专利名称：采用模铸技术制造双层光导显微结构的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到的是采用模铸技术制造双层光导显微结构的、根据权利要求1所述的方法和根据权利要求23所述的装置。
随着显微系统技术日益进步，对光导光学显微结构的需求不断增加。迄今为止，光导显微结构、特别是光导LIGA-显微结构，是采用平板印刷方法制造的。
采用X射线深平板印刷法对一个三层抗蚀系统结构化制造的光导显微结构是大家所熟悉的。为此，把一个包括包层、芯层和包层的三层系统焊接，紧接着采用X射线深平板印刷结构化(C.Mueller，J.Mohr采用LIGA-方法制造显微分光计，学科科学周报(Interd iscip linaryScience Review)，1993年，18卷，第3期)。除此之外，在J.Goettert，J.Mohr，C.Mueller的出版物中，LIGA-光导显微结构的示例和可能应用，B.G.Teubner出版社1993年出版，特别是在第222页上对LIGA-显微结构的模铸技术做了说明，在这里使用了单层材料。最后，在这篇文献的227页上指出和说明了制造光导显微结构的方法，这种光导显微结构由三层结构组成，而且采用象在同步加速器中产生的平行X射线结构化。
光谱计组合件(作为光导显微结构的示例)的其他制造方法，由于是采用混合技术制造，在制造和结合技术方面以及在单个组件调整方面都很费事(光栅，耦合纤维用的导向筒和二极管盒)，这样，在制造时人员也高度紧张，而且很贵。
光导显微结构的制造，比如说采用X射线深平板印刷(RTL)制造晶体分光计组合件，由于对X射线源的投资，制造成本很高。而且，采用X射线深平板印刷(RTL)方法制造晶体分光计的时间也比采用模铸方法长。
本发明是基于这个任务，在这方面设法弥补一下。
按照本发明，这个任务可以通过根据权利要求1所说明的方法和根据权利要求23所说明的装置来解决。
在芯层中通过在芯层和包层之间边界层处光的全反射进行光导(B.Anderer，W.Ehrfeld，采用X射线深平板印刷制造带有自动调焦反射光栅的平面波长-多路分配器的基础，1990年3月，卡尔斯鲁厄核研究中心，KfK-报告4702)。用塑料制作的芯层，被折射率较小的、由塑料或者空气组成的包层包围着。采用所建议的方法可以达到，从在部分可以被结构化的包层上的显微结构的芯层中可以比较便宜地制造双层结构的光导显微结构。空气可以作为覆盖护层。对于没有壳体的光学部件，可以不用空气，为了保护免受环境影响，可以涂上另外一层作为覆盖护层。建议的方法可以以不同方式实施。在下面的分两步热成形、双层热成形和反应浇铸中对这些实施作了说明。
在采用分两步热成形时，首先，借助于一个阳模通过真空热成形对芯层显微结构化。在这里，或是在所希望的厚度中，或是根据与模铸模具预先规定型腔相适合的注入量，出现暂时没有结构化的芯层。在芯层真空热成形之后，包层焊到芯层上，这是通过把芯层和包层的塑料加热到临界温度附近的温度(在采用非晶形聚合物时＝玻璃临界温度)，然后压合在一起。
在采用双层热成形时，首先，把芯层和包层结合成没有结构化的薄膜堆，然后调节所希望的薄膜厚度并且紧接着焊接薄膜。最后，薄膜堆在一个真空加热成形机中这样结构化，即至少芯层具有所希望的显微结构。包层同芯层的焊接也可以在加热成形中进行。
在采用反应浇铸时，通过单体-聚合混合物在型腔中的聚合作用来制造芯层。通过此可以达到把型腔完全装满，紧接着将芯层与包层焊接在一起。
在制造方法中的另一选择是，包层同芯层的结合不是通过焊接，而是采用包层直接在芯层上反应浇铸(没有结构化的或者已结构化的)来实现。然而，在采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为包层和PMMA-共聚物作为芯层的情况下，包层在芯层上聚合作用期间，包层材料的单体渗入到芯层中，这样，在边界层处，芯层的光学和机械特性都有所改变。比如说，这会导致在芯层中出现应力裂纹，这会使光学显微结构不能使用。因此，只有在使用在芯层材料的影响下可阻止包层材料渗入的配对材料时，包层才能对芯层进行聚合作用。原则上说，所有透明塑料、特别是聚碳酸酯(PC)和其共聚物以及聚烯烃的共聚物(COC)都是另外可以使用的材料。
在从属权利要求中对本发明其它合适的和具有优越性的构造做了说明。
作为示例，在附图中以示意图的形式示出了本发明的实施例并且在下面进行了详细说明。附图中
图1由一个带有附件的阴模组成的装置，图2一个具有一个阴模、一个阳模、在这之间放入了芯层的装置，图3热成形之后的芯层状态，图4放入型腔中的芯层以及阴模和阳模，在这之间放入了包层，图5把包层焊接到芯层之后的工艺状态，图6模铸之后的光导结构。
借助于图1至图6详细介绍了本发明的方法和装置。作为光导显微结构的示例，选择了晶体分光计组合件，它是采用作为阴模10的LIGA-造型部件进行模铸的。
首先，芯层30和包层40分开作为薄膜聚合化以及薄膜模压，或者从颗粒中挤压出并且模铸。为了准备模铸，薄膜30和40按其额定尺寸加工。为了制造晶体分光计，在模铸之前，芯层30厚度为5至2000μm，包层40厚度为7至5000μm。为了使晶体分光计组合件与多模光导纤维相耦合，芯层厚度为50至110μm，最好为80μm，包层厚度最好为400至1000μm的。芯层30由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)组成，PMMA是用MMA和引发剂制造的。包层40由70-80％的MMA和20-30％的TFPMA-共聚物、PMMA的氟化共聚物和引发剂组成。引发剂是使材料起聚合作用的。原则上，芯层30和包层40也可以使用其它材料，比如说，透明的塑料、特别是聚碳酸酯(PC)或者共聚物或者聚烯烃的共聚物(COC)，但是，在芯层30或者模压的芯层35和包层40或者模压的包层45之间在折射率方面存在着差别，在接缝处形成了一个边界层50，在这里，在模压芯层35中折射率很高的光被反射。对于芯层30或者模压的芯层35来说，在波长为590nm、折射率n＝1.49时，对于包层40或者模压的包层45来说，n＝1.467。在通过抛光铣削或者热压对薄膜加工之后，芯层30通过真空热成形来显微结构化。用于真空热成形的装置由至少一个可以具有显微结构的阴模10和一个具有显微结构的阳模20组成。阴模10常常也作成装有造型部件的模板10的。在晶体分光计组合件的情况下，使用由镍或者镍合金、例如电镀制作的硬阴模10或者造型部件10的。
镍造型部件的硬度至少是200HV(0.1)，在第一次造型之前的硬度，镍是350HV(0.1)，镍合金至少是400HV(0.1)。这些阴模10或者造型部件10采用LIGA-方法制造。然而，也可以使用由黄铜或者铝合金机械制造的造型部件。造型部件10具有1个或者多个型腔15，有利的是这些型腔到造型部件端面具有锐利的棱边。造型部件的平直度比50μm的翘曲要好。
作为阳模20，采用由具有15至45HV(0.1)维氏硬度的软化退火的铝或者铝合金制成的软阳模20比较好。同样，由弹性体、例如EPDM(乙烯-丙烯-二烯-弹性体)制成的阳模20和由硅、橡胶或者硅有机橡胶制成的软阳模20都适用。另外一种有利的阳模20的结构是采用聚酰亚胺薄膜(Kapton)或者氟塑料薄膜来作为备件(代用品)或者阳模材料的附加覆盖护层或者涂层。根据要模铸的结构，阳模由弹性体或者堆叠结构(Stapelaufbau)组成，这个堆叠结构是，底下从金属阳模开始，然后紧跟着的是比如说由铝合金或者硅有机橡胶制成的上模板21，最后是用聚酰亚胺薄膜或者是用四氟乙烯塑料涂层封闭阳模表面25。在一定的结构中，可以使用由硅、橡胶或者EPDM-弹性体制作的上模板21来代替硅有机橡胶。然而，对于芯层和包层结构化起决定作用的是，它们不同聚酰亚胺或者氟塑料薄膜和涂层结合。为了在使用金属阳模时造型部件的棱边不会提早就钝了，薄膜或者涂层的厚度应该比型腔15的深度和模压的芯层35的厚度之差要大。
在本方法的特殊实施形式即双层热成形中，在这里芯层和包层已经接缝或者只是松弛着相互放在一起，包层40与芯层30热成形用的阳模20是等同的。在这里，没有向作为阳模20的包层上覆盖薄膜和涂层，这样，包层40最晚在成形时就与芯层30结合了。
由PMMA制作的芯层30在5和100kN之间的成形力和105和260℃之间的成形温度下成形。对于光谱计组合件来说，在176℃时的最佳成形力是45kN，但是，这取决于机器。在真空下成形可以取得充模特别好的结果。在采用这些工艺参数中，借助于一个在热成形时压向造型部件端面的软阳模20将芯层压入型腔中并且达到了最小的剩余层厚，它作为0至大约50μm厚的没有结构化的层留在模具端面处。使用具有一层75μm厚的聚酰亚胺(Kapton)薄膜作为具有分离层性能的阳模表面25、硬度为30HV(0.1)的软化退火的纯铝阳模20是具有优越性的。如果正确选择成形参数，在型腔的边缘处的剩余层厚就比较小，这样在光导纤维与模铸的光学显微结构耦合时光损失就小。特别是在采用比较大的型腔的显微结构时，通过使芯层30以分成块的形式使其层厚和侧面尺寸与造型部件10要填充的型腔15的体积相匹配，会达到大约0μm的剩余层厚。对于一般种类的显微结构，通过将芯层30的厚度小于造型部件10中型腔15的深度，可以达到较小的剩余层厚。
为了应用，在包层厚度为7至5000μm时，芯层和型腔深度在5和200μm之间是最理想的。对于用于多模-部件的光学显微结构，芯层厚度为50至100μm，型腔深度为80至120μm和包层厚度在490μm以下，证明效果比较好。
在芯层30热成形之后，模压的芯层35暂时留在造型部件的型腔中，把包层40焊接到模压的芯层35上。焊接同样可以在真空下进行，在这里，模压的芯层35和包层40加热到80至230℃温度上，在成形力为0.1至50kN时焊接。在晶体分光计的情况下，焊接的有利参数是138℃和450N，紧接着，由模压的芯层35和模压的包层45组成的双层结构的晶体分光计组合件从造型部件10中取出来。其他光导显微结构也可以与此相似的方式模铸。但是，模铸和焊接参数必须与相应的显微结构的几何尺寸相匹配。
在热成形和焊接之后，光导结构有一个阶梯。这个阶梯是在已结构化的范围和没有结构化的范围之间产生的。芯层位于已结构化的范围内，根据采用的方法，可能情况下也有一部分包层位于已结构化的范围。阶梯的高度与内径的尺寸或者内径与光导纤维的一般壁厚的总和尺寸相适应。在最好的情况下，芯层通入到光导纤维的内径(芯)中，包层的结构化范围被光导纤维的壁厚覆盖。这样，型腔15的深度就会成功地小于或者等于模压的芯层35。
权利要求书按照条约第19条的修改1.一种制造最少具有两层、最少有一层芯层(30)和最少有一层包层(40)的显微结构的方法，在这里，借助于一个由至少具有一个型腔(15)的阴模(10)和一个阳模(20)组成的模具把芯层(30)放入型腔(15)中并且与包层(40)相结合，其特征是，阳模(20)的材料比阴模(10)的材料软，这样，在成型时阳模至少有一部分可以压入阴模(10)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，a)首先把芯层(30)放到阳模(20)上，接着，阴模(10)、芯层(30)和阳模(20)放到其各自的特殊的成形温度上，在下一步中，芯层(30)通过阳模(20)压入阴模的一个型腔或者数个型腔(15)中，在这时，阳模(20)这样成形，即芯层(30)完全压到型腔(15)的底板上，同时，芯层(30)被结构化成为模压的芯层(35)，接着放入包层(40)，把模压的芯层(35)、包层(40)、阴模(10)和阳模(20)放到其特定焊接温度上，最后，芯层(35)和包层(40)压合在一起，这样，至少模压的芯层(35)具有与阴模(10)的型腔(15)的构形相同的结构，或者b)把芯层(30)和包层(40)结合成没有结构化的层堆(30，40)，然后，层堆(30，40)用阴模(10)和阳模(20)这样结构化，在这里，至少模压的芯层(35)具有象阴模(10)的型腔(15)的构形那样的所希望的结构，或者
c)在型腔中采用化学反应来制造模压的芯层(35)，紧接着把模压的芯层(35)同包层(40)要这样焊接，即至少模压的芯层(权利要求
1.一种制造最少具有两层、最少有一层芯层(30)和最少有一层包层(40)的显微结构的方法，其特征是，借助于一个由至少具有一个型腔(15)的阴模(10)和一个阳模(20)组成的模具把芯层(30)放入型腔(15)中并且与包层(40)结合在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，a)首先把芯层(30)放到阳模(20)上，接着，阴模(10)、芯层(30)和阳模(20)放到其各自的特殊的成形温度上，在下一步中，芯层(30)通过阳模(2 )压入阴模的一个型腔或者数个型腔(15)中，在这时，阳模(20)这样成形，即芯层(30)完全压到型腔(15)的底板上，同时，芯层(30)被结构化成为模压的芯层(35)，接着放入包层(40)，把模压的芯层(35)、包层(40)、阴模(10)和阳模(20)放到其特定焊接温度上，最后，芯层(35)和包层(40)压合在一起，这样，至少模压的芯层(35)具有与阴模(10)的型腔(15)的构形相同的结构，或者b)把芯层(30)和包层(40)结合成没有结构化的层堆(30，40)，然后，层堆(30，40)用阴模(10)和阳模(20)这样结构化，在这里，至少模压的芯层(35)具有象阴模(10)的型腔(15)的构形那样的所希望的结构，或者c)在型腔中采用化学反应来制造模压的芯层(35)，紧接着把模压的芯层(35)同包层(40)要这样焊接，即至少模压的芯层(35)具有象阴模(10)的型腔(15)的构形那样的所希望的结构，或者d)模压的芯层(35)被结构化，紧接着通过化学反应产生包层(40)和/或者把包层这样放到芯层上，即至少模压的芯层(35)具有象阴模(10)的型腔(15)的构形那样的所希望的结构。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征是，具有光学或者光导特性的显微结构，特别是LIGA-显微结构，在真空中制造。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其用来制造用于多模-技术或者晶体分光计组合件零件。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征是，显微结构包含有一层保护层或者配有一个壳体。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征是，芯层(30)的厚度比型腔(15)的深度小或者相同。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征是，型腔(15)的体积至少相当于芯层(30)的体积或者大一些。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征是，至少一件的芯层(30)放入至少一个的型腔(15)中。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征是，芯层(30)具有的厚度和型腔(15)具有的深度为5至2000μm，而包层(40)的厚度为7至5000μm。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法的应用，其特征是，a)在制造用于多模用途的，具有直径大约125μm的多模光导纤维的光学显微结构时，芯层(30)的厚度为50至110μm，型腔(15)的深度为80至120μm，包层(40)的厚度为10至490μm，或者b)在制造用于任何光学纤维的光学显微结构时，模压芯层(35)的厚度要能同光学纤维的芯子直径相对比，模压包层(45)的结构化范围(41)的高度要能同光学纤维的包皮厚度相对比。
11.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征是，芯层(30)在成形力为5至100kN和玻璃临界温度与最高压铸温度之间的温度下，对于PMMA来说，在105和260摄氏度之间的温度下成形，包层(40)在焊接力为0.1至50kN和软化温度与通常的压铸温度之间的温度下，对于PMMA-共聚物来说，在80和230℃之间的温度下成形。
12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征是，在制造用于多模的光学显微结构时，芯层(30)在成形力为20至100kN和160与180℃之间的温度下成形，包层(40)在焊接力为0.1至20kN及130和150C之间的温度下成形。
13.根据权利要求1至12之一所述的方法的应用，其特征是，用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制造芯层(30)和用氟化的共聚物(由70至80％的MMA和20至30％的TFPMA-共聚物组成)制造包层(40)。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其特征是，用透明塑料、特别是聚碳酸酯和/或者其共聚物和/或者聚烯烃的共聚物制造芯层(30)和包层(40)。
15.根据权利要求1至14之一所述的方法，其特征是，阴模(10)由至少具有200HV(0.1)维氏硬度的镍或者镍合金组成。
16.根据权利要求1至15之一所述的方法，其特征是，阴模(10)到型腔(15)具有尖锐的棱边。
17.根据权利要求1至16之一所述的方法，其特征是，采用由具有15至45HV(0.1)维氏硬度的软化退火的铝或者铝合金制成的阳模(20)或者阳模(20)的上模板(21)。
18.根据权利要求1至17之一所述的方法，其特征是，采用由弹性体、EPDM(乙烯-丙烯-二烯-弹性体)、硅、橡胶或者硅有机橡胶制成的阳模(20)或者其的上模板(21)，它们不与模压的芯层和包层(35，45)结合。
19.根据权利要求1至18之一所述的方法，其特征是，采用由聚酰亚胺或者氟塑料(聚酰亚胺或者氟塑料薄膜或者涂层)制成的阳模(20)或者阳模(20)的上模板(21)(或者阳模的阳模表面(25))，它们不与芯层和包层结合。
20.根据权利要求1至19之一所述的方法，其特征是，用于芯层成形的阳模(20)或者阳模(20)的上模板(21)有一层包层材料，用于包层(40)成形的阳模的下部分(22)，采用由其它材料制作，这样，在包层成形时可与模压的芯层(35)结合。
21.根据权利要求1至20之一所述的方法，其特征是，形成一个阶梯(70)，一方面是通过模压的芯层(35)或者通过模压的芯层(35)和包层的部分(41)，另一方面是通过模压的包层(45)或者包层的剩余部分(42)，该阶梯高度大于或者等于模压芯层(35)的厚度，或者阶梯高度相当于内径加上光导纤维的一般厚度的总和，这样，在模压的包层(45或者42)的阶梯(70)上至少耦合一个光学纤维。
22.根据权利要求1至21之一所述的方法，其特征是，作为用于包层(40)成形的阳模(20)采用了可与模压的包层(45)相结合而且可形成光导结构基质的材料。
23.实施根据权利要求1至22之一所述方法的装置，其特征是，该装置具有一个至少有一个型腔(15)的阴模(10)和一个至少单层的阳模(20)。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征是，芯层(30)的厚度小于或者等于型腔(15)的深度。
25.根据权利要求23或者24所述的装置，其特征是，阴模(10)由至少具有200HV(0.1)维氏硬度的镍或者镍合金制成，阴模(10)到型腔(15)具有尖锐的棱边。
26.根据权利要求23至25之一所述的装置，其特征是，阳模(20)和阳模的上模板(21)由具有15至45HV(0.1)维氏硬度的软化退火的铝(或者铝合金)制成。
27.根据权利要求23至26之一所述的装置，其特征是，阳模(20)和阳模的上模板(21)由弹性体、EPDM(乙烯-丙烯-二烯-弹性体)、硅、橡胶或者硅有机橡胶制成，它们不与模压的芯层和包层(35，45)结合。
28.根据权利要求23至27之一所述的装置，其特征是，阳模(20)和阳模的上模板(21)(或者阳模的阳模表面(25))由聚酰亚胺或者氟塑料(或者由聚酰亚胺或者氟塑料薄膜或者涂层)制成。
29.根据权利要求23至28之一所述的装置，其特征是，用于模压的芯层(35)成形的阳模或者阳模的上模板(21)有一层包层材料，用于包层成形的、阳模的下部分(22)由其它材料制成，这样，在成形时模压的包层(45)可与芯层结合。
30.根据权利要求23至29之一所述的装置，其特征是，作为用于包层(40)成形的阳模(20)，使用可与模压的包层(45)相结合而且可形成光导结构基质的材料。
全文摘要
本发明涉及一种制造最少具有两层、最少有一层芯层和最少有一层包层的显微结构的方法。借助于一个由至少具有一个型腔的硬阴模和一个至少单层的软阳模组成的模具,把芯层放入型腔中并且与包层结合在一起。
文档编号B32B3/30GK1179127SQ96192761
公开日1998年4月15日 申请日期1996年3月29日 优先权日1996年3月29日
发明者罗伯特·鲁普雷希特, 克拉斯·米勒 申请人:卡尔斯鲁厄研究中心有限公司