DE20321042U1

DE20321042U1 - Vorrichtung zum Aufbringen von Elektrospraybeschichtungen auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen

Info

Publication number: DE20321042U1
Application number: DE20321042U
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2013-09-25

Abstract

Vorrichtung zum Aufbringen von Elektrospraybeschichtungen auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen, umfassend
a) einen motorisch angetriebenen um eine Drehachse (1) rotierenden Probenträger (2) mit einem elektrisch nicht leitfähigen Targetbereich (5) für die Aufnahme der elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen,
b) eine Elektrospray-Kapillare (3) zum Einleiten und elektrischen Aufladen eines Elektrosprays (4) auf die elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen sowie
c) Mittel (7) zur periodisch wiederkehrenden Kompensation oder Ableitung von elektrischen Ladungen auf den Oberflächen, wobei
d) eine isolierende Trennwand (6) vorgesehen ist, welche im Raum oberhalb des Targetbereichs (5) angeordnet ist und diesen in einen ersten und einen zweiten Teilraum unterteilt, wobei die Mittel (i) im ersten und die Elektrospray-Kapillare (3) im zweiten Teilraum angeordnet sind.

Description

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen von Elektrospraybeschichtungen auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen gemäß des ersten Schutzanspruchs.
Elektrospraybeschichtungsverfahren sind im Wesentlichen Spritzbeschichtungsverfahren, bei dem ein flüssiges oder festes Beschichtungsmaterial über eine Düse oder eine Kapillare fein verdüst oder zerstäubt auf eine zu beschichtende Oberfläche gespritzt wird. Dabei wird das flüssige Beschichtungsmaterial und die zu beschichtende Oberfläche elektrisch entgegengesetzt aufgeladen. Die so elektrochemisch aufgeladene Flüssigkeit zerstäubt bei Atmosphärendruck am offenen Ende der Kapillare oder Düse elektrodynamisch über eine Jet in ein Aerosol kleiner geladener Tropfen, wobei es zu einer elektrostatischen Anziehung des Nebels hin zu der Oberfläche kommt. Aufgrund der Coulomb-Abstoßung zwischen den gleichnamig geladenen Tropfen bzw. den daraus entstehenden Partikeln (z.B. Nanopartikel durch Verdampfung von Lösungsmittelanteilen) im Elektrospraynebel strebt das Spray von der Kapillarenöffnung aus kegelförmig in Richtung der Gegenelektrode (zu beschichtende Oberfläche) und trifft dort auf. Für die Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtungsdicke wie auch einer hohen Beschichtungsrate ist eine gute elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche unerlässlich.
Während Elektrospraybeschichtungen von elektrisch leitfähigen Oberflächen häufig angewendet werden, ist bisher die Elektrospraybeschichtung nicht-leitfähiger Oberflächen wenig verbreitet. Werden nicht-leitfähige Oberflächen von geladenen Tropfen oder Nanopartikeln aus einem Elektrospray getroffen, kann die mitgeführte Ladung über die nicht elektrisch leitfähige Oberfläche nicht abfließen. Die Oberfläche lädt sich so lange elektrostatisch auf, bis weitere sich annähernde Tropfen oder Nanopartikel aufgrund des geringer werdenden Potentialunterschieds zur aufgeladenen Oberfläche sogar abgestoßen werden. Dies führt dazu, dass durch herkömmliche Elektrospraybeschichtung auf nicht-leitfähigen Oberflächen nur verschwindend dünne Schichten aufgebracht werden können, die in der Praxis nicht einsetzbar sind.
Bei gemischten Oberflächen (Teilbereiche leitfähig und z.B. mit Erde verbunden, andere Teilbereiche nicht leitfähig), scheidet sich die Beschichtung je nach Auslegung ausschließlich oder bevorzugt auf den leitfähigen Bereichen der Oberfläche ab. So werden beispielsweise bei SAW-Sensoren durch herkömmliche Elektrospraybeschichtung nur die Kammfinger der IDTs (Interdigital-Transducer) beschichtet. Auch die inaktiven SAW-Elemente, d. h. die SAW-Resonatoren werden nicht beschichtet, da sie nicht elektrisch leitend mit den IDTs verbunden oder geerdet sind. Da bei der Herstellung von Funktionsbeschichtungen oft, wie auch hier bei der SAW-Herstellung die Notwendigkeit einer vollständigen Beschichtung eines Substrates besteht, werden Elektrospraybeschichtungsverfahren aufgrund der genannten Einschränkungen für die Herstellung von Schichtdickensensitiven Funktionsschichten erst gar nicht in Erwägung gezogen.
Aufgabe der Neuerung ist es daher, eine Vorrichtung zum Aufbringen von Elektrospraybeschichtungen vorzuschlagen, welche sich insbesondere für das Aufbringen von schichtdickensensitiven Funktionsschichten auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen eignet.
Die Lösung der Aufgabe findet sich in den Merkmalen von Anspruch 1 wieder. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen der Neuerung wieder.
Das wesentliche Merkmal der Neuerung umfasst Mittel, mit denen eine Ladung auf der nicht elektrisch leitenden Oberfläche schnell kompensiert d.h. abgeleitet wird. Im Rahmen dessen wechseln sich die eigentliche Elektrospraybeschichtung und die Kompensation periodisch ab. Der ursprüngliche Ladungszustand der Oberfläche wird somit regelmäßig wieder hergestellt, wodurch nachfolgende geladene Tropfen oder Nanopartikel vorteil hafter Weise mit näherungsweise konstanten elektrostatischen Rahmenbedingungen auf der Oberfläche abgeschieden werden.
Den vorgenannten periodischen Wechsel zwischen den beiden Bereichen der Kompensation und der Elektrospraybeschichtung, d.h. Entladung (Kompensation oder Überkompensation einer Aufladung) und gegensätzlicher Aufladung im kV-Bereich, erzielt man vorzugsweise dadurch, dass die Oberfläche exzentrisch auf einen drehend angetriebenen Probenträger angeordnet ist, wobei sich jeder Punkt der Oberfläche zwischen den beiden Bereichen ein- und ausschwenkt.
Bei der Kompensation (oder Überkompensation) einer elektrischen Ladung auf der elektrisch nicht leitenden Oberfläche erfolgt eine Entladung bis zur elektrischen Neutralität oder darüber (Überkompensation mit dem Ziel einer möglichst großen Potentialdifferenz zum Elektrospray) über die Mittel, welche ein von der Ladung abweichendes und für ein Überspringen der elektrischen Ladung ausreichend abweichendes elektrisches Potential aufweisen.
Im Sinne einer effizienten Beschichtung muss die periodische Entladung/Aufladung der Oberfläche so häufig erfolgen, dass die Oberflächenladung nicht schon innerhalb des Einflussbereichs der Spraybeschichtung so hoch wird, dass weitere geladene Tropfen bzw. Partikel abgestoßen werden. Eine optimale Aufenthaltsdauer in der Beschichtungsregion kann durch die Rotationsgeschwindigkeit des Probenträgers eingestellt werden.
Der Kapillarenstrom, d.h. der Strom, der von der Kapillare abfließt indem geladene Tropfen aus der Kapillare versprühen, liegt im nano-Ampére-Bereich. Es ist hilfreich, diesen Kapillarenstrom beim Einstellen des Elektrosprays und während der Beschichtung zu beobachten, da er ein Maß dafür ist, wie effizient der bestehende Elektrospray die Flüssigkeit zerstäubt. Eine ausreichende Aufladung des Elektrosprays ist nur möglich, wenn sich in der Beschichtungslösung genügend Bestandteile be finden, die elektrochemisch umgesetzt werden können. Außerdem muss eine bestimmte Leitfähigkeit in der Lösung des Elektrosprays herrschen, um die elektrochemischen Prozesse und die Spraybildung zu ermöglichen. Die Wahl des Lösungsmittels für die Beschichtungssubstanz hat Einfluss auf die Leitfähigkeit und Spraybarkeit der Beschichtungslösung. Polare Lösungsmittel wie Alkohole (Methanol, Ethanol) oder Wasser haben eine höhere Leitfähigkeit als Ether (z.B. Tetrahydrofuran). Allerdings ist auch bei polaren Lösungsmitteln der Hauptanteil der Leitfähigkeit auf die üblicherweise darin enthaltenen Verunreinigungen zurück zu führen. Äußerst reine Lösungsmittel, wie sie z.B. in der Halbleitertechnik verwendet werden, haben unabhängig davon ob polar oder unpolar eine zu geringe Leitfähigkeit um ohne Additive mit Elektrospray versprüht zu werden. Bei analysenreinem Methanol reicht dagegen die Leitfähigkeit der darin enthaltenen Salze aus, um einen sehr feinen und effizienten Elektrospray zu erzeugen. Optimale Leitfähigkeiten, die einen feinen und stabilen Elektrospray ermöglichen, liegen bei etwa 10^–4 –10^–2 S/m, welche sich zudem mit Additiven, beispielsweise Elektrolyte wie Salze sein, aber auch Säuren wie Essigsäure oder Ameisensäure oder Basen. Ebenso kommen Leitelektrolyte in Betracht, wie sie auch in der Elektrochemie verwendet werden. Wenn es sich um ein nicht-flüchtiges Additiv wie z.B. ein Salz handelt, muss dies so gewählt werden, dass es die Funktion der gebildeten Schicht nicht beeinträchtigt, denn es wird in der Schicht verbleiben. Wenn es sich um flüchtige Additive, wie z.B. Essigsäure oder Ameisensäure handelt, verbleiben diese zwar nicht vollständig in der Beschichtung, es muss jedoch darauf geachtet werden, dass es in der Lösung nicht zu unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen Additiv und Beschichtungssubstanz kommt.
Ist der Kapillarenstrom zu gering, werden nicht genügend Ladungsträger in der zu zerstäubenden Flüssigkeit erzeugt. Die erzeugten Tropfen sind dann vergleichsweise groß und/oder der Sprayvorgang ist instabil und ungleichmäßig. In diesem Fall muss das Potential an der Kapillare erhöht werden oder es müssen Additive zur Verbesserung der Leitfähigkeit und/oder der elektrochemischen Aufladbarkeit der Flüssigkeit zugegeben werden.
Steigt der Kapillarenstrom beim Erhöhen des Potentials überproportional an, liegt häufig zusätzlich zum Sprayvorgang eine Korona-Entladung am Kapillarenende vor. Die dabei entstehenden Korona-Produkte entladen die bereits entstandenen Tropfen und wirken so der Bildung sehr kleiner Tropfen entgegen. In diesem Fall muss das am Sprayer anliegende Potential reduziert werden.
Schwankt der Kapillarenstrom sehr stark, ist häufig die Flussrate nicht geeignet gewählt. Auch eine zu geringe Leitfähigkeit der Beschichtungslösung und unerwünschte Korona-Entladungen führen zum Schwanken des Kapillarenstroms.
Neben der Beobachtung des Spraystroms ist auch eine optische Kontrolle des Elektrosprays hilfreich. Diese wird beispielsweise durch ein Mikroskop bzw. eine Kamera, die über dem Elektrospray positioniert werden, erleichtert. Der Elektrospray muss zur Beobachtung geeignet beleuchtet sein (z.B. von schräg unten mit einer Kaltlichtlampe mit Schwanenhalslichtleiter). Durch optische Beobachtung des Sprays kann kontrolliert werden, ob der Spray gleichmäßig und fein vorliegt, oder ob Instabilitäten oder zu große Tropfen auftreten.
Bei Beginn des Beschichtungsvorgangs und beim Einstellen der optimalen Sprayparameter kann es zum vorübergehenden Abreißen von großen Flüssigkeitstropfen kommen. Damit diese nicht auf der zu beschichtenden Oberfläche aufschlagen, wird die Sprayvorrichtung nicht direkt auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet sondern in einem Winkel von ca. 30° bis 90° dazu. Die Sprayvorrichtung ist dabei idealer weise auf eine Trennwand zwischen Beschichtungsregion und Entladungsregion gerichtet. Eventuell gebildete große Tropfen fliegen aufgrund ihrer Trägheit nicht auf die zu beschichtende Probe sondern eher auf den Trennschirm. Zur optimalen Justierung des Sprayers in Bezug auf die zu beschichtende Oberfläche ist die Sprayvorrichtung in Höhe und Position einzustellen.
Die genannten Mittel, mit denen eine Ladung auf der nicht elektrisch leitenden Oberfläche schnell kompensiert d.h. abgeleitet wird, umfassen beispielsweise einen als elektrisch leitenden Schleifkontakt dienenden Draht, ein Plasma oder eine Ladungswolke mit entsprechend elektrisch geladenen Koronaionen.
Die Neuerung wird anhand von vier möglichen Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung mit einer periodischen Entladung über einen nicht schleifenden parallel zu der Oberfläche angeordneten und rotierenden Entladedraht,
2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung mit einer periodischen Entladung über einen schleifenden Entladedraht,
3 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung mit einer periodischen Entladung über einen nicht schleifenden, U-förmig gebogenen Entladedraht,
4 eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung mit einer periodischen Entladung über einen auf einer rotierenden Scheibe aufgebrachten Entladedraht sowie
5 eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung mit einer periodischen Entladung mit einer Korona.
Alle Figuren zeigen Vorrichtungen mit jeweils einen motorisch angetriebenen, um eine Drehachse 1 drehbaren Probenträger 2 sowie einer Elektrospray-Kapillare 3 (beispielsweise Edelstahlkapillare mit ca. 110 μm Innen- und ca. 240 μm Außendurchmesser) zur Einleitung und Verdüsung eines Elektrosprays 4 (Flussraten beispielsweise 1 bis 5 μl/min). Die Elektrospray-Kapillare 3 umfasst dabei eine Elektrode mit direktem Kontakt zum Elektrospray, welche über eine Ladungsquelle auf ein bestimmtes elektrisches Potential (beispielsweise 2 bis 4 kV mit Kapillarstrom ca. 20 bis 80 nA) eingestellt der elektrischen Aufladung der Tropfen und/oder der daraus entstehenden geladenen Partikel des Elektrospray dient. Der Probenträger 2 umfasst zudem einen Targetbereich 5, auf den die Komponenten mit den zu beschichtenden Oberflächen (nicht dargestellt in den Figuren) aufgesetzt werden. Die Positionierung der Elektrospray-Kapillare 3 ist in drei Raumachsen, in den Figuren dargestellt als Richtungspfeile, über dem Probenträger 2 verschiebbar. Ferner enthalten alle Figuren jeweils eine isolierende Trennwand 6, welche oberhalb des Probentellers angeordnet ist und den Raum oberhalb des Probenträgers in einen ersten und einen zweiten Teilraum unterteilt sowie Mittel 7 zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen, welche ein von der Ladung abweichendes und für ein Überspringen der elektrischen Ladung ausreichend abweichendes elektrisches Potential aufweisen.
Ausführungsform 1
1 zeigt die erste Ausführungsform, bei der die Trennwand 6 zwischen Probenträger 2 und Elektrospray-Kapillare 3 parallel zum Targetbereich 5 angeordnet ist. Die Trennwand 6 weist zur Durchleitung des Elektrosprays 4 ein Fenster 8 auf. Als vorgenanntes Mittel zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen rotiert ein geerdeter Entladedraht 9, beispielsweise aus Wolfram mit 50 μm Dicke, parallel vor der zu beschichtenden, nicht-leitenden Oberfläche bzw. dem Targetbereich. Der Entladedraht rotiert hierbei mit hoher Umdrehungszahl, vorzugsweise im Bereich von ca. 10.000 Umdrehungen pro Minute. Ohne die isolierende Trennwand würde das geladene Elektrospray den Entladedraht ständig als direktes Gegenpotential sehen und bevorzugt diesen Draht beschichten. Dadurch, dass der Entladedraht periodisch den Targetbereich wie der entlädt, wird das Elektrospray genau in diese Richtung weitergeleitet.
Vorzugsweise wird der Entladedraht 9 so nah wie möglich über die Targetfläche oder die zu beschichtende Oberfläche geführt. Idealer Abstand sind ca. 1–2 mm. Zur Vermeidung von Beschädigungen von Trennwand, Beschichtung oder zu beschichtenden Oberflächen ist insbesondere während Drehzahländerungen, z.B. beim Anfahren oder beim Abstellen, eine exakte Justierung oder einschiebbare Abstandshalter oder Führungen oder unerlässlich. Als Alternative bietet sich eine Schwenkvorrichtung für die gesamten Mittel zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen (Entladedraht und Drehachse) ein, wobei ein Einschwenken ausschließlich bei hohen konstanten Drehzahlen erfolgt. Bei der Herstellung von SAW-Sensoren erstrecken sich derartige Beschädigungen durch den Entladedraht vorzugsweise auch auf eine Zerstörung der zur Kontaktierung der IDTs nötigen Bondingdrähte für die Beschichtung.
Experimente mit unterschiedlich langen Entladungsdrähten haben gezeigt, dass im Falle einer über den Targetbereich rotierenden Drahtspitze zwar im gesamten berührungslos überstrichenen Bereich eine Entladung der Oberfläche stattfindet, jedoch bevorzugt in den Bereichen unterhalb der Drahtspitze. Das ist dadurch zu erklären, dass die Feldliniendichte an der Drahtspitze am größten ist. Für eine gleichmäßige Beschichtung ist es daher erforderlich, dass das Drahtende außerhalb des zu beschichtenden Bereichs liegt und somit die Feldstärke des Drahtes über dem Targetbereich einheitlich ist.
Eine Erhöhung der Feldliniendichte ist mit Entladungsdrähten mit besonders geringen Durchmessern (z.B. Wolframdrähte mit 10 bis 25 μm Durchmesser) erzielbar. Aufgrund ihrer geringen Zugfestigkeit reißen derartige Drähte vor allem bei hohen Drehzahlen jedoch sehr schnell ab, weshalb derartige Drähte nur bis zu einer vergleichsweise geringen Drehzahl einsetzbar sind. Damit nimmt jedoch die Verweildauer des Entladedrahtes unter dem Fenster zu, wobei sich zunehmend viel von dem Elektrospray auf dem Draht ablagert. Das bewirkt, dass der Entladedraht sehr schnell durch die Beschichtungssubstanz bedeckt und somit isoliert wird und seine ladungsableitende Funktion zunehmend verliert.
Im Rahmen eines Anwendungsbeispiels wird die beschriebene erste Ausführungsform für die Beschichtung von SAW-Sensoren herangezogen. Die Drehzahl von Entladungsdraht und Probenträger waren dabei auf 10000 bzw. 1400 Umdrehungen pro Minute vorgegeben, wobei eine Entfernung zwischen Entladedraht und beschichtender Oberfläche auf einen Wert zwischen 1 und 3 mm eingestellt wurde. Als Beschichtungszeit wurden 30 Minuten gewählt, als Durchflussmenge für das Elektrospray 1 μL/min. An die Elektrospray-Kapillare 3 wurde ein Potential von 4 kV angelegt, wobei sich während des Beschichtungsvorgangs bei geerdetem Probenträger ein Kapillarstrom von 20 bis 30 nA einstellte.
Als Beschichtungssubstanz wurde 4-tert.-Butyl-calix[4]arentetraessigsäure-tetraethylester (relative Molekülmasse M_r = 993,29 g/mol) verwendet, die im Folgenden abgekürzt als Calixaren bezeichnet wird. Calixaren ist gut löslich in THF (Tetrahydrofuran) und wird mit einer Konzentration c = 10^–2 mol/l in einem Gemisch aus 90 % THF mit 10 % Methanol und 1 % Ameisensäure als Additiven gelöst. Die Additive wirken sich nicht nachteilig auf die Löslichkeit das Calixarens aus, verbessern aber deutlich die Elektrospray-Eigenschaften durch Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der THF-Lösung.
Ausführungsform 2
Im Rahmen der zweiten Ausführungsform erfolgt eine elektrische Entladung des Probenträgers über einen auf dem Targetbereich 5 schleifenden geerdeten Entladedraht 9 (2). Die isolierende Trennwand 6, welche knapp oberhalb des Probenträgers angeordnet ist und den Raum oberhalb des Probenträgers in einen ersten und einen zweiten Teilraum (Compartment) unterteilt, ist vorzugs weise senkrecht zum Targetbereich 5 und fluchtend zur Drehachse 1 angeordnet. Im ersten Compartment erfolgt während des Beschichtungsprozess über das Elektrospray auf der zu beschichtenden Oberfläche bzw. des elektrisch nicht leitfähigen Targetbereichs eine elektrische Aufladung. Durch Rotation des Probentellers gelangt die zu beschichtenden Oberfläche bzw. der Targetbereich unter das zweite Compartment, in dem die Entladung der Oberfläche über den Entladedraht stattfindet.
Die Mittel 7 zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen dieser Ausführungsform, d. h. der schleifende Entladungsdraht, erfordern eine Schleiferbahn auf dem Targetbereich, wodurch die erdende Wirkung der Mittel auf den Targetbereich mit zunehmenden Abstand zu dieser Schleiferbahn abnimmt. Die Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen erfolgt also mit lokal unterschiedlicher Wirksamkeit, welche den Vorteil dieser Ausführungsform, nämlich der hohen absoluten Wirksamkeit der Kompensation einschränkt. Es bildet sich ein schmaler Ring sehr hoher Beschichtung, an den sich innen und außen Bereiche mit kleinerer Schichtdicke anschließen. Mit diesem Verfahren ist es nicht möglich, größere Bereiche homogen zu beschichten. Größere Ober- flächen werden zwar in dieser Ausführungsform zuverlässig, aber nicht gleichmäßig beschichtet.
Die Parameter für einen Beschichtungsvorganges für die erfolgreiche Herstellung von SAW-Sensoren mit dieser Ausführungsform entsprechen den im ersten Ausführungsbeispiel vorgenannten Parametern (Drehzahl des Probenträgers, Potential an der Elektrospray-Kapillare, Kapillarstrom, Beschichtungszeit, Durchflussmenge).
Ausführungsform 3
Die dritte Ausführungsform (3) unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform durch die Gestaltung der Mittel zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichten den Oberflächen. Der geerdete Entladedraht 9 wird in dieser Ausführungsform U-förmig gebogen, wobei die Schenkel 10 isoliert sind und der nicht isolierte Drahtabschnitt 11 mit einem minimalen Abstand parallel zum Targetbereich geführt wird.
Durch die Isolation der U-Schenkel 10 wird erreicht, dass der zur Probe parallele Drahtabschnitt 11 und die elektrisch aufgeladene Targetfläche bzw. zu beschichtende Oberfläche sich wie ein Kondensator verhalten. Er soll die zu beschichtende Oberfläche durch eine selbständige Gasentladung (Dunkelentladung), bei der die Feldlinien gleichmäßig zwischen Oberfläche und Drahtabschnitt 11 verteilt sind, entladen. Idealerweise überfährt der Drahtabschnitt den Targetbereich im Laufe einer Umdrehung des Probenträgers vollständig ab.
Die Parameter für einen Beschichtungsvorganges für die erfolgreiche Herstellung von SAW-Sensoren mit dieser Ausführungsform entsprechen auch hier den im ersten Ausführungsbeispiel vorgenannten Parametern (Drehzahl des Probenträgers, Potential an der Elektrospray-Kapillare, Kapillarstrom, Beschichtungszeit, Durchflussmenge). Der Abstand zwischen dem Drahtabschnitt 11 und zu beschichtender Oberfläche betrug ca. 1 mm
Ausführungsform 4
Wie in 4 dargestellt ist der Entladedraht 9 bei der vierten Ausführungsform auf einer Scheibe 12 aufgebracht (vorzugsweise geklebt) und auf dieser um eine Scheibenachse 13 drehbar gelagert. Die Scheibe 12 und der Targetbereich 5 spannen einen Winkel 15, vorzugsweise zwischen 10 und 70°, auf, wobei die Scheibe 12 in den Targetbereich 5, vorzugsweise in den Mittel- bzw. Drehpunkt des Targetbereichs 5, zeigt. Beim Betrieb, d. h. bei drehender Scheibe nähert sich das über die Scheibe überstehende Ende des Entladedrahts auf ca. minimal 1 mm an die zu beschichtende Oberfläche bzw. den Targetbereich an, wobei sicherzustellen ist, dass zu keiner Berührung des Entladedrahtes kommt.
Die isolierende Trennwand 6 ist vorzugsweise parallel zu dem Targetbereich 5 und fluchtend zur Elektrospray-Kapillare 3 ausgerichtet und endet in einem geringen Abstand oberhalb der Scheibe 12 (vgl. 4). Auf diese Weise lässt sich das Elektrospray 4 durch die Positionierung des Entladedrahts auf den Targetbereich 5 oder über die isolierende Trennwand leiten. Alternativ lässt sich die isolierende Trennwand 6 im Rahmen dieser Ausführungsform auch nicht fluchten zur Elektrospray-Kapillare 3 so anordnen, dass sie als Abschirmung für die Scheibe 12 mit dem Entladedraht 9 dient. Hier bietet sich eine parallele Positionierung der Trennwand 6 zur Scheibe 12, wobei die Trennwand in einem gewissen Abstand oberhalb des Targetbereichs 5 endet.
Im Gegensatz zu den beschriebenen Ausführungsformen 2, 3, und 5 besteht für das Elektrospray 4 eine ungehinderte räumliche Verbindung zwischen Entladedraht und Elektrospray-Kapillare 3.
Folglich ist auch eine isolierende Trennwand 6 für die Funktion dieser Ausführungsform nicht zwingend erforderlich.
Bezüglich der Versuchsparameter bei der Beschichtung von SAW-Sensoren wird auf die vorgenannten Ausführungsformen verwiesen.
Ausführungsform 5
Der grundsätzliche Aufbau der fünften Ausführungsform, dargestellt in 5, entspricht im Wesentlichen dem der zweiten Ausführungsform aus 2. Der prinzipielle Unterschied liegt insbesondere im Mittel 7 zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen, welche Korona-Plasmaionen in der Funktion als Ladungsträger ausnutzen.
Die Mittel umfassen einen in drei Achsen positionierbaren Korona-Entladungskegel 14, an dem ein für eine Korona-Gasentladung ausreichend hohes zum Elektrospray entgegengesetzt geladenes elektrisches Potential angelegt ist. Mit der Gasentladung entstehen geladene Teilchen (z.B. Elektronen oder negativ geladene Ionen) für den Ladungstransport vom Korona-Entladungskegel zu der zu beschichtenden Oberfläche, wobei die Teilchen grundsätzlich auch größere Entfernungen überbrücken.
Eine Korona-Gasentladung besteht aus einer Hellzone und einer Dunkelzone. Die Hellzone befindet sich direkt um die auf Potential liegende Spitze herum und leuchtet. Die Dunkelzone befindet sich weiter weg von der Spitze. Eine Korona-Gasentladung startet, indem ein Ladungsträger (z.B. durch natürliche Radioaktivität oder UV-Strahlung entstandenes Ion) von einer Spitze, die auf gegenläufigem hohem Potential liegt, angezogen wird. Unmittelbar um die Spitze ist die Feldstärke so hoch, dass der Ladungsträger stark zur Spitze hin beschleunigt wird und dabei mit Gasmolekülen aus der Umgebung stößt. Dabei entstehen weitere Ionen, Elektronen und elektromagnetische Strahlung (sichtbares Licht = Korona-Leuchten und UV-Strahlung). Die so entstandenen Ionen bewegen sich je nach Polarität von der Spitze weg oder auf die Spitze. zu. Die auf die Spitze zu beschleunigten Ionen erzeugen wiederum Innenpaare und elektromagnetische Strahlung, so dass eine Stoßkaskade entsteht. Man geht davon aus, dass die erzeugte UV-Strahlung wieder Ladungsträger erzeugt, die auf die Spitze beschleunigt werden, so dass die Stoßkaskade aufrecht erhalten wird.
Die Einsatzspannung für das Einsetzen einer Korona-Entladung hängt hauptsächlich von der Feldstärke, dem umgebenden Gas und dem Gasdruck ab. Vorzugsweise wird die Korona-Entladung an Luft bei Normaldruck betrieben. Je spitzer ein Korona-Entladungskegel ist, desto höher ist an dessen Spitze bei gegebenem anliegendem Potential die Feldstärke. Bei sehr spitzen Entladungskegeln setzt die Korona-Entladung schon bei mäßigen anliegenden Potentialen ein, da dann die Feldstärken um die Kegelspitze schon hoch genug sind um Ladungsträger ausreichend für das Auslösen einer Stoßkaskade zu beschleunigen. Außerdem ist es möglich, sehr spitze Entladungskegel sehr nahe vor dem Target zu positionieren (bis ca. 2–3 mm), ohne dass es zu einem unerwünschten Funkenüberschlag statt der gewünschten Korona-Gasentladung kommt. Als Korona-Entladungskegel eignen sich beispielsweise elektrochemisch geätzte Wolframspitzen, möglichst mit einem Spitzenradius unter 1 μm. Die Einsatzspannung für Korona-Entladung liegt für solche Spitzen unter Atmosphärenbedingungen bei Abständen von ca. 5 mm zur Gegenelektrode bei knapp 1000 V.
Die geladenen Korona-Produkte treffen auf die zu beschichtende Oberfläche (Targetbereich), neutralisieren zunächst die dort befindliche Ladung und laden im Falle einer Überkompensation die Oberfläche entgegengesetzt zum Elektrospray auf. Die so gegenläufig geladene Oberfläche gelangt anschießend durch die Rotation des Probenträgers wieder in die Beschichtungsregion. Die geladenen Tropfen aus dem Elektrospray werden von der nun gegenläufig geladenen Oberfläche angezogen, so dass der eigentlich auf die Trennwand gerichtete Spray von geladenen Tropfen auf die zu beschichtende Oberfläche (Targetbereich) umgelenkt wird. Die aus nicht-leitfähigem Material bestehende Trennwand lädt sich in der Startphase durch die ersten auftreffenden Tropfen mit gleicher Polarität wie der Elektrospray auf, bis die gleichnamigen Ladungen von Elektrospray und Trennwand sich abstoßen. Ab diesem Zeitpunkt fliegen die geladenen Tropfen bevorzugt auf den zu beschichtenden Targetbereich. Lediglich sehr große Tropfen können aufgrund ihrer Trägheit diesem Richtungswechsel nicht folgen und treffen auf der Trennwand auf.
Je stärker der zu beschichtende Targetbereich (Oberfläche) in der Entladungszone gegenläufig zum Elektrospraynebel aufgeladen wird, desto mehr Tropfen oder Partikel können im Targetbereich auftreffen, bevor dieser wieder so stark mit gleicher Polarität wie der Spray geladen ist, dass er sich nähernde nachfolgende Tropfen oder Partikel abstößt.
Das Ausmaß, in dem der zu beschichtende Targetbereich gegenläufig zur Spraypolarität aufgeladen wird, hängt vom Potential ab, mit der die Korona-Entladung betrieben wird und von der Einsatzspannung bei der die Korona-Entladung einsetzt.
Die Korona-Nadel wird durch ein Hochspannungsnetzgerät auf ein festes Potential gelegt. Dieses ist mit der Sprayvorrichtung über eine Kette von hochohmigen Sicherheitswiderständen verbunden, die verhindern, dass der Benutzer bei einem versehentlichen Berühren der auf Potential liegenden Spraykapillare gefährlich hohe Stromschläge erhält. Die Korona-Entladung bleibt so lange bestehen und deponiert Ladung auf der zu beschichtenden Oberfläche, wie die Potentialdifferenz zwischen der Korona-Nadel und der zu beschichtenden Oberfläche größer als die Einsatzspannung für das Auftreten von Korona-Entladung ist. Wenn so viele geladene Koronaprodukte die Oberfläche getroffen haben, dass die Potentialdifferenz die Einsatzspannung unterschreitet, bricht die Korona-Entladung zusammen und es findet keine weitere Aufladung der Probenoberfläche mehr statt. Je geringer die Einsatzspannung liegt, desto mehr Ladung kann auf die Oberfläche gebracht werden. Aus diesem Grund sind möglichst spitze Korona-Entladungskegel (z. B. Nadeln) zu bevorzugen. Außerdem können sehr spitze Entladungskegel, wie oben beschrieben, näher vor der Oberfläche positioniert werden, ohne dass es zu unerwünschten Funkenüberschlägen statt Korona-Gasentladung kommt.
Die geladenen Produkte der Korona-Gasentladung und die geladenen Tropfen oder Partikel treffen bevorzugt auf den zuvor gegenläufig geladenen Regionen der zu beschichtenden Oberfläche auf. Im Idealfall sind Spraystrom und Koronastrom daher gleich groß. Wenn Koronaprodukte und/oder geladene Tropfen oder Partikel an unerwünschten Stellen entladen werden unterscheiden sie sich.
Die Koronakegelspitze wird direkt auf die zu beschichtenden Stellen der Oberfläche (Targetbereich) ausgerichtet. Der Bereich, der von den Koronaprodukten getroffen wird, wird durch den Verlauf der Feldlinien zwischen Koronakegelspitze und Tar getbereich bestimmt. Der Abstand zur Probe beträgt im vorliegenden Fall bei der Beschichtung kleiner Objekte ca. 5 mm. Wenn ein räumlich ausgedehnterer Bereich beschichtet werden soll, wird der Abstand zur Probe größer gewählt.
Bei rotierendem Probenträger 2 entwickelt sich nun ein Wechselspiel zwischen positiver und negativer Aufladung der zu beschichtenden Oberfläche im Targetbereich 5. Befindet sich die Oberfläche im einen Compartment unterhalb der Elektrospray-Kapillare, wird sie beschichtet und gleichzeitig positiv aufgeladen. Im zweiten Compartment unterhalb des Entladungskegels 14, wird diese positive Ladung nicht nur ausgeglichen, sondern überkompensiert, die Oberfläche lädt sich negativ auf. Dies führt dazu; dass das Elektrospray, wenn die Probe sich wieder weitergedreht hat, zunächst ein negatives Potential antrifft und daher in vorteilhafter Weise in diese Richtung besonders effektiv fokussiert wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Korona-Ionen gleichmäßig auf den gesamten Targetbereich einwirken. Als Ergebnis erhält man einen sehr breiten Homogenitätsbereich auf dem Targetbereich, ein gleichmäßige Beschichtungsgeschwindigkeiten und damit Beschichtungen besonders hoher Qualität und Reproduzierbarkeit.
Im Rahmen eines Anwendungsbeispiels wird die beschriebene fünfte Ausführungsform für die Beschichtung von SAW-Sensoren herangezogen. Die Drehzahl von Probenträger lag bei 1400 Umdrehungen pro Minute, die Entfernung zwischen Entladungskegelspitze, an die ein negatives Potential (Korona-Ladung) von 1000 V anliegt, und beschichtender Oberfläche bei ca. 10 mm. Die weiteren Parameter wie auch das Beschichtungsmaterial entsprechen denen im Rahmen der Ausführungsform 1 genannten.
Die Halterung und Kontaktierung der Korona-Spitze erfolgt vorzugsweise in einem elektrisch isolierenden PEEK-Halter, der einen einfachen Austausch der Koronaspitze gestattet.
Ausführungsform 6
Es bietet sich an, zur Ladungskompensation anstelle einer Korona-Gasentladung gemäß der Ausführungsform 5 ein weiteres, zur ersten Sprayquelle 3 entgegen gesetzt geladenes Elektrospray zu verwenden. Wird z.B. als Sprayquelle 3 eine Beschichtungslösung mit positivem elektrischen Potential versprüht, und damit der Targetbereich oder die zu beschichtenden Oberfläche positiv aufgeladen, wird zur Ladungskompensation ein negativ geladener Elektrospray verwendet. Dieser Elektrospray zur Ladungskompensation kann ebenfalls zur Beschichtung des Targets beitragen (wahlweise mit der gleichen Beschichtungssubstanz, wie in der ersten Sprayquelle 3 enthalten, oder aber mit einer anderen Beschichtungssubstanz, die dann auf dem Target mit der Beschichtungssubstanz aus Sprayquelle 3 eine Mischschicht bildet). Er kann aber auch lediglich flüchtige Bestandteile enthalten, die nicht auf der Funktionsschicht verbleiben, sondern nur zur Ladungskompensation und/oder -überkompensation dienen. Im Übrigen gelten die gleichen Aussagen wie bei der Verwendung einer Korona-Gasentladungsquelle zur Ladungskompensation bzw. -überkompensation.

1: Drehachse
2: Probenträger
3: Elektrospray-Kapillare
4: Elektrospray
5: Targetbereich
6: Trennwand
7: Mittel zur Kompensation einer elektrischen Ladung
8: Fenster
9: Entladedraht
10: Schenkel
11: Drahtabschnitt
12: Scheibe
13: Scheibenachse
14: Korona-Entladungskegel
15: Winkel

Claims

Vorrichtung zum Aufbringen von Elektrospraybeschichtungen auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen, umfassend a) einen motorisch angetriebenen um eine Drehachse (1) rotierenden Probenträger (2) mit einem elektrisch nicht leitfähigen Targetbereich (5) für die Aufnahme der elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen, b) eine Elektrospray-Kapillare (3) zum Einleiten und elektrischen Aufladen eines Elektrosprays (4) auf die elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen sowie c) Mittel (7) zur periodisch wiederkehrenden Kompensation oder Ableitung von elektrischen Ladungen auf den Oberflächen, wobei d) eine isolierende Trennwand (6) vorgesehen ist, welche im Raum oberhalb des Targetbereichs (5) angeordnet ist und diesen in einen ersten und einen zweiten Teilraum unterteilt, wobei die Mittel (i) im ersten und die Elektrospray-Kapillare (3) im zweiten Teilraum angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Trennwand (6) zwischen Probenträger (2) und Elektrospray-Kapillare (3) parallel zu dem Targetbereich (5) angeordnet ist und ein Fenster (8) als Durchlass für das Elektrospray (4) aufweist sowie b) die Mittel (7) einen Entladedraht (9) umfasst, welcher zwischen Trennwand (6) und Targetbereich (5) radial von einer Achse parallel zur Drehachse abstehend um die Achse parallel zur Drehachse rotiert und dabei in peri odischen Abständen den Targetbereich (5) überdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (6) senkrecht zum Targetbereich (5) angeordnet ist und knapp oberhalb dieses endet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) einen über den Targetbereich (5) schleifenden geerdeten Entladedraht (9) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) einen in drei Achsen positionierbaren Korona-Entladungskegel (14) umfassen, an dem ein für eine Korona-Gasentladung abweichend dem Elektrospray entgegengesetztes elektrisches Potential angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) eine weitere Elektrospray-Kapillare zum Einleiten und elektrischen Aufladen eines weiteren Elektrosprays auf die elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen umfassen, wobei das weitere Elektrospray nach dem elektrischen Aufladen eine dem Elektrospray entgegengesetztes elektrisches Potential anweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) einen im ersten Teilraum über den Targetbereich (5) angeordneten geerdeten U-fömigen Entladedraht mit zwei parallel zueinander angeordenten elektrisch isolierten Schenkeln (10) und einem parallel zum Targetbereich (5) ausgerichteten, die Schenkel verbindenden Drahtabschnitt (11) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Entladungsdraht (9) umfassen, welcher auf einer runden Scheibe (12) radial zu einer Scheibenachse (13) über den Scheibenrand der runden Scheibe (12) erstre ckend aufgebracht ist und mit der Scheibe rotiert, wobei die Scheibenachse (13) und die Drehachse (1) in einem Winkel zwischen 10 und 70° zueinander angeordnet sind und sich das distale Ende des Entladedrahts (9) bei einer Rotation der Scheibe bis auf einen Abstand unter 2 mm dem Targetbereich (5) nähert.
Beschichtungsvorrichtung zur Beschichtung von SAW-Sensoren, umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüchen.