Margarita Günther Anwendung polymerer Funktionsschichten in piezoresistiven chemischen und Feuchtesensoren TUÜpress 2009
Inhaltsverzeichnis Vorwort des Herausgebers Vorwort Abstract Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen IX XI XIII XV I Prinzip, Herstellung, Charakterisierung 1 Einführung 1 1.1 Arbeitsgebiet und Motivation 1 1.2 Einordnung und Ziele der Arbeit 3 1.3 Wirkprinzip piezoresistiver chemischer Sensoren 5 2 Charakterisierung von Polymerschichten 7 2.1 Mechanische Eigenschaften 8 2.1.1 Nanoindenter 8 2.1.2 Oberflächenwellen-Methode (SAW) 9 2.1.3 Durchbiegungstest 10 2.1.4 Ultraschallimpulsecho-Messverfahren 12 2.1.5 Bestimmung des E-Moduls mittels AFM 13 2.2 Optische Eigenschaften 14 2.2.1 Anisotrope optische Eigenschaften 15 2.2.2 Tiefenaufgelöste Ellipsometrie 17 2.2.3 UV/VIS-Spektroskopie 17 2.3 Chemische Zusammensetzung und Struktur 18 2.3.1 Abgeschwächte-Totalreflexions-(ATR)- und Transmissions-/Absorptions- FTIR-Spektroskopie 18 2.3.2 In-situ ATR-FTIR 19 2.3.3 Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) 20 2.3.4 Raman-Spektroskopie 21 2.4 Atomkraftmikroskopie (AFM) 21 2.5 Wasseraufnahme der Polymerschichten 21 2.6 Benetzbarkeit der polymeren Oberflächen 22 2.7 Elektrische Leitfähigkeit 23
II Piezoresistive Feuchtesensoren 25 3 Funktionsprinzip und Sensitivität 25 4 Polymermodifikation 27 4.1 Auswahl der Polymeren für Feuchtesensoren 28 4.2 Herstellung und Modifizierung der Polyimidschichten 29 5 Eigenschaftsänderungen durch lonenstrahlmodifizierung 31 5.1 Chemische Zusammensetzung und Struktur 31 5.1.1 ATR- und Transmissions-/Absorptions-FTIR-Spektroskopie 31 5.1.2 Photoelektronenspektroskopie (XPS) 33 5.1.3 Raman-Spektroskopie 37 5.2 Oberflächenmorphologie 38 5.3 Mechanische Eigenschaften 38 5.4 Bestimmung der Polymerdichte 44 5.5 Optische Eigenschaften 46 5.5.1 Spektroskopische Ellipsometrie 46 5.5.2 UV-Vis-spektroskopische und tiefenaufgelöste ellipsometrische Untersuchung 46 5.6 Einfluss der Umgebungsfeuchte 50 5.6.1 Analytische Untersuchung von Sorptionsprozessen 50 5.6.2 Wasseraufnahme der Polymerschichten 52 5.7 Benetzungseigenschaften 55 5.8 Elektrische Eigenschaften der modifizierten Polymere 57 5.9 Langzeitstabilität 58 5.10 Schlussfolgerungen 61 6 Eigenschaftsänderungen durch Plasmamodifizierung 63 6.1 Herstellung und Modifizierung der Polymerschichten 63 6.2 Änderung der chemischen Zusammensetzung 64 6.3 Optische Eigenschaften 68 6.4 Wasseraufnahme der Polymerschichten 68 6.5 Schlussfolgerungen 69 III Piezoresistive chemische Sensoren auf Hydrogelbasis 71 7 Sensoraufbau 71 7.1 Funktionsprinzip 72 7.2 Sensorkonstraktionen 73
7.3 Sensorkalibrierung 75 8 Herstellung und Charakterisierung der Hydrogelschichten 77 8.1 Thermisch vernetztes P VA/P AS 77 8.2 Chemisch vernetztes PNIPAAm 77 8.3 Fotovernetzbare PNIPAAm-Blockcopolymere 78 8.3.1 Materialien 78 8.3.2 Polymercharakterisierung 79 8.3.3 UV-Vernetzung 80 8.4 Temperatursensitivität der PNIPAAm-Gele 81 8.4.1 Temperaturabhängigkeit der Sensorausgangsspannung 81 8.4.2 In s/ta-atr-ftir-spektroskopie 82 8.4.3 Inline-Monitoring der temperaturinduzierten Quellung/Entquellung in Wasser 83 8.4.4 Modellierung der Quellung des thermoschrumpfenden Gels 84 8.5 Konditionierung der Hydrogelschichten 92 8.6 Elastomechanische Eigenschaften der Hydrogele 93 8.6.1 Trockene Proben 93 8.6.2 Gequollene Proben 94 8.7 Modifizierung der Geloberfläche durch Plasmabehandlung 95 8.7.1 Herstellung und Modifizierung der Hydrogelschichten 96 8.7.2 Chemische Zusammensetzung und Struktur 97 8.7.3 Optische Eigenschaften 102 8.7.4 Mechanische Eigenschaften 103 9 Modellierung und Messung der Quellkinetik von Hydrogelen 107 9.1 Quellung des trockenen Gels in Wasser 107 9.2 Diffusion der chemischen Spezies im Gel 108 9.2.1 Neutrales Gel 111 9.2.2 Polyelektrolytisches Gel 115 9.3 Quellung des polyelektrolytischen Gels in Lösung 117 9.4 Mechanisches Modell 125 10 Ermittlung des Diffusionsverhaltens der beweglichen Ionen 129 11 Anwendungen des Messprinzips 133 11.1 Verbesserung der Signalreproduzierbarkeit des chemischen Sensors 134 11.2 ph-sensor 135 11.3 Sensoren für Schwermetall-Ionenkonzentration 138
11.4 Sensoren für Salzkonzentrationen 140 11.5 Sensoren für organische Lösungsmittel 142 11.6 Rheochemisches Online-Analytik-System 144 12 Langzeitstabilität der sensorischen Eigenschaften stimulierbarer Hydrogele 147 13 Schlussfolgerungen 148 14 Zusammenfassung 151 14.1 Modifizierung der Polymerschichten für eine Anwendung in Feuchtesensoren 152 14.2 Anwendung stimulierbarer Hydrogelschichten in chemischen Sensoren 153 14.3 Ausblick 155 15 Literaturverzeichnis 157 16 Anhang 175 16.1 Zeitkonstante der Hydrogelquellung 175 16.2 Diffusion des Analyten im neutralen Gel 177 16.3 Restdeformation in einem Belastungs-/Entlastungsexperiment, berechnet mittels des mechanischen BURGER-Modells 181