Optische Aktivierung zur Selektivitätssteigerung gegenüber reduzierenden Gasen eines Ozonsensors auf Halbleiterbasis

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die optische Aktivierung eines Ozonsensors zur Selektivitätssteigerung untersucht. Die Wirkschichten der verwendeten Sensoren basieren auf einer im KIT-6 Verfahren hergestellten Indium(III)-oxid-Schicht.Zur Bestimmung einer in Anwendungen häufig relevanten Querempfindlichkeit des Sensors wurde Methan als Prototyp eines Kohlenwasserstoffes untersucht.In einer selbst aufgebauten Messanordnung konnte die temperaturabhängige Umsetzung von Methan zu Kohlenstoffdioxid durch Indium(III)-oxid sowohl bei zusätzlichem Angebot von Ozon, als auch ohne, untersucht werden. Die Messungen zeigten, dass die Umsetzung von Methan durch die Anwesenheit von Ozon gesteigert wird. Aus dem Vergleich mit Leitwertmessungen unter gleichzeitigem Angebot von Methan und Ozon ergab sich, dass Methan und Ozon in einer Oberflächenreaktion umgesetzt werden, die nur wenig zum Sensorsignal beiträgt.Im Hauptteil der Arbeit wurde die zyklische Aktivierung von Indiumoxid zunächst mit Bandlü-ckenlicht und dann mit Sub-Bandlückenlicht zur Erzeugung eines reproduzierbaren Sensorsig-nals bei niedrigen Temperaturen untersucht. Im Kit-6 Verfahren hergestelltes mesoporöses Indium(III)-oxid mit einer hohen spezifischen Oberfläche von 100 m2g-1 erwies sich als beson-ders geeignet.Diese Indiumoxid-Sensorschichten wurden bezüglich eines optimalen Bestrahlungszyklus und bezüglich der Intensitätsabhängigkeit bei Angebot der genannten Gase untersucht. Zykluszeiten von 20 s Dauer stellten sich als geeignet heraus, um Sättigungswerte zu erhalten. Zusätzlich wurde der Einfluss variierender Feuchte auf das gewählte Messverfahren untersucht; eine detailliertere Auswertung des zyklischen Signalverlaufs ermöglichte es die zunächst beobachtete Drift aus dem Ausgangssignal herauszurechnen. Bei Überlagerung eines thermischen Zyklus zum Bestrahlungszyklus lässt sich mit nur einem Sensorelement neben der Ozonkonzentration auch die Methankonzentration quantitativ bestimmen. The optical activation of an ozone sensor was investigated in order to increase the selectivity. The active layers of the sensors used are based on Indium (III) oxide synthesized in the KIT-6 procedure.In order to determine the most relevant cross sensitivity of the sensor to hydrocarbons, me-thane was used as a prototype gas. In a self-constructed and -built measuring setup the tem-perature dependence of the conversion from methane to carbon dioxide by Indium (III) oxide was investigated in the absence and presence of ozone. The measurements revealed that the conversion of methane is increased during the presence of ozone. A comparison with conductance measurements under simultaneous offer of methane and ozone indicated that methane and ozone undergo a surface reaction only slightly contributing to the sensor signal.In the main part of this work the cyclic activation of indium oxide was examined with bandgap and sub-bandgap light to generate a reproducible sensor signal at low temperatures. Indi-um (III) oxide, synthesized by the Kit-6 process with a high specific surface of 100 m2g-1 proved to be particularly suitable. These indiumoxide-sensor layers were examined with the goal to develop an optimum irradiation cycle and with respect to the light-intensity dependency during exposure to the gases mentioned above. Cycle times of 20 s duration were found to be sufficient in order to obtain saturation values.In addition, the influence of varying moisture values on the signal has been studied; a more detailed evaluation of the waveform during the cycle allowed for the elimination of the initially observed signal drift. The superposition of thermal and illumination cycles allows for the determination of methane- and ozone concentration using only one single In2O3 sensor layer.