DE10233696A1 - Material wetting properties determination method in which air bubbles are emitted onto the surface of an immersed test-piece through a capillary tube and the bubble pressure or formation speed used as a wetting property measure - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Benetzungseigenschaften der Oberfläche eines Materials.The invention relates to a method and a device for determining the wetting properties of the surface of a material.
Für viele Fertigungsprozesse und Erzeugnisse ist die Kenntnis über die Eigenschaften der Oberfläche eines Materials von großem Interesse. Ein wesentlicher Parameter ist dabei das Benetzungsvermögen einer Oberfläche. Das Benetzungsvermögen weist beispielsweise auf die Reinheit einer Oberfläche hin, wie eines zu behandelnden Metallteils oder eines zu verarbeitenden Halbleiterwafers.For Many manufacturing processes and products is knowledge of the Surface properties a material of great Interest. An important parameter is the wetting ability of a Surface. The wetting ability shows for example the cleanliness of a surface, such as one to be treated Metal part or a semiconductor wafer to be processed.
Eine seit langem genutzte Erscheinung als quantitativer Ausdruck für das Benetzungsvermögen einer Oberfläche durch eine Flüssigkeit ist der Gleichgewichts-Randwinkel, den ein Testtropfen der Flüssigkeit auf einer Oberfläche ausbildet. Da die Benetzung einer Oberfläche häufig Unregelmäßigkeiten aufweist, sind für eine hinreichend genaue Bestimmung des Benetzungsvermögens eine größere Zahl von Testtropfen auszumessen.A long-used appearance as a quantitative expression for the wetting ability of a surface through a liquid is the equilibrium contact angle that a test drop of the liquid on one surface formed. Since the wetting of a surface often shows irregularities, are for a sufficiently precise determination of the wetting ability larger number of Measure test drops.
Aus der
Weitere Verfahren zur optischen Messung der
Grenzflächenspannung
zwischen einem Testtropfen und einer zu untersuchenden Unterlage
sind in
Alle genannten Vorrichtungen beruhen auf einer rein statischen Messung des Randwinkels zwischen einem Testtropfen und einer Unterlage auf optischem Wege.All devices mentioned are based on a purely static measurement of the contact angle between one Test drops and a base optically.
Aus
Ferner ist aus DIN 53 364 eine rein empirisch entwickelte Testtintenmethode bekannt. Mit einem Pinsel wird eine Serie bekannter Testtinten in der Reihenfolge ihrer Oberflächenspannungen auf den zu untersuchenden Untergrund aufgebracht. Wenn eine Flüssigkeit nicht mehr benetzt, d. h. innerhalb zwei Sekunden sich wieder ansammelt, dann entspricht die "Oberflächenspannung" des Feststoffs der zuletzt verwendeten Tinte.Furthermore, DIN 53 364 is a pure one empirically developed test ink method known. With a brush becomes a series of well-known test inks in the order of their surface tensions applied to the surface to be examined. If a liquid no longer wetted, d. H. accumulates again within two seconds, then the "surface tension" corresponds the solid of the last used ink.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum statischen oder dynamischen Messen des Benetzungsvermögens einer Oberfläche ohne Gebrauch optischer oder geometrischer Messmittel anzugeben. Insbesondere soll die Vorrichtung als Handmessgerät oder Prozessmessgerät ausgebildet werden können, wobei letzteres ein automatisches Anzeigen, Aufzeichnen und Auswerten einer Vielzahl von Messwerten erlauben soll.The invention is based on the object Method and device for static or dynamic measurement of wetting ability a surface without specifying optical or geometric measuring equipment. In particular, the device is designed as a hand-held measuring device or process measuring device can be the latter being an automatic display, recording and evaluation allow a large number of measured values.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den unabhängigen Ansprüchen 1, 4, 11 und 12 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausprägungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2, 3 und 5 bis 10 angegeben.The object is achieved by the in the independent claims 1, 4, 11 and 12 specified features solved. Advantageous further training and expressions are in the dependent claims 2, 3 and 5 to 10.
Indem auf anspruchsvolle optische Erfassungs- oder Auswerteeinheiten verzichtet wird, gestalten sich das Verfahren und die Vorrichtung anwenderfreundlich und preiswert. Die Messergebnisse hängen in keiner Weise mehr von subjektiven Einflüssen ab, wie sie von Beobachter zu Beobachter oder auch von Messung zu Messung durch ein und denselben Beobachter bei optischen Auswerteverfahren unvermeidbar sind. Bei einer fotographischen Aufzeichnung wären immerhin noch diese Aufzeichnungen auszuwerten. Die Erfindung erlaubt weiterhin ein Ausmessen von Oberflächen, die optisch nur sehr schwer oder überhaupt nicht erfasst werden können. Weiterhin ist mit einfachen Mitteln eine Automatisierung von Messungen möglich.By opting for sophisticated Registration or evaluation units are dispensed with the method and the device user-friendly and inexpensive. The measurement results hang no longer depend on subjective influences like those of observers to observers or from measurement to measurement by one and the same Observers in optical evaluation methods are inevitable. at a photographic record would still be these records evaluate. The invention further allows measurement of surfaces that optically very difficult or at all cannot be recorded. Farther automation of measurements is possible with simple means.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is based on an embodiment are explained in more detail. In the associated The drawings show:
In einem Messgefäß
Durch die Kapillare
Bei der oben erwähnten Messung der Oberflächenspannung
einer Flüssigkeit
nach der Blasendruckmethode werden die Blasen bis zur Halbkugelform
(minimaler Radius der Blase) aufgebläht. Zu diesem Zeitpunkt erreicht
der Blasendruck sein Maximum, beispielsweise 1000 Pa. Übersteigt
dann der Blasenradius den Radius der Kapillare
Mit der messtechnischen Erfassung
des maximalen Blasendrucks, der sich bei der Ausbildung einer Blase
zwischen dem Rand der Kapillare
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist wie gesagt die Oberflächenspannung
der verwendeten Flüssigkeit
(z. B. Wasser) bekannt und deshalb nicht Messobjekt. Wird eine Blase
im Wasserbad auf die Oberfläche
An der Dreiphasengrenze Oberfläche des Prüflings, Oberfläche der Gasblase und Grenzfläche zwischen Festkörper und Gasblase besteht bei einem sich gemäß der YOUNG-schen Gleichung einstellenden Randwinkel ein Kräftegleichgewicht zwischen der benetzenden Kraft (Spreiten der Flüssigkeit) und der entnetzenden Kraft (Blasendruck).At the three-phase boundary surface of the test specimen, surface the gas bubble and interface between solid and gas bubble exists in one according to the YOUNG equation adjusting wedge angle a balance of forces between the wetting force (spreading the liquid) and the dewetting one Force (bladder pressure).
Wird das Kräftegleichgewicht durch den Druck des nachströmenden Gases gestört, weicht die 3-Phasenkontaktlinie von der Kapillare weg aus. Die Blase wird folglich in Abhängigkeit des Randwinkels mehr oder weniger stark gekrümmt. Bei einer Oberfläche mit guten Entnetzungseigenschaften, beispielsweise Teflon, muss die Blase kaum gekrümmt werden, da die 3-Phasenkontaktlinie sich längs der Oberfläche bis zum Ablösen der Blase ausbreitet. Bei einer Oberfläche mit schlechten Entnetzungseigenschaften, beispielsweise Glas, wird die Grenzfläche stark gekrümmt, weil die Unterstützung durch das Entnetzen fehlt und je nach Randwinkel die Flüssigkeit sogar die Oberfläche entgegengerichtet benetzt. Bei einer bestimmten Blasengröße treibt die Blase auf, je nachdem, wie gut sie an der Festkörperoberfläche haftet.The balance of power is achieved by pressure of the inflowing Gas disrupted deviates the 3-phase contact line away from the capillary. The bubble consequently becomes dependent of the contact angle more or less strongly curved. With a surface with good dewetting properties, for example Teflon, the Bladder hardly curved as the 3-phase contact line extends along the surface up to to peel off the bladder spreads. With a surface with poor dewetting properties, for example glass, the interface will be strongly curved because the support from dewetting is missing and, depending on the contact angle, the liquid even the surface wetted in opposite directions. At a certain bubble size that drives Inflate depending on how well it adheres to the solid surface.
Daraus kann die folgende weitere
Auswertemethode abgeleitet werden, nämlich Blasen mit einem konstanten
Volumenstrom durch die Kapillare
Beim Aufdrücken einer Blase auf eine Oberfläche durchläuft der
Blasendruck also ein Maximum, welches außer von der Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
von der Einspannung der Grenzfläche Gas/Flüssigkeit
bestimmt wird. Sobald konstruktionsbedingt ein Blasenradius erzwungen
wird, der kleiner ist als der minimale Radius, der sich an dieser
Kapillare
In
In
In
Nach einer weiteren Ausprägung der Erfindung wird anstatt einer Luftblase ein Flüssigkeitstropfen mit bekannter Oberflächenspannung (z. B. Wasser) durch eine Kanüle auf eine trockene Prüflingsoberfläche gedrückt, um den zum Spreiten nötigen Druck als Maß für das Benetzungsvermögen zu verwenden. Bei gut benetzbaren Oberflächen ist ein kleinerer Druck, bei schlecht benetzbaren Oberflächen ein größerer Druck erforderlich. Dabei wird nach einer Weiterbildung der Erfindung vor der Kapillare ein Druckspeicher angeordnet, um einen steileren Druckabfall nach dem Druckmaximum zu erreichen und damit das Druckmaximum besser abzugrenzen.After another version of the Invention instead of an air bubble is a drop of liquid with known surface tension (e.g. water) through a cannula pressed onto a dry specimen surface in order to the pressure needed to spread to be used as a measure of the wetting ability. With well wettable surfaces is a smaller print, on poorly wettable surfaces greater pressure required. This is a further development of the invention A pressure accumulator is arranged in front of the capillary to ensure a steeper pressure drop after reaching the pressure maximum and thus the pressure maximum better delineate.
- 11
- Messgefäß mit Flüssigkeit (Wasser)Measuring vessel with liquid (Water)
- 22
- Auflager für PrüflingIn stock for test object
- 33
- Prüflingexaminee
- 44
- Kapillarecapillary
- 55
- Oberfläche des PrüflingsSurface of the DUT
- αα
- Blasenaustrittswinkel zwischen Kapillare und PrüflingBladder outlet angle between capillary and test object
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DE10233696A1 true DE10233696A1 (en) | 2004-02-19 |
DE10233696B4 DE10233696B4 (en) | 2006-11-30 |
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Family Applications (1)
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- 2002-07-24 DE DE2002133696 patent/DE10233696B4/en not_active Expired - Fee Related
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