发明内容

本发明的目的是提供一种包括导电层的光波导，其尤其是在制造和质量方面是最佳的。本发明的目的的一方面是，尤其是在通常用于光波导的聚合物护套上提供导电涂层，其中需要考虑其通常的耐低温性。

本发明的目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求限定了本发明有利的实施例。

提供了一种光-电导体组件，其包括具有外有机护套层的光波导。在外护套层上布置功能层系统，其包括基层部分和施加在基层部分上的导电层。基层部分可以由单层或一系列层组成。导电层也可以由单层或一系列层组成。

除了光传输外，其还能够传输电信号。此外，还可以监控光纤断裂或检测光纤损坏(安全功能)。另外，例如如果激光被反射回去，则可以对光纤起到保护作用。

可以以不同的方式配置功能层系统位于其外护套层上的光波导，如本领域技术人员已知的。光波导通常包括至少一个导光芯，导光芯优选地由玻璃、特别是石英玻璃制成，电磁辐射、例如激光的电磁辐射可以耦合到导光芯中。芯可以由位于芯和外护套层之间的包层直接包围。包层也可以由石英玻璃制成。在此情况下，内芯的折射率大于包层的折射率。芯的直径优选地为10至600μm，包层的直径通常为芯直径的1.1至1.5倍，护套层的壁厚优选地为1至100μm。还可以规定，内芯由外护套层直接包围。在此情况下，芯的折射率大于护套层的折射率。

在一实施例中，还可以规定，功能层系统直接位于导光芯上。在该实施例中，光波导因此不包括外护套层。换句话说，例如可以提供纯石英玻璃光纤，其中功能层直接施加在其上并且特别是可以通过最终的聚合物层来完成。

包围芯的有机护套层(其也可以为涂料形式)优选地包括聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或蜡、蜡状组分或烷基硅烷，或由这些材料的至少一种制成。

根据本发明，位于护套层上的功能层系统包括位于导电层下的基层部分。基层部分可以配置为施加在外护套层上的层，该层具有氧化物(特别是SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、SnO₂、HfO₂)、或硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、碳氮化物或金属(特别是Si、Ti、Mo或Cr)；或施加在外护套层上的一系列这样的层。换句话说，外护套层可以涂覆形成基层部分的单层或多层。这样的层或层顺序可以通过涂覆方法可产生或产生，如将在下面进一步详细说明的。基层部分可以尤其是配置为基于氧化物(例如SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、SnO₂、HfO₂等)、硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、碳氮化物或金属(如Si、Ti、Mo或Cr)的无机粘附促进层，或由这些材料制成的单层或层顺序。优选的层系统包括TiO₂。换句话说，基层部分优选地包含TiO₂并且尤其是包括若干层，这些层中的至少一层包含TiO₂。这些涂层尤其是可以由所谓的溅射靶材通过溅射法来施加，其中这些材料可以以金属靶材或半陶瓷的靶材存在。靶材的纯度通常规定为99％以上。然而，较低的纯度也是可能的。在后一种情况下，可能要求更厚的层厚度。

根据另一实施例，基层部分可以包括外护套层的表面层，其具有至少一个改变的表面性质、特别是增加的表面能和/或增加的氧自由基数量。护套层的这种表面层可以通过化学或物理方法改变护套层的表面性质可产生或产生，特别是通过等离子体处理(例如低压等离子体或大气等离子体)、UV处理、电弧放电(电晕)和/或通过化学处理(例如通过超声浴中的碱性清洁剂)或通过这些方法的组合，如将在下面进一步详细说明的。换句话说，基层部分或基层部分的最下层可以由包括外表面的外护套层的径向部分形成。因此，基层部分例如可以由单层组成，其中，就表面性质而言，该单层基于光波导的外护套层由化学或物理方法形成。然而，基层部分也可以由一系列层组成，其中，就表面性质而言，基层部分的最下层基于光波导的外护套层由化学或物理方法形成，并且在最下层上施加其他层。

因此，还可以规定，基层部分由若干层组成，其中最下层为外护套层的表面层的形式，并且在其上的基层部分的至少另一层为施加在外护套层上的层的形式。这样的多层基层部分例如可以通过以下方式可生产或生产：首先对护套层进行至少部分地处理，例如通过等离子体处理、UV处理、电弧放电和/或通过化学处理，然后采用涂覆方法涂覆外护套层。一方面，处理增加了表面能，另一方面，优选地产生了游离的氧自由基，游离的氧自由基确保了后续涂层良好的粘附性。优选地在光纤的整个表面、即光波导的具有护套层的表面上进行处理。可以将其他层施加在通过涂覆方法施加的层上。

基层部分的厚度优选地在5nm至3000nm之间、更优选地5nm至1000nm之间、特别优选地10nm至100nm之间。此外，基层部分的各层可以分别具有在5nm与1000nm之间、优选地10nm与100nm之间的厚度。例如，可以提供至少两层的基层部分，下层为外护套层的表面层的形式，并且在其上施加厚度在5nm至1000nm之间、优选地10nm至100nm之间的层。与导电层的热膨胀系数相比，可以根据待涂覆的光波导或其外聚合物层的热膨胀系数来确定层厚度。

基层部分可以尤其是为粘附促进层的形式。因此，可以规定，基层部分和施加在其上的导电层之间的粘附性比外护套层和施加在其上的相同的导电层之间的粘附性更大。例如，如果根据ASTM F 2252/Sun Chemical-Hartmann PV 01进行所谓的胶带测试(印刷油墨粘附性)，可以得到良好的粘附性结果。在该测试中，将胶带施加至涂覆的光纤并以限定的角度均匀剥离。如果胶带剥离后其上没有涂层并且涂层没有层离，则认为测试已通过。也可以根据DIN 58196-6(1995-07)通过粘附性测试来检查粘附性。换句话说，在导电层、特别是导电层的最下层与位于其下方的基层部分的最上层之间可以存在增加的粘附性，基层部分可以配置为具有增加的表面能和/或增加的氧自由基数量的外护套层的表面层或通过涂覆施加在护套层上的层。基层部分也可以由多层组成，其中，施加在最下层上的至少一层或每层对位于其下的层的粘附性比该层与位于其下的层的粘附性更好。

此外，基层部分可以为阻挡层的形式。因此，可以规定，通过涂覆施加在外护套层上的基层部分、特别是基层部分的至少一层抑制或阻止聚合物成分、例如酸和/或氧并且特别是酸性或碱性溶液的离子扩散进入导电层中。因此，基层部分可以延迟或防止例如酸、氧或空气的其他成分渗透到导电层的下表面中。特别处理对医疗产品时，可以使用碱性清洁剂或消毒剂(例如pH约11的NEODISHER)。此外，可以使用洗涤剂次氯酸钠(NaClO)，其是漂白剂或消毒剂。

基层部分的热膨胀系数优选地在护套层的热膨胀系数和导电层的热膨胀系数之间。例如，对于护套层给定的热膨胀系数(CTE)，其可以在>15*E-6 1/K的范围，可以根据所使用的导电层选择基层的性质。例如，如果钼涂层用作导电层，其通常具有5-6*E-6 1/K的CTE，则可以选择具有更高CTE的基层部分。作为示例可以使用CTE为7-8*E-6 1/K的TiO₂涂层。优选地可以规定，护套层的热膨胀系数大于基层部分的热膨胀系数。此外，可以规定，基层部分的热膨胀系数大于或等于导电层的热膨胀系数。在多层基层部分的情况下，这适用于其至少一层。此外，可以规定，基层部分包括一系列层，其每一层的热膨胀系数根据层顺序增加或减小。通过成分的准连续变化也可以实现热膨胀系数(CTE)的梯度。与导电层的热膨胀系数相比，可以根据待涂覆的光波导或其外聚合物层的热膨胀系数来确定基层部分的材料的选择。

施加在基层部分上的导电层优选地包括这样的层，该层具有钛、硅(可选地掺杂有n-或p-导电掺杂剂以增加其固有的导电性)、铝、金、银、钼、钨、锆，特别是这些物质中的任一种与Ni、Zn、Y、Sn、Ge的合金，或包括一系列这样的层。已经证明Ti和Mo是特别优选的。因此，例如具有钼或由钼制成的层是特别优选的。换句话说，导电层可以由单层或一系列层组成，其中至少一层由钛、(掺杂的)硅、铝、金、银、钼、钨、锆或至少一种上述导体物质的合金、Ni及其合金、Zn、Y、Sn、Ge制成。这样的层或层顺序可以例如通过涂覆方法可生产或产生，如将在下面进一步详细说明的。

施加在基层部分上的导电层也可以包括Ag、Cu、Cr、Ni、ITO或由其组成，但在医疗技术领域，必须遵守生物相容性和细胞毒性(ISO 10993-5：2009)的要求。

导电层的厚度优选地在5nm至6000nm之间、更优选地5nm至2000nm之间、特别优选地10nm至200nm之间。此外，导电层的至少一层或每一层的厚度可以在5nm至2000nm之间、优选地10nm至200nm之间。可以根据要实现的电阻或薄层电阻来确定层厚度，其中在一定层厚度范围内的薄层电阻与导电层的层厚度成反比。至少5nm的层厚度具有这样的优点，即避免了岛效应(仅局部涂覆)的风险并且因此形成了连续的层。在岛效应的情况下，由于导电“岛”周围的绝缘区域而导致不均匀的导电性。然而，如果必要，至少3nm的层厚度也可以足够的。

导电层的薄层电阻优选地在0.01至1000欧姆/平方之间、优选地0.01至100欧姆/平方之间、特别优选地0.01至50欧姆/平方之间(单位欧姆/平方对应于单位欧姆)。薄层电阻理解为是指电阻率除以层厚度。例如，以下适用于电阻率：Ti：8E-5欧姆·厘米；Si：2欧姆·厘米；Au：6E-8欧姆·厘米；Ag：1E-5欧姆·厘米；Mo：4.9E-5欧姆·厘米。200nm薄的Ti涂层的薄层电阻为3.9欧姆/平方。由此得出的电阻率为7.8*E-5欧姆·厘米。

除基层部分和导电层外，功能层系统还可以包括施加在导电层上的阻挡层(钝化层)，其中阻挡层可以由单层或一系列层组成。阻挡层配置为抑制或阻止氧和/或酸/碱、特别是酸性或碱性溶液的离子扩散到导电层中。特别是在处理医疗产品时，有时使用碱性清洁剂(例如pH约11的NEODISHER)。也可以使用洗涤剂次氯酸钠(NaClO)，其是漂白剂或消毒剂。因此，阻挡层能够延迟或防止例如酸、氧或空气的其他成分渗透到导电层的上表面中。此外，阻挡层能够确保减少对导电层或光纤的机械冲击，进而形成机械保护膜。结合相应的基层部分，因此可以使导电层在两侧上免于不期望的扩散。因此，一实施例涉及一种光-电导体组件，其包括：

-具有外有机护套层的光波导；

-位于光波导的外护套层上的功能层系统，其具有

-由单层或一系列层组成的基层部分，其配置为或包括外护套层的具有至少一个改变的表面性质的表面层；和

-施加在基层部分上由单层或一系列层组成的导电层；

-以及施加在导电层上由单层或一系列层组成的阻挡层，其中阻挡层配置为抑制氧和/或酸性或碱性溶液的离子扩散到导电层中；

或/和包括在基层部分中的层，其配置为抑制聚合物成分、氧和/或酸性或碱性溶液的离子扩散到导电层中。

因此，一实施例包括施加在导电层上的阻挡层和/或包括在基层部分中的阻挡层，其尤其是配置为抑制氧、酸性或碱性溶液的离子和/或聚合物成分扩散到导电层中。

根据测试标准DIN EN ISO 14577-4：2007-8，阻挡层或阻挡层的至少一层优选地具有至少800HV、优选地至少1200HV、特别优选地至少2000HV的硬度。因此，阻挡层还可以配置为导电层、特别是金属层的机械保护层，和/或配置为光波导或护套层(缓冲材料)的保护。特别地，由例如碳化物或氮化物制成的硬质材料由于其高的硬度是保护性的，例如AlN：HV高达约2000；Si₃N₄：HV高达约2500。

阻挡层优选地包括施加在导电层上的这样的层，该层包括氮化物，特别是Si₃N₄、BN、AlN、TiN、AlSiN、SiON、SiAlON或这些物质中的任一种的合金；或者包括氧化物，特别是Si、Al、Ti、Zr、Zn、Sn、Ta、Nb、Y的氧化物或这些物质的至少一种的三元体系；或包括碳化物、硼化物、氮氧化物、碳氮化物，或包括施加在导电层上的一系列这样的层。包括TiO₂、TiN、Si₃N₄或SiO₂的层是特别合适的。由于上述CTE关系，具有与导电层的CTE相当的CTE的阻挡层是优选的。换句话说，阻挡层的热膨胀系数可以对应于导电层的热膨胀系数的0.5至2倍、优选地0.75至1.25倍。此外，阻挡层也可以由单层或一系列层组成。优选地，阻挡层的至少一层由氮化物如Si₃N₄、BN、AlN、TiN、AlSiN或上述任一种氮化物的合金制成。这样的层特别适于抑制空气中的氧的扩散，并且具有相对硬的优点。此外，至少一层、特别是另一层优选地由氧化物制成，特别是由Si、Al、Ti、Zr、Zn、Sn、Ta、Nb的氧化物或这些物质的至少一种的三元体系制成。这样的层尤其是形成对酸良好的屏障。对于层中的一层、优选地另一层，可以使用碳化物、硼化物、氮氧化物、碳氮化物。另外，对于阻挡层和/或阻挡层的一层，原则上可以使用也可用于基层部分的材料，这些材料尤其是取决于对这种光-电导体组件/光纤或包括这种光-电导体组件/光纤的构件的化学或大气要求。层或层顺序可以例如通过涂覆方法可生产或产生，如将在下面进一步详细说明的。

基层部分、导电层和/或可选地存在的阻挡层在光波导的轴向方向上至少部分地或部分地延伸。

基层部分可以具有非晶结构，特别是如果基层部分配置为护套层的表面子层。基层部分也可以具有晶体或多晶结构，特别是如果基层部分包括通过涂覆施加的层。导电层和/或可选地存在的阻挡层同样可以具有晶体或多晶结构或可选地还具有非晶结构。为了确保特别好的扩散屏障，对于基层部分和阻挡层，非晶层是优选的。非晶扩散屏障的典型示例是SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、AlSiO_x或BN，晶体阻挡层的典型示例是锐钛矿或金红石TiO₂、γ-Al₂O₃或晶体AlN。特别地，还应该提及非晶态和晶体的混合相。

所述的光-电导体组件可以至少部分地或部分地包括套，也就是说由最终的外护套包围，其中，最终的外护套可以配置为紧紧地或松散地包围组件。可以规定，光-电导体组件的远端部分是剥离的或保留的。因此，套可以沿光-电导体组件的大部分延伸，然而，光-电导体组件的一部分、特别是组件的一端没有套。

本发明还提供了一种用于制造光-电导体组件的方法，其中，提供具有外护套层的光波导，并且用功能层系统涂覆光波导的护套层。用功能层系统涂覆包括首先产生由单层或一系列层组成的基层部分，然后(在基层部分上)施加由单层或一系列层组成的导电层。

一方面，产生基层部分可以包括对光波导的护套层进行预处理，以产生具有至少一个改变的表面性质、特别是具有增加的表面能和/或增加的氧自由基数量的表面层，和/或以去除残留物。另一方面，产生基层部分可以包括(在外护套层上)施加一层或一系列层，其中尤其是使用阴极溅射、高频溅射、反应溅射和/或磁控溅射。除了阴极溅射(喷镀)外，还可以采用其他涂覆方法、特别是真空工艺(例如气相沉积、化学气相沉积(CVD、例如PECVD、尤其是PICVD))。作为施加基层部分的一层或多层的其他涂覆方法，液相法、例如浸涂或喷涂也是可行的。这允许实现附加的功能、例如摩擦系数减小。

为了形成基层部分或例如基层部分的最下层，可以通过化学或物理方法来改变护套层的表面性质而对护套层进行预处理。预处理外护套层、即待涂覆的表面能够是实现良好的层粘附性。特别地，等离子体预处理(低压等离子体或大气等离子体)、电弧放电(电晕)和/或化学预处理(例如在超声浴中使用碱性清洁剂)能够至少暂时产生高的表面能，从而可以显着改善粘附性。等离子也可以用于去除脂肪、油脂或类似的残留物，并且还活化氧自由基。然而，也可以将预处理方法组合。

还可以规定，首先通过对如上所述的光波导的护套层进行预处理来形成基层部分的下层，然后在该下层上施加基层部分的至少另一层，其中尤其是采用上述溅射法(或其他涂覆方法)。特别地，通过该方法步骤产生基层部分，如结合光-电导体组件所述的。

一种方法变型例如涉及一种用于制造光-电导体组件的方法，包括：

-提供具有外护套层的光波导；

-用功能层系统涂覆光波导的护套层，包括：

-产生由单层或一系列层组成的基层部分，包括对护套层进行预处理以产生护套层的具有至少一种改变的表面性质的表面层；

-在基层部分上施加由单层或一系列层组成的导电层；以及

-在导电层上施加由单层或一系列层组成的阻挡层，其中阻挡层配置为抑制氧和/或酸性或碱性溶液的离子扩散到导电层中；

或/和其中，在基层部分中包括的层配置为抑制氧和/或酸性或碱性溶液的离子扩散到导电层中。

因此，该方法的变型涉及产生包括阻挡层的基层部分和/或在导电层上施加阻挡层，阻挡层尤其配置为抑制氧、酸性或碱性溶液的离子和/或聚合物成分扩散到导电层中。

也优选地借助阴极溅射、高频溅射、反应溅射和/或磁控溅射将导电层施加到基层部分。除阴极溅射(喷镀)外，也可以采用其他涂覆方法、特别是真空工艺(例如气相沉积、化学气相沉积(CVD、例如PECVD、尤其是PICVD))。通过该方法步骤，尤其是可以将导电层施加到基层部分，如结合光-电导体组件所述的。

用功能层系统涂覆护套层还可以包括在导电层上施加阻挡层(钝化层)，其中阻挡层可以施加为单层或一系列层，并且为此，尤其是可以使用阴极溅射、高频溅射、反应溅射和/或磁控溅射(或其他涂覆方法，例如上述的真空法或上述的液相法、例如浸涂或喷涂)。阻挡层也可用于减小摩擦系数。通过该方法步骤，尤其是可以将阻挡层施加到导电层，如结合光-电导体组件所述的。

优选地在低于50℃的温度进行所述的涂覆方法、特别是阴极溅射法，通过其可以施加基层部分、导电层和/或阻挡层的层。该相对低的温度具有特别有利的优点，即可以用外聚合物层涂覆光波导。

在真空中且不破坏真空的情况下优选地产生和/或施加至少两层。因此，例如，可以首先在真空中产生基层部分，然后可以在相同的真空中施加导电层。此外，然后可以在相同的真空中施加阻挡层。

本发明还涉及一种特别是用于牙科治疗的医疗技术设备、特别是内窥镜，其包括如上所述的光-电导体组件。这种医疗技术设备可以例如配置为具有光-电导体组件的医疗技术光纤组件，光-电导体组件包括光波导、例如石英光纤，其中光波导涂覆有功能层系统。这种设备可以配置为例如用于内窥镜应用或牙科领域(牙科治疗)中的应用。

本发明还涉及一种特别是用于容器或生物反应器的工业技术设备、特别是用于液位监控设备，其包括如上所述的光-电导体组件。这种工业技术设备可以例如用于工业应用，例如用于容器、生物反应器中的液位传感器或用于安全监控。特别地，可以进行填充液位监控，取决于光纤是否浸入介质中，可以检测和评估阻抗变化。此外，可以进行穿透深度测量，取决于光纤在周围介质中浸入的距离，可以检测和评估阻抗变化。

最后，本发明涉及如上所述的光-电导体组件在工业工程应用、特别是在液位监控或安全监测中的用途。本发明还涉及如上所述的光-电导体组件用于测量光-电导体组件在介质中的穿透深度的用途，通过测量导电层在周围介质中的阻抗进行。导电层的阻抗随周围介质而变化。在此将有效电阻和反应阻抗相加。