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Bragg-Drucksensor in Silikon

Lichtwellenleiter, meist in Form von Glasfasern, sind ein bewährtes Mittel, um optische Sensoren und andere Bauteile mit den für die Funktion notwendigen Lichtsignalen zu versorgen. Hier stellen wir eine Möglichkeit vor, Lichtwellenleiter direkt mit einem Silikonelement zu verbinden, in das durch Laserbearbeitung Strukturen eingeschrieben werden. Dieses derart kompakt an die Glasfaser angeschlossene Silikonelement kann diverse Funktionen als Sensor oder Bauteil übernehmen.

Problemstellung

Optische Bauteile und Sensoren werden inzwischen vielfältig eingesetzt und besitzen herausragende Eigenschaften. Dabei wird das notwendige Licht meist über einen Lichtwellenleiter zugeführt. Die eigentliche Funktion erfolgt dann jedoch in einem separaten Element ('Lab-on-a-chip'). Das Licht muss in dieses ausgekoppelt werden, was Präzision und zusätzliche Koppeloptiken erfordert und somit die Größe des Lichtleiters deutlich übersteigt.
Alternativ ist es auch möglich den Lichtleiter selbst als Sensor zu nutzen ('Lab-in-a-fiber'), der somit insgesamt deutlich kleiner sein kann. Dies geht etwa mit Hilfe von Faser-Bragg-Gittern, die in den Lichtwellenleiter eingeschrieben werden. Detektierbar sind dann bspw. Temperaturänderungen oder die Dehnung der Faser. Dennoch sind auch bei diesem Vorgehen meist zusätzliche mechanische Teile notwendig.

Unsere Lösung

Mit Hilfe von Ultrakurzpuls- oder UV-Lasern lassen sich Wellenleiter in Silikon schreiben und in diesen wiederum Faser-Bragg-Gitter erzeugen. Auf diese Weise kann direkt an das Ende eines Lichtwellenleiters ein Silikonelement angeschlossen werden. Die Notwendigkeit zusätzlicher Koppelelemente entfällt. Das Silikonelement kann dann weitere Komponenten wie mikrofluidische Kammern enthalten oder aber es werden die herausragenden elastischen Eigenschaften des Silikons genutzt um mit Hilfe der Faser-Bragg-Gitter auch kleinste Druckänderung sowohl quer als auch längs zur Faser zu messen.


Die Abbildung zeigt drei exemplarische Umsetzungen:

     (i) Drucksensor am Faserende: Auch kleine Druckunterschiede messbar.
     (ii) Evaneszentfeld-Sensor: Molekulare Analytik des Mediums an der Oberfläche des Sensors.
     (iii) Mikrofluidische Kanäle für spezielle Zwecke.

Vorteile

  • Verbindung zwischen Silikonelement und Lichtwellenleiter muss nicht justiert werden und benötigt keine zusätzliche Koppeloptik
  • Günstige Herstellung
  • Reduzierung der Systemkosten
  • Höhere Empfindlichkeit für bestimmte Messungen, etwa Drucksensor

Anwendungsbereiche

  • Optische Sensoren
  • Optoelektronische Bauelemente
  • Mikrofluidikkomponenten
  • Biosensoren
  • Drucksensor bspw. für die Chirurgie
  • Kraftsensor für Dehnungs- und Kompressionskräfte im Mikrokraft-Bereich

Entwicklungsstand

Laserbasierte Modifikation von Silikon wurde demonstriert. Periodische Strukturen in Silikon wurden erzeugt.

 

Patentsituation

Deutsches Patent erteilt: DE102014010402B4

Patentinhaber: Laser-Laboratorium Göttingen e.V.

Kontakt

Dr. Tilmann Götze
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: tgoetze(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: CPA-1864-LLG
www.sciencebridge.de

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