Entwicklung eines Verfahrens zur Stabilisierung von Polymerschichten auf OFW-Sensoren für die Analytik von organischen Gasen

Zusammenfassung

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines einfach durchzuführenden Beschichtungsverfahrens zur reproduzierbaren Herstellung von empfindlichen und alterungsstabilen Gassensoren auf der Basis von OFW-Bauelementen.

Zur reproduzierbaren Messung des Verhaltens der OFW-Sensoren auf unterschiedliche Analytgase wurde eine Versuchsanlage, bestehend aus einer Gasmischanlage, einem Netzwerk-analysator und einem Gaschromatographen, aufgebaut. Die Steuerung der einzelnen Komponenten sowie die Erfassung der Meßsignale erfolgte zentral über einen Steuerrechner mittels eines eigens entwickelten Programms.

Mit Vorversuchen wurden unterschiedliche Einflüsse auf das Sensorverhalten überprüft. Es konnte gezeigt werden, daß kaum Unterschiede in der Sorptionsfähigkeit unterschiedlicher Analyte bei Verwendung von speziell aufgereinigten Polymeren mit enger Kettenlängenverteilung oder preiswerten technischen Polymeren auftreten. Bei Beschichtung von Sensorteilbereichen stellte sich heraus, daß nur ein vollständig und gleichmäßig beschichteter Sensor eine maximale Empfindlichkeit aufweist. Zur Beschichtungsoptimierung wurden unterschiedliche Beschichtungsverfahren miteinander verglichen. Eventuell auftretende Benetzungsstörungen konnten durch Verwendung von physikalisch abbindenden Klebstoffen als Modellsubstanzen für bisher verwendete Sorptionspolymere eliminiert werden. Es stellte sich heraus, daß mittels Spincoating statt des bisher eingesetzten Sprühbeschichtungsverfahrens eine um den Faktor 3 bis 4 gesteigerte Empfindlichkeit der OFW-Sensoren zu erreichen ist.

Durch die Ergebnisse der Vorversuche konnte der weitere Verlauf der Arbeit eingegrenzt werden: das Beschichtungsverfahren sollte das Benetzungsverhalten der Sorptionspolymere verbessern und somit die Herstellung homogener und alterungsstabiler Polymerfilme auf dem Sensorsubstrat ermöglichen.

Zur Verbesserung der Schichthaftung wurde anfänglich ein Reinigungsschritt mittels eines RF-Plasmas eingesetzt, wodurch gewisse Erfolge erzielt wurden. Eine Steigerung der Be-netzungsförderung durch Nachschalten einer in-situ Silanisierung im Vakuum konnte nicht nachgewiesen werden.

Mit der Plasmapolymerisation einiger ausgewählter organischen Gase sollte eine dünne Schicht auf dem Substrat abgeschieden werden, um eine Haftvermittlung zwischen der OFW-Oberfläche und dem Sorptionspolymer zu schaffen. Die aufpolymerisierten Filme wurden charakterisiert und deren sorptive Eigenschaften untersucht. Dabei stellte sich heraus, daß die intrinsischen Spannungen der Plasmapolymere, welche sich in Rissen zeigten, den Einsatz als Haftvermittler verhinderten.

Mit der Gasphasenpolymerisation von p-Xylylenen wurde schließlich ein Verfahren gefunden, die Benetzbarkeit des OFW-Substrates mit Sorptionspolymeren zu steuern. Durch Variation der Beschichtungsparameter konnten Sensoren reproduzierbar mit einem 50 nm dicken Parylenfilm belegt werden. Die Haftvermittlung der polymeren Zwischenschicht konnte an mehreren Sorptionspolymeren erfolgreich nachgewiesen werden

Es konnte gezeigt werden, daß durch Einsatz der Parylenbeschichtung von Scherwellen-Bauelementen Love-Wellen angeregt werden, welche eine über fünffache Steigerung der Sensitivität der Sensoren erlaubten.

Als Resultat der Arbeit können durch Abscheidung eines dünnen Parylenfilms als Haftvermittler in Verbindung mit einem optimierten Spincoating-Verfahren Sorptionspolymere homogen und alterungsstabil auf dem OFW-Sensor abgeschieden werden.

Development of a method for stabilization of polymer films on SAW-sensors for analysis of organic gases

Summary

The aim of this work was the development of an easy coating procedure for a reproducible preparation of sensitive and non-aging gas sensors based on SAW-devices.

For reproducible measurements of the characteristics of SAW-sensors treated with different analyte gases a test facility consisting of a gas mixing system, a network analyzer and a gas chromatograph was set up. The control of each component as well as the measuring of the signals was achieved using a computer system and a program which was developed for this purpose.

Different influences on the sensor signal were checked in preliminary experiments. It was shown, that only negligible differences in sorptivity occur when comparing cheap polymers of technical grade and specially processed polymers with a small chainlength distribution. Partially coated sensor surfaces revealed, that a complete and homogeneous coating of the sensors is necessary for maximal sensitivity. To optimize the coating process several procedures were tested. To avoid wetting problems physically setting adhesives were used as model substances instead of commonly used sorption polymers. By using spincoating instead of earlier favoured spraycoating processes the sensitivity of the SAW-sensors could be enhanced by a factor of 3 to 4.

The above mentioned experiments provided a basis for the future work: The coating procedure should improve the wetting characteristics of the substrate to ensure the production of homogeneous and non-aging sorption polymer films.

Firstly a cleaning step using an RF-plasma was introduced for improvement of the layer adhesion, being half-way successful. An additional step using in-situ silanization in vacuo did not improve layer adhesion.

Plasmapolymerization of selected organic gases was used to deposit a thin organic layer to improve adhesion of the sorption polymers on the substrate surface. The polymerized films were characterized and their sorption properties analyzed. However the intrinsic strain of the plasma polymers lead to cracks in the layers rendering them unusable as adhesion promotors.

Finally, the use of the gas phase polymerization of p-xylylenes allowed the control of the wetting of the substrate with sorption polymers. The variation of deposition parameters made it possible to reproducibly coat sensors with a film thickness down to 50 nm. This adhesion promoting effect was shown for several sorption polymers.

Using the parylene-deposition process on SSBW-devices induces Love-waves. Therefore the sensitivity increased by a factor of five and more, compared to conventionally coated sensors without love-wave-induction.

As a result of this work sorption polymers can be deposited homogeneously and non-aging on SAW-sensors combining a thin layer of Parylene to promote adhesion and an optimized spincoating process.