DD292599A7

DD292599A7 - SENSITIVE COMPOSITE FILM AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD292599A7
Application number: DD29551286A
Authority: DD
Inventors: Karsten Thiessen; Christian Zehner; Horst Danzmann; Gerald Meier; Rainer Doss; Rainer Wenzek
Original assignee: Leistungselektronik Stahnsdorf
Priority date: 1986-10-23
Filing date: 1986-10-23
Publication date: 1991-08-08
Also published as: DE3734608A1; FR2605803B3; FR2605803A1

Abstract

Eine sensitive Verbundfolie zur Realisierung von Indikatoren durch Umwandlung unterschiedlicher Wirkmechanismen wie Feuchtigkeit, Fuellstand, Dehnung, Druck und Bewegung - in analoge elektrische Signale wird auf einfache Weise hergestellt. Durch Nutzung unterschiedlicher Effekte einzeln oder in Kombination, die in einer Funktionsschicht im Grenzbereich zwischen einem mit Metalloxid pigmentierten Polymer und einem modifizierten polykristallinen Metalloxid mit veraenderlicher Stoechiometrie liegen, wird eine analoge Umwandlung nichtelektrischer Groeszen in elektrische Signale erreicht. Die erfindungsgemaesze sensitive Folie bildet eine einheitliche, nicht halbleitertypische Grundstruktur fuer verschiedene Sensoren, wobei jeweils ein Primaereffekt genutzt wird und ebenfalls nutzbare Sekundaereffekte zur Kennlinienanpassung einsetzbar sind. Fig. 1{Sensorfolie; Sensorelement; Mehrfachsensor; Schichtstruktur; Polykristallin; Metalloxid; Polymer-Oxidation; Phasengrenzschicht; Stoechiometriegradient; Temperaturgradient}A sensitive composite film for the realization of indicators by converting different mechanisms of action such as moisture, level, elongation, pressure and movement - in analog electrical signals is easily produced. By using different effects, individually or in combination, which are in a functional layer in the boundary region between a metal oxide pigmented polymer and a modified polycrystalline metal oxide with variable stoichiometry, an analogous conversion of non-electrical quantities into electrical signals is achieved. The inventive sensitive film forms a uniform, non-semiconductor-typical basic structure for various sensors, wherein in each case a primary effect is used and likewise usable secondary effects can be used for the adaptation of the characteristic curve. Fig. 1 {sensor film; Sensor element; Multiple sensor; Layer structure; polycrystalline; metal oxide; Polymer-oxidation; Phase boundary layer; Stoechiometriegradient; temperature gradient}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht s::h auf eine sensitive Verbundfolie, die bei Ausnutzung unterschiedlicher Wirkmechanismen als Indikator für Feuchtigkeit, Füllstand, Dehnung, Druck und Bewegung einsetzbar ist und ein Zwischenprodukt darstellt, aus dem entsprechende Sensorelemente herstellbar sind.The invention relates to a sensitive composite film which, when utilizing different mechanisms of action, can be used as an indicator of moisture, level, elongation, pressure and movement and represents an intermediate product from which corresponding sensor elements can be produced.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind Sensorstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung für die im Anwendungsgebiet angegebenen zu indizierenden Parameter bekannt, deren Funktion insbesondere auf der Basis halbleitertypischer Mechanismen oder in Verbindung mit halbleitertypischen Effekten, z. B. piezoresistiven bzw. Hall-Effekten beruht. Da Halbleiterelemente empfindliche Oberflächeneigenschaften aufweisen, sind sie für Feuchtigkeit und aggressive Medien aufgrund ihres instabilen Verhaltens nicht technisch einsetzbar.There are sensor structures and methods for their preparation for the indicated in the field to be indexed parameters whose function, in particular on the basis of semiconductor-typical mechanisms or in connection with semiconductor typical effects, eg. B. piezoresistive or Hall effects. Since semiconductor elements have sensitive surface properties, they are not technically applicable to moisture and aggressive media because of their unstable behavior.

Als Feuchte-Sensoren sind weiterhin Elemente mit Schichten auf der Basis von Metallsalz, Metalloxid, feuchteempfindlichen Polymerschichten, Ionenaustauschern sowie polymeren Festelektrolyten bekannt. Ihre Grenzen liegen insbesondere in geringer Reversibilität (hohe Hysterese), begrenzter Ansprechempfindlichkeit bei Feuchteverminderung, begrenztem Feuchtemeßbereich sowie geringer Ansprechempfindlichkeit auf niedrige Feuchtigkeitsgehalte.As moisture sensors, elements with layers based on metal salt, metal oxide, moisture-sensitive polymer layers, ion exchangers and polymeric solid electrolytes are furthermore known. Their limitations are, in particular, low reversibility (high hysteresis), limited responsiveness in the event of moisture reduction, limited moisture measurement range and low sensitivity to low moisture contents.

Alle bekannten Sensoren sind empfindlich gegen aggressive Medien und zeigen eine hohe Anfälligkeit gagenüber kurzwelliger Strahlung.All known sensors are sensitive to aggressive media and show a high susceptibility to short-wave radiation.

Ein folienhaftes Zwischenprodukt, aus dem durch konstruktive oder verfahrenstechnische Modifikationen unterschiedliche Sensorelemente herstellbar sind, ist nicht bekannt. Eine gezielte Kompensation negativ wirkender Effekte ist bei allen bekannten Sensorelementen nicht oder nur durch zusätzlicnen elektronischen Aufwand möglich.A film-like intermediate product, from which different sensor elements can be produced by structural or procedural modifications, is not known. A targeted compensation of negative-acting effects is not possible with all known sensor elements or only by additional electronic effort.

Die verfahrenstechnsiche Umwandlung eines hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften indifferenten Polymers in eine Schicht mit definiertem elektrischem Funktionsverhalten ist nicht bekannt.The procedural transformation of a polymer which is indifferent in terms of its electrical properties into a layer having a defined electrical functional behavior is not known.

Allen bekannten Sensoren gemeinsam ist der Nachteil, daß sie ausschließlich über die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit wirksam werden, d.h. eine von außen angelegte, teilweise sehr hohe Signalspannung, teilweise als Wechselspannung, benötigen.Common to all known sensors is the disadvantage that they only take effect via the change in electrical conductivity, i. require an externally applied, sometimes very high signal voltage, partly as AC voltage.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, 0ine sensitive Verbundfolie aufzuzeigen, die mit hoher Zuverlässigkeit bei geringer Trägheit als Indikator für unterschiedliche Parameter und Einflußgrößen einsetzbar ist und mit geringem technischem Aufwand hergestellt werden kann.The object of the invention is to show a sensitive composite film which can be used with high reliability with low inertia as an indicator for different parameters and influencing variables and can be produced with little technical effort.

Darlegung des Wesen t der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine mit einfachen Mitteln hefstellbare, sensitive Verbundfolie nicht halbleitertypischer Konstruktion aufzuzeigen, die auf unterschiedliche Parameter und Einflußgrößen in einem bestimmten Bereich ihres elektrischen Fur.Ktionsverhaltens analog mit geringer Trägheit reagiert, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen. Weiterhin soll eine angelegte Meßspannung nicht ausschließliche Voraussetzung für die Sensorfunktion sein sowie eine hohe Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen einschließlich kurzwelliger Strahlung gegeben sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Funktionsschicht gelöst, die zwischen der Oberfläche einer mit Metalloxid pigmentierten polymeren Trägerschicht und einer modifizierten polykristallinen Metalloxiddeckschicht (MeOx) angeordnet ist. Die Funktionsschicht weist eine Phasengrenzstrukturauf, die zum Teil der Kettenmolekülstrukturdes Polymers angepaßt ist. Sie entsteht u.a. durch gezielte Oxidation der polymeren Oberfläche in. Wechselwirkung mit Metelloxiden, wobei durch Einbau entsprechender Ionen die Ausbildung einer lonenleitung (Polyelektrolyt) möglich wird. Durch Wechselbeziehung zwischen elektronenleitenden Bezirken der metalloxidseitigen Phasengrenzschicht mit dem Polyelektrolyt der polymerseitigen Phasengrenzschicht wird die Ausbildung lokaler Elektroden in elektrochemischem Sinne möglich. Die Herstellung erfolgt, indem ein metallischer oxidierbarer Grundkörper mittels Widerstandserwärmung an normaler Atmosphäre bzw. in einem Gasgemisch, das mindestens 20% Sauerstoff enthält, erhitzt wird, bis sich an seiner Oberfläche eine Oxidschicht von mindestens SO nm Dicke gebildet hat. Danach wird der nunmehr oxidierte Grundkörper auf eine Temperatur abgekühlt, die maximal 20% über der Sintertemperatur des polymeren Trägermaterials liegt, und das Polymer wird auf die oxidiei te Metalloberfläche aufgeschmolzen. Anschließend wird das abgekühlte Polymer einschließlich der Metalloxidschicht vom metallischen Grundkörper entfernt,The invention has for its object to provide a helfstellbare by simple means, sensitive composite film not semiconductors typical construction that reacts to different parameters and predictors in a certain range of their electrical Fur.Ktionsverhaltens analog with low inertia, and to provide a method for their preparation , Furthermore, an applied measuring voltage should not be an exclusive prerequisite for the sensor function and be given a high resistance to environmental influences including short-wave radiation. According to the invention, the object is achieved by a functional layer which is arranged between the surface of a metal oxide-pigmented polymeric carrier layer and a modified polycrystalline metal oxide topcoat (MeOx). The functional layer has a phase boundary structure that is partially matched to the chain molecular structure of the polymer. It arises u.a. by selective oxidation of the polymeric surface in. Interaction with metal oxides, whereby the incorporation of corresponding ions, the formation of an ionic conduction (polyelectrolyte) is possible. Interaction between electron-conducting regions of the metal oxide-side phase boundary layer with the polyelectrolyte of the polymer-side phase boundary layer makes possible the formation of local electrodes in an electrochemical sense. The preparation is carried out by heating a metallic oxidizable body by means of resistance heating in a normal atmosphere or in a gas mixture containing at least 20% oxygen until it has formed on its surface an oxide layer of at least SO nm thickness. Thereafter, the now oxidized body is cooled to a temperature which is at most 20% above the sintering temperature of the polymeric carrier material, and the polymer is melted onto the oxidiei te metal surface. Subsequently, the cooled polymer including the metal oxide layer is removed from the metallic base body,

Aufgrund physikalischer Bedingungen im Zusammenhang mit der Oxidation der Oberflächenschicht eines Polymers ergibt sich eine feste Haftung zwischen dem Polymer und der polykristallinen Metalloxidschicht. Sie ist größer als die Bindung der Oxidschicht an den metallischen Grundkörper.Due to physical conditions associated with the oxidation of the surface layer of a polymer, a firm adhesion between the polymer and the polycrystalline metal oxide layer results. It is larger than the bond of the oxide layer to the metallic base body.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht auf thermischem Wege im Grenzbereich zwischen dem Polymer und der Oxidschicht eine Funktionsschicht mit einer orientierten Phasengrenzstruktur, die der Struktur der Kettenmoleküle des Polymers angepaßt ist und einen definierten Stöchiometriegradienten der Metalloxidschicht in ihrer Vertikalstruktur aufweist. Wie hoch der Ant jil der sauerstoffreicheren Moleküle im Verhältnis zu sauerstoffarmen Molekülen an der Oberfläche ist, hängt von der Dicke der Oxidschicht ab. Die angegebenen 50 nm werden als unterste Grenze für die Ausbildung eines wirksamen Stöchiometriegradienten angesehen. Die in dieser Form modifizierte Oxidschicht ist porös und feuchtedurchlässig, sie weist aber trotzdem eine hohe Stabilität gegenüber aggressiven Medien auf.The inventive method thermally creates in the boundary region between the polymer and the oxide layer, a functional layer having an oriented phase boundary structure, which is adapted to the structure of the chain molecules of the polymer and has a defined Stöchiometriegradienten the metal oxide layer in its vertical structure. How high the antiperspirant molecules are relative to oxygen-poor molecules at the surface depends on the thickness of the oxide layer. The stated 50 nm are considered to be the lowest limit for the formation of an effective stoichiometric gradient. The modified in this form oxide layer is porous and moisture-permeable, but it still has a high stability against aggressive media.

Der für die Herstellung der Oxidschicht erforderliche metallische Grundkörper kf.nn durchaus Verunreinigungen aufweisen. Es ist noch nicht eindeutig anzugeben, welchen Einfluß die Metallverunreinigungen auf spezielle Eigenschaften der Phasengrenzstruktur bzw. auf die gesamte Funktionsschicht haben. Durch entsprechende Dotierung werden bestimmte Eigenschaften der Funktionsschicht gezielt beeinflußbar.The metallic base body required for the production of the oxide layer may well have impurities. It is not yet clear which influence the metal impurities have on special properties of the phase boundary structure or on the entire functional layer. By appropriate doping certain properties of the functional layer can be selectively influenced.

Die erfindungsgemäße Funktionsschicht zeichnet sich dadurch aus, daß in Verbindung mit einer porösen Inselstruktur des Metalloxids, seine·¹ veränderlichen Stöchiometrie sowie in Wechselwirkung mit unterschiedlichen Redoxpotentialen des umgebenden Mediums lokale galvanische Elemente entstehen, die eine meßbare elektromotorische Kraft generieren. Die genannten Redoxpotentiale bewirken u.a. dine signifikante Feuchte-Abhängigkeit des Signals.The functional layer according to the invention is characterized in that local galvanic cells arise in connection with a porous island structure of the metal oxide its ¹ · varying stoichiometry and in interaction with different redox potentials of the surrounding medium, which generate a measurable electromotive force. The mentioned redox potentials cause, among other things, the significant moisture dependency of the signal.

Die Zellspannungen der in der erfindungsgemäßen Funktionsschicht auftretenden lokalen Elemente beeinflussen ihrerseits den elektrolytischen und elektronischen Stromtransport durcn die Schicht und somit den elektrischen Widerstand. Verschiebungen der Mikrogeometrie innerhalb der erfindungsgemäßen Funktionsschicht in Verbindung mit Deformation der Kettenmolekülstruktur führen zu einer Veränderung der genannten elektrischen Funktionsparamter des erfindungsgemäßen Sensorelements bei unterschiedlicher mechanischer Belastung₍wie z. B. Dehnung, Diuck, Torsion. Die Elastizität der Phasengrenzstruktur, die auf der Verschiebbarkeit der Kettenmoleküle sowie der Metalloxidinseln gegeneinander beruht, wird durch den polymeren Träger unterstützt und durch die geringe Elastizität der polykristallinen Metalloxidschicht begrenzt.The cell voltages of the local elements occurring in the functional layer according to the invention in turn influence the electrolytic and electronic current transport through the layer and thus the electrical resistance. Displacements of the microgeometry within the functional layer according to the invention in conjunction with deformation of the chain molecular structure lead to a change in said electrical functional parameters of the sensor element according to the invention under different mechanical loading ₍ such as, for example, elongation, pressure, torsion, elasticity of the phase boundary structure Chain molecules and the metal oxide is based against each other, is supported by the polymeric support and limited by the low elasticity of the polycrystalline metal oxide layer.

Die mechanischen Eigenschaften des Sensors können jedoch erfindungsgemäß durch festhaftenden Verbund seiner inaktiven Fläche mit einem Material mit anderen mechanischen Eigenschaften als denen des Substrats, wie z. B. Metall-, Keramik-, Glas-, Glaskohlenstoff-oder Elast-Unterlagen, gezielt modifiziert und verbessert werden. Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Sensors kann erfindungsgemäß durch Pigmentierung des Polymers mit Metalloxiden und/oder Metallsalzen erzielt werden. Die Funktionsschicht vereinigt somit aufgrund unterschiedlicher Wirkprinzipien verschiedene Effekte in sich, wobei ein Teil dieser Effekte bekannt ist, neue Effekte deut'onr sind und durch ihre Kombination überraschende Wirkungen erzielt werden. Die dargestellten wesentlichen Mechanismen der erfindungsgemäßen Funktionsschicht führen demnach in ihrem Zusammenwirken zu einer signifikanten Abhängigkeit des elektrischen Funktionsverhaltens der erfindungsgemäßen sensitiven Folie von äußeren Parametern und Einflußgrößen, wie insbesondere von Feuchtigkeit und mechanischen Verformungsvorgängen. Neben den genannten Primärfunktionen treten durch Zusammenwirken der einzelnen Mechanismen Sekundärfunktionen wie Temperaturabhängigkeit, Gas-, Konzentrationsempfindlichkeit gegenüber chemisch aktiven Umgebungsmedien usw. auf, die bei gezielter Nutzung für unterschiedliche Aufgaben technisch verwertbar sind. In der überwiegenden Zahl der vorstellbaren Anwendungsfälle werden die Sekundärfunktionen zur Beeinflussung der Primärfunktion benutzt.However, the mechanical properties of the sensor can according to the invention by adherent bonding of its inactive surface with a material having different mechanical properties than those of the substrate, such as. As metal, ceramic, glass, glassy carbon or Elast documents, specifically modified and improved. A further improvement of the properties of the sensor can be achieved according to the invention by pigmenting the polymer with metal oxides and / or metal salts. The functional layer thus combines different effects due to different active principles, some of these effects being known, new effects being significant, and surprising effects being achieved by their combination. The illustrated essential mechanisms of the functional layer according to the invention therefore lead in their interaction to a significant dependence of the electrical functional behavior of the sensitive film according to the invention of external parameters and influencing variables, in particular of moisture and mechanical deformation processes. In addition to the primary functions mentioned, secondary functions, such as temperature dependence, gas sensitivity, concentration sensitivity to chemically active ambient media, etc. occur due to the interaction of the individual mechanisms, and these are technically exploitable for specific tasks when specifically used. In the vast majority of conceivable applications, the secondary functions are used to influence the primary function.

Eine so beeinflußbare Funktion kann als Temperaturkompensation, Nullpunktverschiebung der Funktionslinie, Schaltpunktverschiebung oder zur Beeinflussung der Steilheit eines linearen Kennlinienbereichs nuubar sein.Such an influenceable function can be nuubar as temperature compensation, zero shift of the function line, shift point shift or for influencing the steepness of a linear characteristic range.

embodiment The invention εοΙΙ be explained in more detail below using an exemplary embodiment. According to a preferred embodiment of the invention, the polymer used is polyethylene, as the metal oxide covering layer

findet Eisenoxid Verwendung.finds iron oxide use.

1 shows the basic structural design of the exemplary sensitive composite film. Between a layer 1 of a polymer having a chain molecule structure, in the selected example thus a polyethylene layer, and

einer Schicht 2 aus Eisenoxid, die eine modifizierte polykristalline Metalloxidstruktur aufweist, ist eine Funktionsschicht 3angeordnet.a layer 2 of iron oxide having a modified polycrystalline metal oxide structure, a functional layer 3 is arranged.

This functional layer 3 has a qualitatively novel phase boundary structure; it consists of one of the layers 1

zugewandten teiloxidierten Struktur 3 a sowie einer der Schicht 2 zugewandten teilreduzierten Struktur 3 b, wobei beide durchdie innerhalb der Funktionsschicht 3 verlaufende Phasengrenze 4 voneinander getrennt werden.facing partially oxidized structure 3 a and one of the layer 2 facing partially reduced structure 3 b, both of which are separated by the running within the functional layer 3 phase boundary 4 from each other.

The metal oxide cap layer has a greater porosity than the polymeric carrier layer. The porosity is idealized Pores 5 shown. They make external influences on the phase boundary effective. For the production of strip-shaped steel sheet (St38) is heated to a maximum of 400 ° C at the surface in a normal atmosphere

und ca. 15s bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend erfolgt eine Abkühlung auf 15O⁰C an der Oberfläche, bei der das Bandim Wirbelbecken ca. 20s lang mit PE 1700 beschichtet wird. Dabei steigt die Temperatur auf ca. 250°C an. Nach Abkühlung wirdder Verbund „PE" - polykristallines Eisenoxid" von dem Eisenband entfernt. Die materialinnere Metalloxidschicht bildet nun dieand held at this temperature for about 15s. This is followed by a cooling to 15O ⁰ C on the surface, in which the Bandim vortices is coated with PE 1700 for about 20s. The temperature rises to approx. 250 ° C. After cooling, the composite "PE" - polycrystalline iron oxide "is removed from the iron band. The material inner metal oxide layer now forms the

Surface and the polymer layer, the carrier body for the sensitive composite film. The thermally generated by the inventive method structure in the region of the functional layer 3 is like

folgt erklärbar:follows explainable:

Auf der dem Polyethylen zugewandten Seite der Funktionsschicht 3 bildet sich, abhängig von Form und Lage der Kettenmoleküle, eine inselförmige Struktur aus. Entsprechend bilden sich auf der dem Metalloxid zugewandten Seite inselförmige Sturkturen aus, die als Potentialträger wirken. Die Porosität der Metalloxidschicht ist durch die Poren 5 charakterisiert, deren Größe, Anzahl und Lage durch spezielle Verfahrensschritte beeinflußbar sind.On the polyethylene side facing the functional layer 3, depending on the shape and location of the chain molecules, an island-shaped structure is formed. Correspondingly, on the side facing the metal oxide, island-shaped structures form, which act as potential carriers. The porosity of the metal oxide layer is characterized by the pores 5 whose size, number and position can be influenced by special process steps.

Claims

Claim:

1. Sensitive composite film for the realization of indicators for moisture, level, elongation, pressure and movement using metal oxides and polymers, characterized in that between the surface of a polymer (1) and a modified polycrystalline metal oxide cover layer (2) has a functional layer ( 3) due to the interaction between phase boundaries, and particularly adapted to the chain molecular structure of the polymer.

2. Sensitive composite film according to claim 1, characterized in that the polymer (1) has a chemically and / or mechanically altered structure of the chain molecules.

3. Sensitive composite film according to claim 1 and 2, characterized in that the polymer (1) with

Metal oxides and / or other metal compounds is pigmented.

A composite sensitive film according to claim 1, characterized in that the modified polycrystalline metal oxide capping layer (2) has the shape MeO _{x of} variable stoichiometry associated with a stoichiometric gradient.

5. Sensitive composite film according to claim 1 and 4, characterized in that the modified polycrystalline metal oxide cover layer (2) has a porous structure.

6. Sensitive composite film according to claim 1, characterized in that the active zone of the opposite surface of the indifferent substrate is in the firmly adhering composite with a non-sensor-active material other mechanical properties than that of the substrate.

7. A method for producing a sensitive composite film as an indicator of moisture, level, elongation, pressure and movement, characterized in that a metallic oxidizable body is heated in an atmosphere having at least 20% oxygen until on its surface an oxide layer having a thickness of at least 50 nm, followed by a cooling to a temperature which is 20% above the sintering temperature of the substrate to be applied, and subsequently the polymeric support (1) is melted and, after complete cooling, the polymeric support layer including the metal oxide layer (2) be removed from the body.

8. The method according to claim 7, characterized in that the melting of the polymeric carrier takes place by means of vortex sintering.