbereich 8 eine wellenförmig gekrümmte Struktur 7C, wobei mehrere Bögen 7D an die Oberfläche 9 der optischen Schicht 3 grenzen. Durch diese „Wellengeometrie" des Lichtwellenleiters 7 im Sensorbereich 8 wird in den Zonen mit einem kleineren Kurvenradius des Lichtwellenleiters 7 ein stärkeres Evaneszentfeld erzeugt, so dass bei einer Störung dieses Evaneszentfeldes auch die Lichtabschwächung umso größer wird. Dadurch wird auch bei dieser Ausführungsform eine hohe Ansprechempfindlichkeit ermöglicht.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 5A und 5B ist der Lichtwellenleiter 7 im Bereich des Tastfeldes 10 an der Oberfläche 9 der optischen Schicht 3 „angeschnitten", so dass im Bereich des Sensorbereichs 8 für den Lichtwellenleiter 7 eine abgeflachte
Struktur 7E, etwa mit einem Querschnitt in einer Halbkreisform oder halbelliptischen Form, wie insbesondere aus Fig. 5B ersichtlich, gegeben ist. Dies wird im Zuge der dreidimensionalen TPA-Strukturierung ermöglicht, wobei der Lichtwellenleiter 7 beim Einschreiben nicht nur berührend (tangential) an die Oberfläche 9 herangeführt wird, sondern so strukturiert wird, dass er nur teilweise im Material der optischen Schicht 3 liegt; ein Teil des Fokusbereichs des zum Einschreiben verwendeten Laserstrahls liegt dann oberhalb der Oberfläche 9, d.h. außerhalb der optischen Schicht 3, so dass anstatt eines vollen Querschnitts des Lichtwellenleiters 7 in diesem direkt an die Oberfläche 9 grenzenden Bereich nur ein Teil-Querschnitt gegeben ist. Auf diese Weise wird die Sensor- oder Berührungsfläche des Lichtwellenleiters 7 an der Oberfläche 9 im Bereich 8 vergrößert, die Abmessung des Lichtwellenleiters 7 in z-Richtung jedoch verkleinert .
Durch alle diese Faktoren wird das Evaneszentfeld im umgebenden Medium 10 (also z.B. Luft) verstärkt, was wiederum zu einer Ver- Stärkung der optischen Signaländerung bei einer z.B. durch Anliegen eines Gegenstands 11 (Fig. 2A) oder Berühren der optischen Schicht 3 im Sensorbereich 8 bewirkten Störung des
Evaneszenzfeldes führt.
Ein derartiger „angeschnittener" Lichtwellenleiter 7 im Sensorbereich 8, wie in Fig. 5 gezeigt, kann ebenfalls wie erwähnt durch die TPA-Technologie in vorteilhafter Weise hergestellt werden, eine vergleichbare Ausbildung wäre jedoch mit der be¬ kannten Technik, mit diskreten Bauelementen, undenkbar.
In Fig. 6 ist eine optische Sensoreinrichtung 1 gezeigt, die im Wesentlichen, was die Anbringung der optischen Schicht 3 auf einem Substrat 2, die Einbettung einer Lichtquelle 4, eines Lichtempfängers 5 und einer Auswerteinheit 6 im optischen Material der optischen Schicht 3 sowie die TPA-Strukturierung des Lichtwellenleiters 7 sowie dessen Verlauf in einem Sensorbereich 8 an oder nahe der Oberfläche der optischen Schicht 3 betrifft, den Ausführungsformen etwa gemäß Fig. 1 oder Fig. 2A entspricht, so dass sich eine erneute Beschreibung hievon erübrigen kann. Zumindest im Sensorbereich 8 sind nun vorgegebene Rezeptoren 12 an der Oberfläche der optischen Schicht 3 verankert, wobei diese Rezeptoren 12 in das zweite Medium 10 reichen, das wiederum beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann. In Fig. 6 sind diese Rezeptoren 12 nur ganz schematisch angedeutet, ebenso wie zu detektierende Analyten 13 im äußeren, zweiten Medium 10. Wenn sich nun ein derartiger zu detektierender Analyt 13 an einen Rezeptor 12 bindet, verändert sich dadurch der Brechungs¬ index an der Grenzfläche zwischen dem Lichtwellenleiter 7, dem ersten Medium, zum zweiten Medium 10; dies führt wiederum zu einer Veränderung des evaneszenten Feldes und damit zu einer Ver¬ änderung der Licht Intensität im Lichtwellenleiter 7 (erstes Medium) . Diese Änderung der Lichtintensität im Lichtwellenleiter
7 wird im Lichtempfänger 5 wiederum zu einem elektrischen Signal umgewandelt, das in der Auswerteinheit 6 ausgewertet wird, um den jeweiligen Analyten 13 anzugeben.
Selbstverständlich kann der Lichtwellenleiter 7 im Sensorbereich
8 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ähnlich wie in Fig. 2B, ■Fig. 3, Figl 4 oder Fig. 5B gezeigt ausgebildet sein, um so einen möglichst effektiven Sensorbereich 8 zu erzielen, und dies gilt selbstverständlich auch für andere Ausführungsbeispiele, wie etwa das nunmehr anhand der Fig. 7 zu beschreibende Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Sensoreinrichtung 1, mit den bestimmte zu detektierende Analyten aufgrund ihrer optischen Eigenschaften direkt detektiert werden können.
Im Einzelnen ist auch die optische Sensoreinrichtung 1 gemäß Fig. 7 wie die zuvor beschriebenen Sensoreinrichtungen 1, gemäß den Fig. 1, 2A, 6 (aber auch Fig. 3 und Fig. 5) ausgebildet, so dass sich eine neuerliche Beschreibung erübrigen kann.
Über der optischen Schicht 3 befindet sich wiederum ein äußeres, zweites Medium 10, wobei der Lichtwellenleiter 7 im Sensorbereich 8 ein erstes Medium definiert. Im äußeren Medium 10 ist beispielsweise ein Analyt 14, wie etwa Ethanol, enthalten, der nicht für alle Wellenlängen des im Lichtwellenleiter 7 transportierten Lichts transparent ist. Demgemäß werden diese speziellen Wellenlängen über die Ausbreitung im evaneszenten Feld, im Sensorbereich 8, vom Analyten 14 absorbiert. Dadurch ändert sich wiederum die Intensität des Lichts im Lichtwellenleiter, und zwar selektiv für die bestimmten Wellenlängen. Dadurch ist es in der Folge möglich, den Analyten 14 qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen.
Ganz allgemein gilt somit für alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele, dass bei der vorliegenden hoch-integrierten optischen Sensoreinrichtung 1 der Lichtwellenleiter 7 als erstes Medium in einem Sensorbereich 8 bis nahe zur Oberfläche 9 oder bis direkt zu dieser Oberfläche 9 der optischen Schicht 3 geführt ist, so dass er an ein weiteres, zweites, äußeres Medium 10 grenzt. Werden nun optische Parameter des äußeren, zweiten Mediums 10 verändert, die das evaneszente Feld des im Lichtwellenleiter 7 geführten Lichts verändern, z.B. abschwächen, so ist damit auch eine Intensitätsänderung (z.B. Abschwächung ) des im Lichtwellenleiter 7 geführten Lichts verbunden; diese Intensi¬ tätsänderung kann mittels der Bauelemente 5, 6 detektiert und ausgewertet werden.
Die optische Sensoreinrichtung 1 kann dabei äußerst kompakt sein, wobei alle relevanten Bauteile (Lichtquelle 4, Lichtleiter
7, Lichtempfänger 5, gegebenenfalls Auswerteinheit 6) in einer dünnen optischen Schicht 3 integriert sein können. Die Herstellung dieser Sensoreinrichtung 1 kann vollautomatisch durchgeführt werden, da sowohl die Bestückung der Bauteile 4, 5, 6 als auch die 3D-Strukturierung des Lichtwellenleiters 7 einer maschinellen Verarbeitung sehr gut zugänglich sind.
Dadurch, dass die optische Schicht 3 beispielsweise nur einige wenige hundert μιτι dick (wenn überhaupt) ist, kann eine stark miniaturisierte Ausführung einer optischen Sensoreinrichtung 1 erhalten werden, die für verschiedenste Sensorapplikationen, wie beispielsweise vorstehend anhand der Fig. 6 und 7 gezeigt, bzw. als Eingabeeinheiten in Elektronikbereichen führen. Die beschriebenen Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, in der Nahrungsmittelindustrie, in der Human- und
Veterinärdiagnostik und im Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Andererseits sind miniaturisierte Sensoreinrichtungen in Form von
Schalt- oder Tastfeldeinrichtungen v.a. auch im Mobilapplikati- onsbereich von hohem Interesse.
In der Folge ist es möglich, einzelne Sensor- oder Tastbereiche
8, die dort gebildet sind, wo in Zeilen und Spalten angeordnete Lichtwellenleiter 7 einander kreuzen, in einer Matrixanordnung vorzusehen, wie dies in Fig. 8 schematisch angedeutet ist. Dabei zeigt diese Fig. 8 nur ganz schematisch eine Draufsicht auf mit einfachen Linien angedeutete Lichtwellenleiter 7 sowie matrixartig angeordnete Sensorbereiche 8, wobei die in diesen Sensorbe¬ reichen 8 einander kreuzenden Lichtwellenleiter 7 ähnlich wie in Fig. 1, Fig. 2A usw. gezeigt an die Oberfläche der optischen Schicht 3 (in Fig. 8 nicht gezeigt) herangeführt sind; in den dazwischen liegenden Bereichen liegen sie jedoch in Abstand von der Oberfläche 9 (s. Fig. 1) der optischen Schicht 3 vor, so dass dort keine Beeinflussung von evaneszenten Feldern möglich ist. Unterhalb von diesen z.B. in Draufsicht kreuzförmigen bis runden Sensorbereichen 8 können, beispielsweise auf der Oberseite des Substrats 2 (Fig. 1), Markierungen 15 oder ganz allgemein Darstellungen oder Displays bzw. Bildwiedergabeelemente vorgesehen' sein, um. so beispielsweise eine Tastatur oder dergl. Tasten-' feld, gegebenenfalls aber auch eine Art Touchscreen zu realisieren .
In Zusammenhang mit der Matrixanordnung der Sensorbereiche bzw. Tast- oder Schaltbereiche 8 gemäß Fig. 8 sollte selbstverständlich sein, dass die einzelnen Lichtwellenleiter 7, sowohl in den Zeilen als auch in den Spalten, hinsichtlich ihrer Lichtsignale voneinander unterscheidbar sein müssen, um so den jeweiligen "Schaltpunkt" oder "Tastpunkt", d.h. den jeweiligen Sensorbereich 8, der betätigt wurde, nach seinen Koordinaten
(Zeile/Spalte) identifizieren zu können. Hierzu können beispielsweise die Ausgangsenden der Lichtwellenleiter sowohl gemäß den Zeilen als auch gemäß den Spalten an verschiedene Lichtempfänger 5 oder zumindest an verschiedene Detektorbereiche von Lichtempfängern 5 herangeführt werden, so dass sie im Bereich der Lichtempfänger 5 eindeutig identifizierbar sind. In diesem Fall können die Lichtwellenleiter 7 eingangsseitig auch an einen gemeinsamen Lichtsender 4, gegebenenfalls, wenn die Platzver¬ hältnisse dies erlauben, sogar alle Lichtwellenleiter 7 aller Zeilen und Spalten, angekoppelt sein. Zweckmäßigerweise werden jedoch die Lichtwellenleiter 7 aller Zeilen an einen Lichtsender angekoppelt und die Lichtwellenleiter 7 aller Spalten an einen anderen Lichtsender. Denkbar ist es überdies auch, für jeden Lichtwellenleiter 7, zumindest für jeden der Spalten-Lichtwellenleiter und für jeden der Zeilen-Lichtwellenleiter, eine eigene Lichtquelle, mit einer für den jeweiligen Lichtwellenleiter 7 vorgegebenen Wellenlänge, vorzusehen, wobei auf der Detektorseite (Lichtempfänger 5) aufgrund der jeweiligen Wellenlänge oder Frequenz der jeweilige Lichtwellenleiter eindeutig identifiziert werden kann, um so den jeweiligen Matrixpunkt zu erkennen.
Wie erwähnt kann die vorliegende Sensoreinrichtung 1 starr, aber auch flexibel, und gewünschtenfalls auch transparent ausgeführt werden, was zu neuen Einsatz- und Design-Möglichkeiten führt. Auch ist von Vorteil, dass die vorliegende optische Sensoreinrichtung wie erwähnt stromfrei arbeitet, so dass sich besondere Einsatzmöglichkeiten in hoch-sensiblen Bereichen ergeben, wo elektromagnetische Felder elektrische Aufbauten stören würden. Die vorliegende optische Sensoreinrichtung 1 kann auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, da sie durch die stromlose Funktionsweise keine Funken bilden kann. Dadurch, dass die vorliegende Sensoreinrichtung 1 keinerlei mechanisch bewegliche Teile erfordert, ist sie auch nicht verschleißanfällig und praktisch wartungsfrei.
Wenn die Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert wird, so sind doch selbstverständlich weitere Abwandlungen bzw. Modifikationen möglich. So ist beispielsweise im Sensorbereich 8 auch ein allgemein rechteckiger Querschnitt des Lichtwellenleiters 7 denkbar, und es ist auch möglich, derartige verbreiterte Strukturen des Lichtwellenleiters 7, auch solche wie in Fig. 2B und 3 bzw. 5B gezeigt, z.B. mit der Wellenform gemäß Fig. 4 zu kombinieren.

Claims

Patentansprüche :
1. Optische Sensoreinrichtung (1) mit einem Substrat (2), auf dem mindestens eine Lichtquelle (4), beispielsweise eine LED, angeordnet ist, von der mindestens ein Lichtwellenleiter (7) zu mindestens einem Empfänger (5), beispielsweise einer Fotodiode, führt, wobei der Lichtwellenleiter (7) in einem Sensorbereich (8) für eine Änderung seines dort vorhandenen Evaneszenzfeldes zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat
(2) eine optische Schicht (3) aus fotopolymerisierbarem Material angebracht ist, in der der Lichtwellenleiter (7) durch einen Be- lichtungsprozess strukturiert ist, wobei der Lichtwellenleiter
(7) im Sensorbereich (8) an die Oberfläche (9) der optischen Schicht (3) geführt ist.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (7) in der optischen Schicht (3) durch einen Mehrphotonenabsorptionsprozess strukturiert ist.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Empfänger (5) verbundene Auswerteinheit (6) in der optischen Schicht (3) eingebettet ist.
4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) in der optischen
Schicht (3) eingebettet ist.
5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (5) in der optischen Schicht
(3) eingebettet ist.
6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (7) im Sensorbereich
(8) eine verbreiterte Struktur (7A) aufweist.
7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (7) im Sensorbereich (8) eine aufgesplittete Struktur, mit mehreren Wellenleiter-Zweigen (7B), aufweist.
8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (7) im Sensorbereich (8)' eine wellenförmig gekrümmte Struktur (7C) , mit mehreren an die Oberfläche grenzenden Bögen (7D), aufweist.
9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (7) im Sensorbereich (8) eine abgeflachte Struktur (7E), beispielsweise eine im Querschnitt halbkreisförmige Struktur, aufweist.
10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Schicht (3) ein glasartiges organisch-anorganisches Hybridpolymer aufweist.
11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Schicht (3) zumindest im Sensorbereich (8) elastisch nachgiebig ist.
12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, gegebenenfalls einander kreuzende Lichtwellenleiter (7), gegebenenfalls unter Bildung einer Matrixanordnung von Sensorbereichen (8), in der optischen Schicht (3) strukturiert sind.
13. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Sensorbereichs oder der Sensorbereiche (8) eine Markierung oder ein Display vorgesehen ist.
14. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Lichtwellenleiters
(7) im Sensorbereich (8) vorgegebene Rezeptoren (12) verankert sind, die zur Bindung eines zu defektierenden Analyten (13) eingerichtet sind.
15. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest oberhalb des Teils des Lichtwellenleiters (7), der an die Oberfläche (9) der optischen Schicht (3) geführt ist, ein Medium mit einem Analyten (14) vorgesehen ist, der nicht für alle Wellenlängen des transportierten Lichts transparent ist.
16. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (8) einen bei einem Annähern eines absorbierenden Mediums (11), z.B. eines Fingers oder einer Taster-Folie, die Licht Intensität im Lichtwellenleiter (7) einen ändernden Tastfeldbereich bildet.
17. Leiterplattenelement mit einer optischen Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Substrat (2) ein Leiterplattensubstrat ist.
18. Verfahren zum Herstellen einer optischen Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Substrat (2) , beispielsweise einer Leiterplattenlage, die wenigstens eine Lichtquelle (4) und der wenigstens eine Empfänger (5), vorzugsweise auch eine Auswerteinheit (6), angebracht und im fotopolymerisierbaren Material der optischen Schicht (3) eingegossen werden, wonach der wenigstens eine
Lichtwellenleiter (7) mittels eines Belichtungsprozesses, vorzugsweise durch Mehrphotonenabsorption, in der optischen Schicht (3) strukturiert wird.
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