DE10322831A1 - Peltier-Temperierkammer mit integrierter Probenverstellung und herausziehbarer Probenbühne - Google Patents

Abstract

Temperierkammern für die optische Vermessung von Kontaktwinkeln oder hängenden Tropfen dienen dazu, die Probenflüssigkeiten, die umgebenden Phasen und gegebenenfalls den zu vermessenden Festkörper auf eine vom Anwender definierte Temperatur zu halten, da die Temperatur die für die Messung wesentlichen Parameter Oberflächenspannung, Dichte und Viskosität stark beeinflusst. Hierbei ist insbesondere eine homogene Temperatur aller an der Messung beteiligten Phasen wichtig. Ebenso wichtig ist eine präzise Verstellbarkeit der Probe, ohne dass die Temperatur hiervon beeinflusst wird. DOLLAR A Um eine präzise Verstellbarkeit der Probe zu erreichen, wird eine bewegliche innere Probenbühne eingesetzt. Auf diese kann eine innere Kammer aus einem sehr wärmeleitfähigen Material gesetzt werden, um die Homogenität der Temperatur weiter zu verbessern. DOLLAR A Eine Spülung der Fenster mit inerten oder trockenen Gasen ermöglicht eine Messung unterhalb der Raumtemperatur, ohne dass die zur Messung nötigen Fenster beschlagen. DOLLAR A Ein Schubladen-ähnlicher Mechanismus ermöglicht ein leichtes Austauschen der Probe, ohne dass die Kammer weit geöffnet werden muss. So kann der beim Öffnen entstehende Temperaturgradient minimiert werden und die Genauigkeit der Temperatur bei der eigentlichen Messung erhöht werden. DOLLAR A Diese Anordnung ermöglicht das präzise Vermessen beispielsweise von Benetzungswinkeln in der Halbleiterindustrie oder die genaue Vermessung von Oberflächenspannungen von hängenden Tropfen und die ...

Description

• Beschreibung des technischen Gebietes
• Die Erfindung beschreibt eine Kammer, welche eine Probe zur Vermessung von Kontaktwinkel oder zur Messung hängender Tropfen aufnehmen und temperieren kann. Bei dieser Art der Messungen wird ein auf einer Probe liegender Tropfen mit einem Volumen von ungefähr 1 bis 5 μl im Gegenlicht mit einer Videokamera beobachtet. Das entstehende Schattenbild wird in Folge über eine Software ausgewertet und der Kontaktwinkel am sogenannten Dreiphasenpunkt bestimmt. Ebenso kann über das Videosystem über die Analyse der Krümmungsradien die Oberflächenspannung der Flüssigkeit eines hängenden Tropfens bestimmt werden.
• Die Benetzbarkeit der festen Phase sowie die Oberflächenspannung hängen stark von der Temperatur der Probe ab. Dementsprechend hoch ist die Bedeutung der Temperierkammer. Temperierkammern üblicher Bauart bestehen aus einem Unterteil, in welchem das Heiz/Kühl-Element untergebracht ist. Dieses ist fest mit der Probenplattform verbunden. Dieses Unterteil ist üblicherweise seinerseits auf einem Verstelltisch angebracht.
• Die isolierende Haube, d.h. das Oberteil, ist bei Temperierkammern üblicher Bauart klappbar mit dem Unterteil verbunden. Um verschiedene Positionen vermessen zu können ist bei Temperierkammern üblicher Bauart auf der Oberseite eine schlitzförmige Aussparung angebracht, durch welche die Dosiernadel auf die Probenoberfläche gelangen oder die Probennadel ins Sichtfeld des Videosystemes gebracht werden kann.
• Beschreibung des zugrunde liegenden Problems
• Bei Temperierkammern üblicher Bauart durch den auf der Oberseite nötigen Schlitz die Einstellung einer konstante Temperatur im Probenraum erschwert.
• Zusätzlich wird eine homogene Temperierung bei Temperierkammern üblicher Bauart dadurch erschwert, dass die Oberseite der Kammer primär der Isolierung resp. Schutz des Anwenders und nicht der Wärmeübertragung auf die Oberseite dient.
• Bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur beschlagen die Fenster von Temperierkammern üblicher Bauart sehr leicht.
• Beschreibung der Erfindung
• Bei der erfindungsgemäßen Ausführung einer Temperierkammer für die Messung von Kontaktwinkeln und hängenden Tropfen befindet sich innerhalb einer äußeren Kammer, die primär zur Isolierung nach außen hin dient, eine bewegliche Probenbühne, welche ihrerseits direkt mit dem Peltierelement temperiert wird (Anspruch 1). Dieses ist in einer beispielhaften Ausführung in 3, Element F dargestellt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist diese innere Probenbühne von außen über ein Einstellelement justierbar (Anspruch 2). Diese Justierung ist in einer beispielhaften Ausführung in den 1 bis 3 als Element B dargestellt.
• Eine homogene Temperatur innerhalb der Probenkammer wird durch das Aufsetzen einer inneren Kammer auf die Peltier-beheizte Probenbühne erreicht, welche beide aus wärmeleitendem Material gefertigt sind, wahrend die äußere Kammer zur Isolierung nach außen hin dient (Anspruch 3). Hierdurch wird erreicht, dass die Wärme um die Probe herum geleitet wird und so auch für einer Erwärmung des Probenraumes von oben ermöglicht. Die äußere Kammer dient hingegen ausschließlich zum Schutz des Anwenders vor den eventuell auf der Oberfläche der inneren Kammer auftretenden hohen Temperaturen.
• In der erfindungsgemäßen Ausführung der Temperierkammer ist darüber hinaus eine Spülvorrichtung für die Beobachtungs- und Beleuchtungsfenster integriert, welche durch Einleiten von trockenen Gasen (beispielsweise Stickstoff) dazu führt, dass die Fenster der Kammern auch bei niedrigen Temperaturen nicht beschlagen (Anspruch 4). Diese besteht in der beispielhaften Ausführung aus einem Rohr (1, 2 und 3: D), mit eingelassenen Düsen, in welche das entsprechende Gas einströmt und an den Düsen wieder ausströmt. Die Orientierung der Düsen kann in dieser Ausführung von außen so verändert werden, dass eine optimierte Spülwirkung eintritt.
• Zum Einlegen der Probe ist das Öffnen dergestalt realisiert, dass die äußere Kammer als Schublade ausgestaltet ist, mit der sich die Probenbühne und die innere Kammer herausziehen lassen (Anspruch 5). In 3 ist in einer beispielhaften Ausführung dieses Prinzip dargestellt.
• Beschreibung der vorteilhaften Wirkung der Erfindung auf den bisherigen Stand der Technik
• Mit der in Schutzanspruch 1 beschriebenen Erfindung wird das Problem vorteilhaft angegangen, welches aus dem Wunsch resultiert, die Öffnung auf der Oberseite zu minimieren und gleichzeitig eine Bewegung der Nadel zu ermöglichen. Letztere ist unbedingt erforderlich, um an verschiedenen Positionen der Probe Messungen durchführen zu können. Mit der in Schutzanspruch 1 beschriebenen inneren Bühne innerhalb der äußeren Isolierung kann eine Bewegung der Probe durchgeführt werden, ohne auf der Oberseite der Kammer eine unnötig große Öffnung zu haben, die zu einem Temperaturgradienten führt. Die Öffnung an der Oberseite muß nur noch so klein sein, dass die Dosiernadel gerade hindurch passt. Die eigentliche Positionierung der Probe wird innerhalb der Kammer mittels der inneren, direkt mit dem Peltierelement verbundenen Probenbühne durchgeführt.
• Die präzise Justierung der inneren Bühne gemäß Anspruch 2 ermöglicht hierbei eine genaue und wiederholbare Positionierung, welche für den Anwendungsfall einer wissenschaftlichen Messung als besonders vorteilhaft erscheint.
• Die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Temperierkammer durch die in Schutzanspruch 2 beschriebenen inneren Kammer, hergestellt aus einem wärmeleitfähigen Material, ermöglicht eine sehr homogene Temperierung, da die Wärme resp. Kälte durch die Wärmeleitfähigkeit der inneren Kammer dazu führt, dass um alle Außenwände der eigentlichen Kammer bzw. des Luftraums oberhalb der Probe die gleiche oder eine annähernd ähnliche Temperatur haben. Hierdurch wird der gesamte Probenraum homogener temperiert als das bei Temperierkammern üblicher Bauart ohne diese doppelte Kammer der Fall ist.
• Die Erweiterung der Temperierkammer durch die in Anspruch 4 beschriebene Spülung der Fenster durch trockene Gase ermöglicht es, dem Problem der bei niedrigen Temperaturen beschlagenden Fenster, welches eine Messung bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperature erschwert, wirkungsvoll entgegenzuwirken. Insbesondere in Kombination mit der in Schutzanspruch 3 erwähnten doppelten Kammer kann mit einer erfindungsgemäßen Ausführung der Kammer bis zu Temperaturen von -30°C gemessen werden, ohne dass die Fenster beschlagen.
• Die in Schutzanspruch 5 beschriebene Öffnung der Kammer über einen Schubladenähnlichen Mechanismus hat zusammen mit den anderen Schutzansprüchen den Vorteil, dass im Vergleich zu Temperierkammern üblicher Bauart, bei welchen das Oberteil zum Öffnen hochgeklappt werden muß, die zwangsweise durch die Öffnung entstehenden Schlitze und die daraus resultieren Inhomogenitäten in der Temperatur innerhalb der Probenkammer in ihrer Größe minimiert werden. Diese Ausführung ermöglicht insbesondere im Routinebetrieb eine schnellere Temperierung auf die Solltemperatur, da durch die Art der Öffnung als Schublade im Vergleich zu dem bei Temperierkammern üblicher Bauart üblichen Klappmechanismus ein Entweichen der Kälte/Hitze minimiert wird.
• Beschreibung einer beispielhaften Ausführung der Erfindung
• Ein Ausführungsbeispiel ist in den 1 bis 3 dargestellt. Es zeigen:
• 1 die Schublade eingeschoben
• 2 die Schublade halb offen mit eingesetzter innerer Kammer (E)
• 3 die Schublade vollständig geöffnet.
• Bei ausgezogener Schublade (3) ist die Probenbühne mit integriertem Peltierelement (F) gut zu erkennen, ebenso das Einstellelement auf der Frontseite (B).
• In 2 ist sehr gut die innere Kammer zu sehen, welche die Wärme/Kälte um den gesamten Probenraum herum transportiert.
• Auf allen Abbildungen ist gut die kleine Öffnung zu sehen, die durch Realisierung des Schutzanspruches 1 möglich wurde. Diese in Anspruch 1 beschriebene Erfindung ist beispielhaft auch in der 3, Element F dargestellt.
• Die in Schutzanspruch 3 beschriebene innere Kammer ist sehr gut in 2, Element E dargestellt.
• Die in Schutzanspruch 4 beschriebene Spülung ist in den 1 bis 3 zu erkennen, wo mit dem Element D die Anschlüsse für die Gasversorgung zu erkennen sind.
• Die in Schutzanspruch 5 beschriebene Technik der Schublade ist in den 1 bis 3 zu erkennen, wo diese als Element A dargestellt und beispielhaft ausgeführt ist.

Claims (5)

1. Eine Temperierkammer, temperiert mittels eines Peltierelements, für die Messung von Kontaktwinkeln und hängenden Tropfen, dadurch gekennzeichnet, – dass sich innerhalb einer äußeren Kammer eine bewegliche Probenbühne befindet, welche ihrerseits direkt mit dem Peltierelement temperiert wird.
2. Eine Temperierkammer nach Anspruch 1, temperiert mittels eines Peltierelements, für die Messung von Kontaktwinkeln und hängenden Tropfen, dadurch gekennzeichnet, – dass diese Probenbühne von außen über ein Einstellelement justierbar ist.
3. Eine Temperierkammer nach Anspruch 1, temperiert mittels eines Peltierelements, für die Messung von Kontaktwinkeln und hängenden Tropfen, dadurch gekennzeichnet, – dass sie als Kombination einer inneren und einer äußeren Kammer ausgeführt ist, wobei die innere Kammer aus einem wärmeleitfähigem Material gestaltet ist und die äußere Kammer zur Isolierung dient.
4. Eine Temperierkammer nach Anspruch 1, temperiert mittels eines Peltierelements, für die Messung von Kontaktwinkeln und hängenden Tropfen, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Spülvorrichtung für die Beobachtungs- und Beleuchtungsfenster integriert ist, welche durch Einleiten von trockenen Gasen (beispielsweise Stickstoff) dazu führt, dass die Fenster der Kammern auch bei niedrigen Temperaturen nicht beschlagen.
5. Eine Temperierkammer nach Anspruch 1, temperiert mittels eines Peltierelements, für die Messung von Kontaktwinkeln und hängenden Tropfen, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenebene inklusive der inneren Kammer als Schublade aus der äußeren Kammer herausgezogen werden kann.