DE10349472B4

DE10349472B4 - Beschichtungsvorrichtung für Polymere

Info

Publication number: DE10349472B4
Application number: DE2003149472
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Rapp; Florian Bender; Karl-Heinz Lubert; Achim Voigt
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: DE10349472A1

Abstract

Beschichtungsvorrichtung für Polymere als Beschichtung auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen, umfassend
a) einen um eine Drehachse (1) rotierenden Probenteller (2), mit einer elektrisch leitfähigen Telleroberfläche (11) mit Aufnahmen der elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen (13), wobei die Aufnahmen direkt auf der elektrisch leitfähigen Telleroberfläche (11) oder auf mindestens einem elektrisch nicht leitfähigen Targetbereich (12) um die Oberflächen (13) auf der Telleroberfläche (11) positioniert sind,
b) eine Elektrospray-Kapillare (3) zum Einleiten und elektrischen Aufladen eines Elektrosprays (4) in einen Raum oberhalb der Telleroberfläche (11),
c) Mittel, umfassend ortsfeste Komponenten und die leitfähige Telleroberfläche (11), zur periodisch wiederkehren den Kompensation, Überkompensation oder Ableitung von elektrischen Ladungen auf dem Targetbereich (12), den Oberflächen (13) und der Beschichtung, wobei eine Periode einer Umdrehung des Probentellers (2) entspricht, sowie
d) eine isolierende Trennwand (6), welche im Raum oberhalb der Telleroberfläche (11) angeordnet diesen in einen ersten und einen zweiten Teilraum (7,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung für Polymere auf elektrisch nicht leitfähige Oberflächen gemäß des ersten Patentanspruchs. Dies erfolgt aus einer Lösung mit einem geeigneten Lösungsmittel, welches wiederum mit einem Elektrospraybeschichtungsverfahren auf die nicht leitfähige Oberfläche gesprüht wird.
Elektrospraybeschichtungsverfahren eigenen sich insbesondere zur Erzielung gleichmäßig dicker Beschichtungen auf Substraten. Sie 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 aufgeladene Flüssigkeit, welche eine Mindestleitfähigkeit aufweisen muss und ggf. hierfür mit Additiven (z.B. Ameisensäure, Salze etc.) dotiert werden muss, zerstäubt bei Atmosphärendruck am offenen Ende der Kapillare oder Düse elektrostatisch im radialen elektrischen Feld 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. Vor dem Auftreffen teilen sich die Tröpfchen mehrfach aufgrund der Coulomb-Abstoßung der zunehmend durch Verdampfung kleiner werdenden Tröpfchen.
Dagegen sind Elektrospraybeschichtungen bei elektrisch nicht-leitfähigen Oberflächen wenig verbreitet. Werden derartige Oberflächen von geladenen Tropfen oder Nanopartikeln aus einem Elektrospray getroffen, kann die mitgeführte Ladung über die Oberfläche nicht abfließen. Dies führt zu der allgemeinen An nahme, dass durch herkömmliche Elektrospraybeschichtung auf nicht-leitfähigen Oberflächen nur verschwindend dünne Schichten aufgebracht werden können, welche in der Praxis meist nicht gewünscht werden oder einsetzbar sind. Bei der Herstellung von Funktionsbeschichtungen aus sensitiven Polymeren, wie auch bei Herstellung von SAW-Sensoren (Surface Acustic Wave) ist jedoch gerade die Beschichtung eines elektrisch nicht leitfähigen Substrates mit einem vorgegebenen Material und einer durch die Funktion vorgegebenen konstanten Schichtdicke mit geringen Toleranzen zwingend erforderlich.

In der WO 97/21848 A1 wird eine Elektrosprayvorrichtung zum Aufbringen eines Materials auf ein Substrat, wobei zwischen Substrat und Auslass des Elektrosprays (Düse) ein elektrostatisches Feld besteht, durch das eine Spraykorona elektrostatisch in Richtung einer zu beschichtenden Substratoberfläche gelenkt wird. Das elektrische Feld wird zwischen den dem geladenen Auslass und dem geerdeten Substrathalter als Elektroden eingestellt, wobei der Substrathalter entweder geerdet oder mit einem bestimmten elektrischen Potential beaufschlagt wird.

Auch die EP 0436 036 A1 offenbart eine Elektrosprayvorrichtung, bei der eine zu beschichtende Probe im Rahmen eines durchlaufenden und nicht zyklischen Beschichtungsprozesses mehrere durch Wände voneinander getrennte Zonen der Vorrichtung durchläuft.

Ferner wird in der DE 42 28 344 C2 ebenfalls eine Elektrosprayvorrichtung offenbart, bei zwischen Probe und Düse als Elektroden ein Zwischengitter angeordnet ist, wobei der an die Substratoberfläche unmittelbar angrenzende Raum lokal feldfreier gehalten werden und in dem die Elektrospray-Partikel aber über eine spezielle ionische Linse fokussierbar bleiben können.

Eine Elektrosprayvorrichtung wird auch in der US 4.748.043 vorgeschlagen. Sie setzt jedoch eine zumindest halbleitende zu beschichtende Substratoberfläche voraus, welche elektrisch direkt kontaktiert ist.

Ein besonderes Problem stellen zudem metallisch leitende Bereiche, beispielsweise Kontaktierungen, Elektroden oder elektrische Leiterbahnen auf einer zu beschichtenden, ansonsten nicht elektrisch leitfähigen Oberfläche dar. Derartige leitfähige Bereiche beeinflussen signifikant das elektrische Feld und damit lokal die Beschichtungsrate. Speziell bei der SAW-Herstellung können einzelne SAW-Kristalle in Chipform nicht gleichmäßig beschichtet werden, da Oberflächen unterschiedlicher Flächenleitfähigkeit dem Elektrospray prominent entgegenstehen. Es entsteht so eine Konkurrenz der Leitfähigkeiten und Umladekapazitäten, so dass keine einheitlich dicke Schicht abgeschieden wird. Als Folge von unzulässig hohe Abweichungen der Schichtdicke werden Elektrospraybeschichtungsverfahren für schichtdickensensitive Beschichtungen erst gar nicht in Erwägung gezogen.

Aufgabe der Erfindung 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 Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.

Die Erfindung umfasst einen um eine Drehachse rotierenden, vorzugsweise motorisch angetriebenen Probenträger, vorzugsweise einen Probenteller mit einer elektrisch leitfähigen Telleroberfläche ohne Erdung oder elektrischen Anschluss, vorzugsweise mit niedriger elektrischer Kapazität. Grundsätzlich ist die Kapazität hierbei so zu bemessen, dass eine Umladung zwischen leitfähigen und nicht leitfähigen Flächensegmenten innerhalb einer Verweilzeit eines jeden Abschnitts auf diesen Segmenten bei einer Auf- bzw. Entladung gewährleistet ist. Dadurch wird das elektrische Feld um die nicht leitenden Segmenten homogenisiert. Auf dieser Telleroberfläche befinden sich Aufnahmen für die überwiegend elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen, wobei optional der Bereich um die Aufnahmen als mindestens ein elektrisch nicht leitfähiger Targetbereich gestaltet werden kann und welcher von Bereichen der überwiegend elektrisch leitenden Oberfläche umgeben ist. Die zu beschichtenden Oberflächen, vorzugsweise auf separaten Komponenten, sind auf dem Targetbereich angeordnet und möglichst plan zu diesem ausgerichtet, wobei der Targetbereich sowohl inselartig oder auch als Ringfläche auf der Telleroberfläche angeordnet werden kann. Im Rahmen der Erfindung sind diese elektrisch nicht leitend, ausgenommen einzelner nach außen hin isolierte elektrisch leitender Teilbereiche, wie z.B. Elektroden oder elektrische Leitungen. In jedem Fall aber sind alle Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche zur Telleroberfläche elektrisch isoliert, d.h. sie weisen keinerlei elektrische Verbindungen zur Telleroberfläche auf. Ferner umfasst die Erfindung eine Elektrospray-Kapillare zum Einleiten und elektrischen Aufladen eines Elektrosprays in einen Raum oberhalb der Telleroberfläche sowie Mittel, umfassend ortsfeste, d.h. nicht mit dem Probenträger rotierende Komponenten und die leitfähige Telleroberfläche, zur periodisch wiederkehrenden Kompensation, Überkompensation oder Ableitung von elektrischen Ladungen auf dem Targetbereich, den Oberflächen und der bereits aufgebrachten Beschichtung. Eine isolierende Trennwand dient dabei der räumlichen Unterteilung des Raums oberhalb der Telleroberfläche in einen ersten und einen zweiten Teilraum, wobei die ortsfesten Komponenten der Mittel im ersten und die Elektrospray-Kapillare im zweiten Teilraum angeordnet sind. Auf diese Weise wechseln alle Flächen des Targebereichs und der zu beschichtenden Oberfläche auf der sich drehenden Telleroberfläche zyklisch zwischen den beiden Teilräumen, während die elektrisch leitfähige Telleroberfläche stets und ungefähr zu gleichen Flächenanteilen sich in beide Teilräume erstreckt.

Die Erfindung basiert also auf den folgenden Grundgedanken:

1. Durch den zyklischen Wechsel der zu beschichtenden Oberflächen zwischen den beiden Teilräumen erfolgt in einem Teilraum die Beschichtung mit dem Elektrospray bei gleichzeitigem elektrischen Aufladen dieser Oberflächen, während im anderen Teilraum die Ladungen der Oberflächenbereiche mit Hilfe der vorgenannten Mittel elektrisch kompensiert, überkompensiert oder abgeleitet werden. Die Mittel nutzen für den Ladungstransport beispielsweise eine Koronaentladung oder ein zweites Elektrospray mit gegenüber des ersten entgegen gesetzter Aufladung. Die Trennwand stellt dabei sicher, dass das Elektrospray von der zu beschichtenden Oberfläche und nicht in Richtung der vorgenannten ortsfesten Komponenten der Mittel abgeleitet wird.
2. Die Anordnung einer elektrisch leitfähigen Telleroberfläche mit Erstreckung in die Wirkungsbereiche beider Teilbereiche, d.h. sowohl in den der vorgenannten Mittel als auch in den des Elektrosprays bewirkt einen ständigen Ladungstransport von einem in den anderen Teilbereich ähnlich einer Kurzschließung. Als Gleichgewichtszustand stellt sich dabei ein Mittelwertpotential auf der Telleroberfläche, d.h. ein Potentialunterschied zum Targetbereich mit der zu beschichtenden Oberfläche ein. Dabei ist ein positiv aufgeladenes Elektrospray grundsätzlich bestrebt, im Falle eines Potentialgefälles in Richtung des Targetbereichs zu diesem umgelenkt zu werden. Beim vorgenannten Ladungstransport (Kurzschließung) fließen vergleichsweise hohe Stromstärken. Ein hoher Ladungstransport korrespondiert wiederum mit einer geringen Feldstärke und bedeutet gleichzeitig einen geringen ohmschen Widerstand ober halb der elektrisch leitenden Telleroberfläche. Die elektrische Feldstärke dient jedoch als treibende Kraft einer Elektrospraybeschichtung; eine geringe Feldstärke verringert daher die Beschichtungsrate auf der elektrisch leitfähigen Telleroberfläche. Der Gleichgewichtszustand repräsentiert somit ein Gegeneinanderwirken zweier Mechanismen, und zwar dem Aufbau eines elektrischen Felds einerseits und dem elektrischen Ladungstransport über das Elektrospray bzw. Korona-Entladung (oder anderer Mittel) andererseits. Gleichgewichtszustand und Mittelwertpotential reagieren somit sehr sensibel auf sich ändernden Parameter des Beschichtungsprozess.
3. In Folge der unter 2. genannten Zusammenhänge kommt es zu einer Fokussierung des Elektrosprays auf die elektrisch nicht leitenden Targetbereiche und dort allein dadurch zu einer leicht erhöhten Beschichtungsrate. Dabei ist grundsätzlich zu beachten, dass die elektrisch leitfähige Telleroberfläche im Gegensatz zu den eingangs genannten elektrisch leitfähigen Teilbereichen (z.B. Elektroden oder Leiterbahnen) auf der zu beschichtenden Oberfläche oder der Targebereichs stets im Einflussbereich beider Teilräume steht. Die Targetbereiche wirken daher im Vergleich zur Telleroberfläche aufgrund des sich einstellenden vergleichsweise höheren Potentialunterschieds als Elektrospraysenke, wobei sich die vergleichsweise geringen Potentialunterschiede im Targetbereich in Abhängigkeit der Oberflächenleitfähigkeit relativieren und in den Hintergrund treten.

Durch die vorgenannte Gestaltung der Beschichtungsvorrichtung lassen sich in vorteilhafter Weise Material sparende, da selektive Beschichtungen im Targetbereich realisieren.

Ferner erfolgt der Beschichtungsvorgang in vorteilhafter Weise über den gesamten Targetbereich mit nahezu konstanter Beschichtungsrate, da die Einflüsse von Oberflächenleitfähigkeitsunterschieden aus vorgenannten Überlegungen in den Hintergrund treten. Dieser Einfluss lässt sich noch weiter vermindern, wenn die zu beschichtende Oberfläche zuvor mit einem elektrisch isolierenden Haftvermittler (z.B. Parylen-C) beschichtet wird. Dieser homogenisiert grundsätzlich die elektrischen Oberflächeneigenschaften im Targetbereich und damit die Abscheidung von Elektrospray.

Ferner unterstützt die Erfindung eine Erweiterung der als Elektrospray einsetzbaren Materialien, vorzugsweise Polymere. Üblicherweise wird zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften (insb. Grundleitfähigkeit) von Elektrosprays Ameisensäure eingesetzt. Diese führt zu einer Absenkung des ph-Wertes im Elektrospray und kann damit eine vorzeitige Polymerisation im Elektrospray ungünstigstenfalls bereits beim Verlassen der Elektrospray-Kapillare induzieren. Für ein optimiertes Beschichtungsverfahren im Rahmen der Erfindung eignen sich für die Sicherstellung der erforderlichen Leitfähigkeit des Elektrosprays bereits auch einige in organischen Lösungsmitteln löslichen Salze (z.B. Tetraethylammoniumperchlorat). Derartige Salze haben den Vorteil, dass sie sich gegenüber den verwendeten Elektrospraypolymeren inert und auch nicht katalytisch verhalten. Aufgrund der lokal hohen selektiven Abscheidungsraten des Elektrosprays im Targetbereich sind, wenn überhaupt, nur geringe Konzentrationen des Salzes oder der Ameisensäure (unterhalb 1 Gew.%) im Elektrospray ausreichend.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Targetbereich und die zu beschichtende nicht elektrisch leitfähige Oberfläche zusammenzufassen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich eine elektrisch nicht leitende Oberfläche auf einem Bauteil oder einer Trägerkomponente befindet, welche auf die elektrisch leitfähige Telleroberfläche aufgesetzt ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn ein an sich nicht elektrisch leitender Probenteller auf der Telleroberfläche unter Aussparung der Targetbereiche mit einer Metallfolie überspannt oder mit einer Metallisierung versehen ist. Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn die Telleroberfläche beispielsweise zur Verbesserung der vorgenannten Fokussierung eine dreidimensionale Strukturierung oder Topographie aufweist.

Im Rahmen der Erfindung wechseln sich die eigentliche Elektrospraybeschichtung mit Hilfe der Elektrospray-Kapillare und die Kompensation mit Hilfe er vorgenannten Mittel periodisch ab. Der ursprüngliche Ladungszustand der zu beschichtenden Oberfläche wird somit regelmäßig wieder hergestellt, wodurch nachfolgende geladene Tropfen oder Nanopartikel des Elektrosprays in vorteilhafter Weise mit näherungsweise konstanten elektrostatischen Rahmenbedingungen auf der Oberfläche abgeschieden werden. Den vorgenannten periodischen Wechsel zwischen den beiden Teilräumen, d.h. den der Kompensation (oder Überkompensation einer Aufladung) und den der Elektrospraybeschichtung, erzielt man vorzugsweise dadurch, dass die zu beschichtenden Oberfläche und den Targetbereich exzentrisch auf einen drehend angetriebenen Probenteller angeordnet ist, wobei sich jeder Punkt der Oberfläche zwischen den beiden Bereichen ein- und ausschwenkt.

Die Mittel zur periodisch wiederkehrenden Kompensation, Überkompensation oder Ableitung umfassen vorzugsweise entweder einen in drei Achsen positionierbaren Korona-Entladungskegel oder eine weitere Elektrospray-Kapillare, an dem ein für eine Kompensation oder Überkompensation ausreichend hohes abweichend dem Elektrospray entgegen gesetztes elektrisches Potential angelegt ist. Der Korona-Entladungskegel dient der Erzeugung einer Korona-Gasentladung, deren Wirkung sich auf die elektrisch leitfähigen Telleroberfläche (Mittelwertpotential) einerseits und den Targetbereich (Kompensation, Überkompensation, Ableitung) andererseits erstreckt. Alternativ dient eine zweite Elektrospray-Kapillare dem Einleiten und elektrischen Aufladen eines zweiten Elektrosprays, welches zum jeweils anderen Elektrospray entgegengesetzt geladen ebenfalls auf die Telleroberfläche und den Targetbereich (mit zu beschichtender Oberfläche) einwirkt.

Weitere geeignete Mittel, mit denen eine Ladung auf der nicht elektrisch leitenden Oberfläche schnell kompensiert d.h. abge leitet wird, umfassen beispielsweise einen als elektrisch leitenden Schleifkontakt dienenden Draht oder Bürste.

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- bis Mikroampère-Bereich.

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 Kriterien gelten gleichermaßen für alle im Rahmen der Erfindung eingesetzten Elektrospray-Kapillaren, egal, ob sie zur Beschichtung oder zur Kompensation im Rahmen der vorgenannten Mittel eingesetzt werden.

Die Erfindung wird anhand möglicher Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine Ausführungsform zur Beschichtung von SAW-Sensoren mit einer periodischen Entladung mit einer Korona sowie

2a und b jeweils die Telleroberfläche 11 mit möglichen Anordnungen des Targetbereichs 12 bzw. der Komponenten mit den zu beschichtenden Oberflächen 13.

1 zeigt die Beschichtungsvorrichtung mit einen motorisch angetriebenen, um eine Drehachse 1 drehbaren Probenteller 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 5 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 Elektrosprays 4 dient. Ferner ist oberhalb des Probentellers 2 senkrecht zu diesem und fluchtend zur Drehachse 1 eine isolierende Trennwand 6 angeordnet, welche den Raum oberhalb des Probentellers in einen ersten und einen zweiten Teilraum 7 und 8 unterteilt.
Die Mittel zur Kompensation der elektrischen Ladungen auf den zu beschichtenden Oberflächen nutzen im Rahmen des Ausführungsbeispiels Korona-Plasmaionen in der Funktion als Ladungsträger aus. Durch die Trennwand 6 von der Elektrospray-Kapillare 3 räumlich getrennt ist hierzu ein Korona-Entladekegel 9 angeordnet. Er ist wie die Elektrospray-Kapillare 3 durch eine nicht weiter dargestellte Vorrichtung auf drei Achsen verschiebbar und ist an einer zweiten Ladungsquelle 10 angeschlossen, welche ein von der Ladung des Elektrosprays 4 abweichendes und für ein Überspringen der elektrischen Ladung ausreichend abweichendes elektrisches Potential einspeist.
Der Probenteller 2 weist eine elektrisch leitfähige, aber zur Umgebung elektrisch isolierte Telleroberfläche 11 auf. Auf dieser befinden sich inselartig vier Targetbereiche 12 (1) mit elektrisch nicht leitender Oberfläche, auf denen die zu beschichtenden Substrate 13 für SAW-Sensoren plan aufliegen.
Alternative Gestaltungen des Probentellers 2 sind in den 2a und b wiedergegeben. 2a zeigt einen um die Drehachse 1 ringförmigen angeordneten Targetbereich 12, auf dem mehrere Komponenten mit zu beschichtenden Oberflächen aufgesetzt sind. 2b zeigt eine alternative Ausführungsform mit einem elektrisch leitfähigen Probenteller 2, auf dessen Oberfläche 11 elektrisch nicht leitende Komponenten je mit einer zu beschichtenden Oberfläche 13 direkt und ohne separaten Targetbereich aufgesetzt sind.
In allen in 1, 2a und 2b dargestellten Probenteller sind die Targetbereiche 12 bzw. die zu beschichtenden Oberflächen 13 vorzugsweise in einem Abstand von der Drehachse 1 im Bereich zwischen 1/2 und 3/4 des Radius des Probentellers auf der Telleroberfläche positioniert. Ideal ist ein Abstand im Bereich von 2/3 des Radius, da dieser Radius ungefähr die Telleroberfläche in zwei gleichgroße Teilflächen (Innenkreisfläche und äußere Ringfläche) unterteilt und dabei von beiden Teilflächen in erster Näherung ähnlich große Anziehungskräfte auf die Targetbereiche bzw. die zu beschichtenden Oberflächen wirken.
Der Korona-Entladekegel 9 wird durch die Spitze einer Entladungsnadelnadel 14 gebildet und ist direkt auf die Telleroberfläche 11 und die Targetbereiche 12 ausgerichtet. Von diesem verteilen sich die Feldlinien der Korona-Gasentladung auf den gesamten Bereich der Telleroberfläche im Teilraum 8, wobei sich die Ladungen auf den Targetbereichen bzw. den zu beschichtenden Oberflächen nicht nur kompensieren sondern auch negativ überkompensieren lassen. Dies führt dazu, dass diese Flächen ein negatives Potential aufweisen und nach einem erneuten Einschwenken in den Wirkbereich des Elektrosprays 4 dieses in vorteilhafter Weise besonders effektiv fokussiert wird.
Ein weiterer Vorteil einer Korona-Gasentladung liegt darin, dass die Korona-Ionen gleichmäßig auf den gesamten bereich der Telleroberfläche einwirken. Als Ergebnis erhält man einen sehr breiten Homogenitätsbereich in den Targetbereichen mit homogenen Beschichtungsgeschwindigkeiten und damit Beschichtungen besonders hoher Qualität und Reproduzierbarkeit sowie gleichmäßiger Dicke.
Die Halterung und Kontaktierung der Korona-Spitze erfolgt vorzugsweise in einem elektrisch isolierenden PEEK-Halter, der einen einfachen Austausch der Koronaspitze gestattet.
Alternativ zu dem Korona-Entladungkegel 9 wird bei ansonsten identischem Aufbau und Rahmenbedingungen als ortsfeste Komponente der vorgenannten Mittel eine nicht weiter dargestellte zweite Elektrospray-Kapillare zur Einleitung eines zweiten entgegengesetzt geladenen Elektrosprays vorgeschlagen. Sie ist grundsätzlich in Bezug auf die isolierende Trannwand 6 spiegelbildlich zu der Elektrospray-Kapillare 3 anzuordnen und wie diese auch über eine nicht weiter dargestellte Positionierung in drei Richtungen verschiebbar. Dabei können die beiden Elektrospray-Kapillare gleiche oder auch unterschiedliche Elektrosprays versprühen, wobei bezüglich der vorgenannten Additive (Ameisensäure, Salze etc.) für beide Elektrosprays die gleichen Rahmenbedingungen gelten. Identische Elektrospraymaterialien in beiden Teilräumen führen zu homogenen Beschichtungen und zu verkürzten Prozesszeiten, während unterschiedliche Elektrospraymaterialien die Möglichkeiten eines Mehrlagenschichtverbundes oder Mehrphasenschichtverbunds eröffnen. Die zweite Elektrospray-Kapillare kann aber auch zur Einleitung eines Ladungsträgers herangezogen werden, welcher als flüchtiger Bestandteil nicht in der Beschichtung eingebaut wird.
Die beschriebene Ausführungsform wurde für die Beschichtung von SAW-Sensoren mit PCFV (Poly-(chlortrifluorethylen-co-vinylidenfluorid)) eingesetzt. Das PCFV wurde hierbei mit einem Mengenverhältnis von 2 mg/ml PCFV in Tetrahydrofuran/Methanol (80:20) als Lösungsmittel in Lösung gebracht. Als Elektrospray erfolgte ein 35 Minuten andauernde Beschichtung mit einer Flussrate von 60 μl/h (entspricht 1 μl/min), wobei sich der Probenteller mit 1000 U/min rotierte. Der Abstand zwischen Elektrospray-Kapillare und Probenteller betrug dabei 25 mm, der Winkel der Elektrospray-Kapillare zur Trennwand 60°. Als Potential der Elektrospray-Kapillare wurden +3,7 kV vorgegeben, wobei sich während des Beschichtungsvorgang ein Kapillarstrom von 40 nA einstellte.
Der Abstand Korona-Entladungskegel (Wolframspitze) zum Probenteller betrug 5 mm, der Winkel zwischen Korona-Entladungskegel (Wolframspitze) und Trennwand 28°, das Potential an der Wolframspitze -2,0 kV.

1: Drehachse
2: Probenteller
3: Elektrospray-Kapillare
4: Elektrospray
5: Ladungsquelle für Elektrospray-Kapillare
6: isolierende Trennwand
7: erster Teilraum
8: zweiter Teilraum
9: Korona-Entladekegel
10: zweite Ladungsquelle
11: Telleroberfläche
12: Targetbereich
13: zu beschichtende Oberfläche
14: Entladungsnadel

Claims

Beschichtungsvorrichtung für Polymere als Beschichtung auf elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen, umfassend a) einen um eine Drehachse (1) rotierenden Probenteller (2), mit einer elektrisch leitfähigen Telleroberfläche (11) mit Aufnahmen der elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen (13), wobei die Aufnahmen direkt auf der elektrisch leitfähigen Telleroberfläche (11) oder auf mindestens einem elektrisch nicht leitfähigen Targetbereich (12) um die Oberflächen (13) auf der Telleroberfläche (11) positioniert sind, b) eine Elektrospray-Kapillare (3) zum Einleiten und elektrischen Aufladen eines Elektrosprays (4) in einen Raum oberhalb der Telleroberfläche (11), c) Mittel, umfassend ortsfeste Komponenten und die leitfähige Telleroberfläche (11), zur periodisch wiederkehren den Kompensation, Überkompensation oder Ableitung von elektrischen Ladungen auf dem Targetbereich (12), den Oberflächen (13) und der Beschichtung, wobei eine Periode einer Umdrehung des Probentellers (2) entspricht, sowie d) eine isolierende Trennwand (6), welche im Raum oberhalb der Telleroberfläche (11) angeordnet diesen in einen ersten und einen zweiten Teilraum (7, 8) unterteilt, wobei die ortsfesten Komponenten der Mittel im ersten und die Elektrospray-Kapillare (3) im zweiten Teilraum (7, 8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenteller (2) aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebaut ist und die Telleroberfläche (11) eine Metallisierung mit niedriger elektrischer Kapazität aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (6) senkrecht zur Telleroberfläche (11) angeordnet ist und knapp oberhalb dieser endet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten Komponenten einen in drei Achsen positionierbaren Korona-Entladungskegel (9) umfassen, an dem ein für eine Korona-Gasentladung ausreichendes, vom Potential des Elektrosprays (14) abweichendes und dem Potential des Elektrosprays (4) entgegengesetztes elektrisches Potential angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten Komponenten 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 ein dem Potential des Elektrosprays (4) entgegen gesetztes elektrisches Potential aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Targetbereich (12) durch eine Unterbrechung der Metallisierung gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Targetbereich (12) in einem Abstand von der Drehachse (1) auf der Telleroberfläche (11) positioniert ist, welcher im Bereich zwischen 1/2 und 3/4 des Radius des Probentellers (2) liegt.