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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag April 1, 2015

Optimierung des temperaturzyklischen Betriebs von Halbleitergassensoren

Optimization of temperature cycled operation of semiconductor gas sensors
Tobias Baur

Tobias Baur absolviert derzeit sein Masterstudium der Mikrotechnologie und Nanostrukturen an der Universität des Saarlandes. Bereits seit seinem Bachelorstudium arbeitet er als wissenschaftliche Hilfskraft an dem Lehrstuhl für Messtechnik der Universität des Saarlandes bei Prof. Dr. Andreas Schütze. Schwerpunktmäßig untersucht er dabei chemische Messsysteme, insbesondere Halbleitergassensoren. Im Rahmen seiner Bachelorarbeit erforschte er ein Modell eines Halbleitergassensors im temperaturzyklischen Betrieb, welches Gegenstand des vorliegenden Artikels ist. Durch ein Stipendium der European Cooperation in Science and Technology (COST) bekam er die Möglichkeit einer Short Term Scientific Mission (STSM) an der Universität Oulu (Finnland). Vor Ort untersuchte er die Herstellung von sensitiven Schichten für Halbleitergassensors mit Hilfe des Pulsed Laser Deposition (PLD; Laserstrahlverdampfen).

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

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, Andreas Schütze

Andreas Schütze studierte Physik an der RWTH Aachen und promovierte in Angewandter Physik an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Nach einer mehrjährigen Tätigkeit in der Wirtschaft wurde er 1998 als Professor für Sensorik und Mikrosystemtechnik an die FH Niederrhein berufen. Seit 2000 leitet er den Lehrstuhl für Messtechnik in der Fachrichtung Mechatronik der Universität des Saarlandes. Seine Forschungsschwerpunkte sind chemische Messsysteme für die Gasphase und für Flüssigkeiten sowie Condition Monitoring. Er ist u. a. Koordinator mehrere internationaler Verbundprojekte, Vorsitzender des Wissenschaftsrates der AMA, Verband für Sensorik und Messtechnik, (seit 2009) sowie Vorstandsmitglied der f. m. s., Forschungsgesellschaft für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik e. V. Dresden, und Vorsitzender des fms/ProcessNet-Gemeinschaftsausschusses Sensoren und Sensorsysteme (seit 2010) sowie Mitglied von IEEE und VDE. An der Universität des Saarlandes ist er einer der Gründer des Mikrotechnologie-Transferzentrum Mitranz und des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) GmbH. Er ist aktiv als Mitglied des Editorial Boards und Gutachter für verschiedene wissenschaftliche Zeitschriften (u. a. J Sensors and Sensor Systems, J of Sensors, Sensors & Actuators B, IEEE Sensors Journal) und Mitglied des Programmkomitees verschiedener Tagungen und Konferenzen. Er betreibt seit 2006 das Schülerlabor SinnTec und engagiert sich in der Nachwuchsförderung, insbesondere mit Themen aus dem Bereich Sensorik und Messtechnik.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

and Tilman Sauerwald

Tilman Sauerwald promovierte im Institut für Angewandelte Physik an der Universität Gießen. Während seiner Promotion beschäftigte er sich mit Oberflächenreaktionen auf Halbleitergassensoren, besonders im temperaturzyklischen Betrieb sowie mit der Entwicklung neuer Gassensormaterialien. Seit 2011 arbeitet er am Lehrstuhl für Messtechnik an der Universität des Saarlandes. Seine derzeitigen Forschungsaktivitäten beziehen sich auf die selektive In-situ-Messung von Spurengasen mit Sensorsystemen. Die Untersuchungen umfassen ein breites Themenfeld: von Methodenentwicklung für die Herstellung von Prüfgasen und anderen Kalibrierstandards im ppb Bereich, über die Modellierung und Optimierung der Multisignalgewinnung im temperaturzyklischen Betrieb, bis zur Fortentwicklung mathematischer Methoden für die Sensorsignalauswertungen. Ein weiteres Forschungsfeld ist die Entwicklung von Kalibrationsverfahren für Sensorsysteme im Feld und zur Sensorselbstüberwachung. Tilman Sauerwald leitet zwei Arbeitspakete in einem europäischen Verbundprojekt zur Messung von toxischen Spurengasen in Innenraumluft und hält einen Researcher Excellence Grant für die Herstellung von Referenzmaterialien zur Emissionsmessung sowie zur Modellierung von Sensoren.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Wir stellen ein Verfahren zur Optimierung des temperaturzyklischen Betriebs (TCO, temperature cycled operation) im Hinblick auf Sensorsignal, Sensitivität und Selektivität vor. Dieses basiert auf der Grundlage eines Sensormodells unter der Annahme, dass die Leitwertänderung durch die Besetzungsänderung mit ionosorbierten Sauerstoff auf dem Sensor hervorgerufen wird. Das Verfahren wurde mit einem SnO2-Sensor (AS-MLV, ams Sensor Solutions Germany GmbH, Reutlingen) auf einem Membransubstrat getestet, welches aufgrund der geringen thermischen Masse eine schnelle Temperaturänderung zulässt. Das Optimierungsverfahren kann sehr hohe Sensorsignale (GGas/GLuft − 1) erzielen, beispielsweise ein Sensorsignal von ca. 8000 bei 1 ppm ethanolhaltiger synthetischer Luft, die das isotherme Sensorsignal um den Faktor 800 übertrifft. Der Zusammenhang zwischen dem Sensorsignal und der Gaskonzentration kann für die meisten Zeitpunkte im TCO durch eine Potenzfunktion mit Exponenten von 0,5 bis 4 beschrieben werden. Es zeigt sich, dass direkt nach einem Temperaturabfall das Modell so stark vereinfacht werden kann, dass nur noch ein freier Modellparameter bleibt. Die Geschwindigkeit der Relaxation bei reduzierendem Gasangebot kann durch Ratenkonstanten beschrieben werden, die in guter Näherung proportional zur Gaskonzentration sind. Die Temperaturcharakteristik der Ratenkonstanten variiert für verschiedene Gase unabhängig von der Konzentration. Daher kann auch die Selektivität optimiert werden, wie am Beispiel von ethanol- und benzolhaltiger synthetischer Luft gezeigt wird.

Abstract

A method for optimization of temperature cycled operation (TCO) with respect to sensor response, sensitivity and selectivity is introduced based on a simplified sensor model regarding the change of occupancy of ionosorbed oxygen on the sensor. The method was tested using a SnO2 sensor (AS-MLV, ams Sensor Solutions Germany GmbH, Reutlingen) on a membrane which allows a fast temperature change due to its low thermal mass. This method can achieve very high sensor responses, e. g. a sensor response (Ggas/Gair − 1) of approx. 8000 to 1 ppm ethanol in synthetic air, which exceeds the isothermal sensor response by the factor 800. The relation between sensor response and gas concentration can be for most of the points within the TCO approximated by a power function with an exponent of about 0.5 to 4. It is shown that directly after a temperature drop only one model parameter is relevant. The speed of relaxation in reducing gas can be described by rate constants which are proportional to the gas concentration. The temperature characteristic of the rate constants varies for different gases independent of concentration. Therefore, also the selectivity can be optimised shown for the example with benzene and ethanol in synthetic air.

Über die Autoren

Tobias Baur

Tobias Baur absolviert derzeit sein Masterstudium der Mikrotechnologie und Nanostrukturen an der Universität des Saarlandes. Bereits seit seinem Bachelorstudium arbeitet er als wissenschaftliche Hilfskraft an dem Lehrstuhl für Messtechnik der Universität des Saarlandes bei Prof. Dr. Andreas Schütze. Schwerpunktmäßig untersucht er dabei chemische Messsysteme, insbesondere Halbleitergassensoren. Im Rahmen seiner Bachelorarbeit erforschte er ein Modell eines Halbleitergassensors im temperaturzyklischen Betrieb, welches Gegenstand des vorliegenden Artikels ist. Durch ein Stipendium der European Cooperation in Science and Technology (COST) bekam er die Möglichkeit einer Short Term Scientific Mission (STSM) an der Universität Oulu (Finnland). Vor Ort untersuchte er die Herstellung von sensitiven Schichten für Halbleitergassensors mit Hilfe des Pulsed Laser Deposition (PLD; Laserstrahlverdampfen).

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

Andreas Schütze

Andreas Schütze studierte Physik an der RWTH Aachen und promovierte in Angewandter Physik an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Nach einer mehrjährigen Tätigkeit in der Wirtschaft wurde er 1998 als Professor für Sensorik und Mikrosystemtechnik an die FH Niederrhein berufen. Seit 2000 leitet er den Lehrstuhl für Messtechnik in der Fachrichtung Mechatronik der Universität des Saarlandes. Seine Forschungsschwerpunkte sind chemische Messsysteme für die Gasphase und für Flüssigkeiten sowie Condition Monitoring. Er ist u. a. Koordinator mehrere internationaler Verbundprojekte, Vorsitzender des Wissenschaftsrates der AMA, Verband für Sensorik und Messtechnik, (seit 2009) sowie Vorstandsmitglied der f. m. s., Forschungsgesellschaft für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik e. V. Dresden, und Vorsitzender des fms/ProcessNet-Gemeinschaftsausschusses Sensoren und Sensorsysteme (seit 2010) sowie Mitglied von IEEE und VDE. An der Universität des Saarlandes ist er einer der Gründer des Mikrotechnologie-Transferzentrum Mitranz und des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) GmbH. Er ist aktiv als Mitglied des Editorial Boards und Gutachter für verschiedene wissenschaftliche Zeitschriften (u. a. J Sensors and Sensor Systems, J of Sensors, Sensors & Actuators B, IEEE Sensors Journal) und Mitglied des Programmkomitees verschiedener Tagungen und Konferenzen. Er betreibt seit 2006 das Schülerlabor SinnTec und engagiert sich in der Nachwuchsförderung, insbesondere mit Themen aus dem Bereich Sensorik und Messtechnik.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

Tilman Sauerwald

Tilman Sauerwald promovierte im Institut für Angewandelte Physik an der Universität Gießen. Während seiner Promotion beschäftigte er sich mit Oberflächenreaktionen auf Halbleitergassensoren, besonders im temperaturzyklischen Betrieb sowie mit der Entwicklung neuer Gassensormaterialien. Seit 2011 arbeitet er am Lehrstuhl für Messtechnik an der Universität des Saarlandes. Seine derzeitigen Forschungsaktivitäten beziehen sich auf die selektive In-situ-Messung von Spurengasen mit Sensorsystemen. Die Untersuchungen umfassen ein breites Themenfeld: von Methodenentwicklung für die Herstellung von Prüfgasen und anderen Kalibrierstandards im ppb Bereich, über die Modellierung und Optimierung der Multisignalgewinnung im temperaturzyklischen Betrieb, bis zur Fortentwicklung mathematischer Methoden für die Sensorsignalauswertungen. Ein weiteres Forschungsfeld ist die Entwicklung von Kalibrationsverfahren für Sensorsysteme im Feld und zur Sensorselbstüberwachung. Tilman Sauerwald leitet zwei Arbeitspakete in einem europäischen Verbundprojekt zur Messung von toxischen Spurengasen in Innenraumluft und hält einen Researcher Excellence Grant für die Herstellung von Referenzmaterialien zur Emissionsmessung sowie zur Modellierung von Sensoren.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

Danksagung

Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (MNT-ERA.net-Projekts VOC-IDS Förderkennzeichen 16SV5480K) sowie durch die Europäische Union (FP7 Projekt SENSIndoor) gefördert.

Erhalten: 2015-1-7
Angenommen: 2015-2-22
Online erschienen: 2015-4-1
Erschienen im Druck: 2015-4-28

©2015 Walter de Gruyter Berlin/Boston

Downloaded on 6.12.2022 from frontend.live.degruyter.dgbricks.com/document/doi/10.1515/teme-2014-0007/html
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