Untersuchung von Oberflächenprozessen mit Einfluss auf die Multisignalgewinnung von SnO2- und WO3-Gassensoren

Abstract

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Oberflächenreaktionen, die einen bestimmenden Einfluss auf die Multisignalgewinnung von halbleitenden Metalloxidgassensoren haben. Multisignalgewinnung im Kontext dieser Arbeit heißt, dass mit einer sensitiven Schicht durch die Variation der Betriebsparametern eine Vielzahl von Signalen erzeugt wird. Die Multisignalgewinnung wird in dieser Arbeit durch eine zyklische Variation der Schichttemperatur (Temperaturzyklus) erreicht. Temperaturzyklen haben ein großes Potential zur Erweiterung des Einsatzgebietes von Halbleitergassensoren, besonders im Hinblick auf stabile und spezifische Multigas-Messgeräte.Die Untersuchungen dieser Arbeit gliedern sich in drei Teile. Der erste Teil behandelt die Gleichgewichtseinstellung der Oberflächenladungen von SnO2-Schichten bei einer Änderung der Temperatur. Dazu werden SnO2-Schichten auf Membransubstraten, die eine schnelle thermische Gleichgewichtseinstellung aufweisen, verwendet. Die Gleichgewichtseinstellung der Oberflächenladung wird mittels der Messung der Aktivierungsenergie des Elektronentransports und einem Modell von Madou et al. bestimmt. Die Messungen zeigen, dass die Änderung der Oberflächenladung im Bereich tiefer Temperaturen ein sehr langsamer Prozess ist. Dies bedeutet für die Verwendung von Temperaturzyklen, dass bei gegebener Dauer des Zyklus, eine erforderliche Mindesttemperatur nicht unterschritten werden darf bzw. bei gegebener Temperatur eine bestimmte Dauer nicht unterschritten werden darf. Für die Anwendung von Temperaturzyklen ist zwar kein Gleichgewichtszustand der Oberflächenreaktionen notwendig, wenn die Zykluszeiten jedoch sehr viel kürzer als die Zeitkonstanten der chemischen Gleichgewichtseinstellung sind, werden sehr viel weniger spezifische Informationen gewonnen, wie am Beispiel eines schnellen Temperaturzyklus gezeigt wird. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Effekte der Wechselwirkung von Feuchte mit verschiedenen Lösemitteldämpfen auf zwei kommerziellen Sensoren. Hierbei wird die Ausprägung der Effekte und ihre Auswirkung auf die Funktionsweise von Gassensoren untersucht. Da viele Sensorsysteme unter dem Einfluss wechselnder Luftfeuchte stehen, ist die Kompensation der Änderungen des Sensorverhaltens bei wechselnder Feuchte ein wichtiges Ziel der Sensorentwicklung. Als Sensoren werden zwei Sensoren der Firma UST verwendet und zwar ein auf Pd-dotiertem SnO2 basierter Sensor (GGS 1330) und ein auf WO3 basierter Sensor (GGS 5330). Bei beiden Sensoren gibt es beim untersuchten Temperaturzyklus eine starke Wechselwirkung zwischen Feuchte und Lösemitteldämpfen. Beim GGS 1330 ist die Wechselwirkung für alle Lösemittel vorhanden und es gibt nur einen schwachen Temperaturgang. Der Feuchteeinfluss ist daher nicht mit dem Temperaturzyklus kompensierbar. Beim GGS 5330 gibt es nur für einige Lösemittel eine ausgeprägte Wechselwirkung mit Feuchte. Bei einigen Gasen erscheint eine Kompensation mit den im Temperaturzyklus gewonnenen Informationen möglich. Die Wechselwirkung beim GGS 5330 kann durch die feuchteabhängige Bildung von Brönstedt-Säuregruppen auf der Oberfläche erklärt werden. Aus diesem Grund wird im dritten Teil die feuchteabhängige Reaktion beispielhaft an der Wechselwirkung von Toluol und Feuchte auf WO3-Pulverproben untersucht. Die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte liefert einen Rückschluss auf die Oberflächenreaktionen und den Einfluss der Feuchte auf die auf diese Reaktionen. Im Fall von Toluol können deutliche Unterschiede in der Reaktion bei vorhandener und nicht vorhandener Feuchte gefunden werden.