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.