Margarita Günther. Anwendung polymerer Funktionsschichten in piezoresistiven chemischen und Feuchtesensoren. TUÜpress

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1 Margarita Günther Anwendung polymerer Funktionsschichten in piezoresistiven chemischen und Feuchtesensoren TUÜpress 2009

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort des Herausgebers Vorwort Abstract Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen IX XI XIII XV I Prinzip, Herstellung, Charakterisierung 1 Einführung Arbeitsgebiet und Motivation Einordnung und Ziele der Arbeit Wirkprinzip piezoresistiver chemischer Sensoren 5 2 Charakterisierung von Polymerschichten Mechanische Eigenschaften Nanoindenter Oberflächenwellen-Methode (SAW) Durchbiegungstest Ultraschallimpulsecho-Messverfahren Bestimmung des E-Moduls mittels AFM Optische Eigenschaften Anisotrope optische Eigenschaften Tiefenaufgelöste Ellipsometrie UV/VIS-Spektroskopie Chemische Zusammensetzung und Struktur Abgeschwächte-Totalreflexions-(ATR)- und Transmissions-/Absorptions- FTIR-Spektroskopie In-situ ATR-FTIR Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) Raman-Spektroskopie Atomkraftmikroskopie (AFM) Wasseraufnahme der Polymerschichten Benetzbarkeit der polymeren Oberflächen Elektrische Leitfähigkeit 23

3 II Piezoresistive Feuchtesensoren 25 3 Funktionsprinzip und Sensitivität 25 4 Polymermodifikation Auswahl der Polymeren für Feuchtesensoren Herstellung und Modifizierung der Polyimidschichten 29 5 Eigenschaftsänderungen durch lonenstrahlmodifizierung Chemische Zusammensetzung und Struktur ATR- und Transmissions-/Absorptions-FTIR-Spektroskopie Photoelektronenspektroskopie (XPS) Raman-Spektroskopie Oberflächenmorphologie Mechanische Eigenschaften Bestimmung der Polymerdichte Optische Eigenschaften Spektroskopische Ellipsometrie UV-Vis-spektroskopische und tiefenaufgelöste ellipsometrische Untersuchung Einfluss der Umgebungsfeuchte Analytische Untersuchung von Sorptionsprozessen Wasseraufnahme der Polymerschichten Benetzungseigenschaften Elektrische Eigenschaften der modifizierten Polymere Langzeitstabilität Schlussfolgerungen 61 6 Eigenschaftsänderungen durch Plasmamodifizierung Herstellung und Modifizierung der Polymerschichten Änderung der chemischen Zusammensetzung Optische Eigenschaften Wasseraufnahme der Polymerschichten Schlussfolgerungen 69 III Piezoresistive chemische Sensoren auf Hydrogelbasis 71 7 Sensoraufbau Funktionsprinzip Sensorkonstraktionen 73

4 7.3 Sensorkalibrierung 75 8 Herstellung und Charakterisierung der Hydrogelschichten Thermisch vernetztes P VA/P AS Chemisch vernetztes PNIPAAm Fotovernetzbare PNIPAAm-Blockcopolymere Materialien Polymercharakterisierung UV-Vernetzung Temperatursensitivität der PNIPAAm-Gele Temperaturabhängigkeit der Sensorausgangsspannung In s/ta-atr-ftir-spektroskopie Inline-Monitoring der temperaturinduzierten Quellung/Entquellung in Wasser Modellierung der Quellung des thermoschrumpfenden Gels Konditionierung der Hydrogelschichten Elastomechanische Eigenschaften der Hydrogele Trockene Proben Gequollene Proben Modifizierung der Geloberfläche durch Plasmabehandlung Herstellung und Modifizierung der Hydrogelschichten Chemische Zusammensetzung und Struktur Optische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Modellierung und Messung der Quellkinetik von Hydrogelen Quellung des trockenen Gels in Wasser Diffusion der chemischen Spezies im Gel Neutrales Gel Polyelektrolytisches Gel Quellung des polyelektrolytischen Gels in Lösung Mechanisches Modell Ermittlung des Diffusionsverhaltens der beweglichen Ionen Anwendungen des Messprinzips Verbesserung der Signalreproduzierbarkeit des chemischen Sensors ph-sensor Sensoren für Schwermetall-Ionenkonzentration 138

5 11.4 Sensoren für Salzkonzentrationen Sensoren für organische Lösungsmittel Rheochemisches Online-Analytik-System Langzeitstabilität der sensorischen Eigenschaften stimulierbarer Hydrogele Schlussfolgerungen Zusammenfassung Modifizierung der Polymerschichten für eine Anwendung in Feuchtesensoren Anwendung stimulierbarer Hydrogelschichten in chemischen Sensoren Ausblick Literaturverzeichnis Anhang Zeitkonstante der Hydrogelquellung Diffusion des Analyten im neutralen Gel Restdeformation in einem Belastungs-/Entlastungsexperiment, berechnet mittels des mechanischen BURGER-Modells 181