Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren

Arbeitsgruppe Prozessmesstechnik

ifte-Institutskolloquium: Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren

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1. Optimierung der konstruktiv- technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Dresden, 19.10.2012 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design Markus Windisch
2. Gliederung Sensorprinzip Hydrogelbeschichteter Dickenscherschwinger Anforderungen Prozessüberwachung in der Oberflächentechnik Optimierung für Sensoranwendung Konstruktive Lösung Zuverlässigkeit Fertigungstechnologie Stabile Qualität Schwerpunkte der technologischen Forschung 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Folie 2 von 23
3. 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Sensorprinzip „Dickenscherschwinger“ Quelle: TU Dresden, Professur für Spezielle Physikalische Chemie / Physikalische Chemie der Polymere Folie 3 von 23
4. Parameter der Prinziplösung Hydrogel:  Polyvinylalkohol / Polyacrylsäure  Quellgrad: 200 % Dickenscherschwinger:  Resonanzfrequenz: 10 MHz (±50 kHz)  Durchmesser: 14 mm (+0 / -0,2 mm)  Elektrodenmaterial: Gold auf Titan Haftvermittler:  11-Mercaptoundecansäure 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Folie 4 von 23
5. 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Funktionsstruktur Amplituden- & Messgröße Hydrogel DSS Signalverarbeitung Änderung Messwert- verarbeitung Messwert der Eigen- schaften Phasenspektren Folie 5 von 23
6. Hydrogel- sensor 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Applikation: Industrielle Teilereinigung Reinigungsbad • ϑ = 60…80°C • pH = 3…12 • Schmutzkonzentration • Reinigerkonzentration Schmutz- eintrag Sauberkeit Tenside Builder Blasendruck- tensiometer Messung Dosierung Dosierung Folie 6 von 23
7. 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Überwachen der Builderkonzentration 0 10 20 30 40 0 2 4 6 8 0 10 20 30 40 50 60 Dosierung in l Builderkonzentration in Vol.-% Zeit in min Sauberkeit i.O. Folie 7 von 23
8. 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Anforderungen für Online-Einsatz in Prozessbädern Messabweichung  Einhalten geforderter Toleranzbereiche Ansprechzeit  Online-Einsatz Zuverlässigkeit  Funktionserfüllung unter Prozessbedingungen Δc ≤ 0,2 Vol.-% t ≤ 1 min Kalibrierintervall ≥ 1 d MTBF > 3 Monate Folie 8 von 23
9. Modell der Auswertung Konstruktive Lösung 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Optimierung der Konstruktion Amplituden- & Messgröße Hydrogel DSS Signalverarbeitung Änderung Messwert- verarbeitung Messwert der Eigen- schaften Phasenspektren Folie 9 von 23
10. Entwurf Sensorkopf 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Folie 10 von 23
11. 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Entwurf Sensorkopf Isolierrohr O-Ring Quarzscheibe Leitgummi Sensorplatine Temperatur- sensor Goldelektroden Folie 11 von 23
12. Amplituden-Frequenzgang 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren 240 10,03 10,04 10,05 magnitude (Z) / Ω frequency f /MHz 1 vol.-% 3 vol.-% 8 vol.-% 200 900 Amplitude (Z) / Ω Frequenz f / MHz 1 Vol.-% 3 Vol.-% 8 Vol.-% Folie 12 von 23
13. Sensorverhalten über der Zeit 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Amplitude (Z) / Ω Frequenz f /MHz 1 Vol.-% 3 Vol.-% 8 Vol.-% 8 Vol.-% nach 2 Wochen 3 Vol.-% nach 2 Wochen 1 Vol.-% nach 2 Wochen Folie 13 von 23
14. Fertigungs- technologie zum Schichtaufbau 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Optimierung der Technologie Amplituden- & Messgröße Hydrogel DSS Signalverarbeitung Änderung Messwert- verarbeitung Messwert der Eigen- schaften Phasenspektren Folie 14 von 23
15. Qualitätsanforderung Empfindlichkeit 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren 200 400 600 800 1000 10,02 10,03 10,04 10,05 Amplitude (Z) / Ω Frequenz f /MHz 1 Vol.-% 8 Vol.-% Anforderung: S > 300 Hz/Vol.-% Folie 15 von 23
16. 0,2 0,5 0,7 1,0 10,02 10,03 10,04 10,05 Amplitude (Z) / kΩ 10,02 10,03 10,04 10,05 Frequenz f /MHz Ist-Qualität im Musterlos (10 Stk.) 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren gute Qualität: 4 Stk. schlechte Qualität: 6 Stk. Folie 16 von 23 1 Vol.-% 8 Vol.-% 1 Vol.-% 8 Vol.-%
17. Fertigungstechnologie 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Zeit Zeit Temperatur Luftfeuchte Umgebungstemperatur Polymerkonzentration Spin-Coater Drehzahl Technologie- parameter Belegungsdichte Schichtdicke Streuung der Schichtdicke kompl. Schermodul Quellgrad Schicht- parameter Haftvermittler auftragen Polymerschicht durch Spin-Coating auftragen Thermisch vernetzen Haftvermittler- lösung Polymer- lösung ω Folie 17 von 23
18. Schichterzeugung 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Haftvermittler- lösung ω Polymer- lösung Aufbringen des unvernetzten Polymers Folie 18 von 23
19. Schichtdicke 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Aufgabe: Reduzieren der Ab- weichung der Schichtdicke lokal auf Dickenscher- schwinger Streuung im Musterlos Folie 19 von 23
20. Hydrogelsynthese 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Haftvermittler- lösung ω Polymer- lösung Thermische Vernetzung der Polymerketten Folie 20 von 23
21. Wärmewirkung und Position im Ofen 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren 0 100 200 300 400 Position in Y-Richtung /cm Empfindlichkeit S Position in X-Richtung /cm 5 10 15 20 25 15 25 5 S > 300 hohe Empfindlichkeit  hinreichende Messgenauigkeit 200 ≤ S ≤ 300 geringe Empfindlichkeit  eingeschränkt für Messung geeignet S < 200 unzureichende Empfindlichkeit  für Messung ungeeignet S = Empfindlichkeit beim Überwachen der Reinigerkonzentration in Hz/Vol.-% Folie 21 von 23
22. Schwerpunkt: Technologische Forschung 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Technologie- parameter Wertebereiche Sensor- verhalten Konzentrations- kennlinien Schicht- parameter Kontroll- merkmale Verhalten des DSS Amplituden- & Phasenspektren Qualität  Fertigungsversuche notwendig Anforderungen aus Anwendung Folie 22 von 23
23. 19.10.2012 Optimierung der konstruktiv-technologischen Lösung von Hydrogelsensoren Professur Spezielle Physikalische Chemie/ Physikalische Chemie der Polymere „[Wissenschaft ist] das Wissen um die Auswirkungen und Abhängigkeit einer Tatsache bezüglich einer anderen.“ Thomas Hobbes, englischer Philosoph und Autor (1588-1679) hydrogelsensor.blog.de Gefördert durch ein Promotionsstipendium der Folie 23 von 23