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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard

12 Issues per year


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ISSN
2196-7113
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Volume 78, Issue 1

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Physikalisches Modell der Materialparameterabhängigkeit des Impedanzspektrums planarer Chemosensoren in Mehrschichtbauweise

Alice Fischerauer / Gerhard Fischerauer
Published Online: 2010-12-20 | DOI: https://doi.org/10.1524/teme.2011.0074

Zusammenfassung

Planare Chemosensoren bestehen häufig aus Interdigitalelektroden (IDE), die auf einem Substrat aufgebracht und in mehrere Schichten von Funktionsmaterialien wie Metalloxiden oder Ionenleitern eingebettet wurden. Die Impedanzen solcher Sensoren weisen untereinander ähnliche, charakteristische Spektren auf, was auf ein gemeinsames zugrunde liegendes Funktionsprinzip hindeutet. Zur quantitativen Erfassung der Sensorimpedanz bedarf es daher eines physikalischen Modells, das den Zusammenhang zwischen der Sensorimpedanz und den Materialparametern der eingesetzten Schichten, der Geometrie und der Betriebstemperatur beschreibt. Ausgehend von den Methoden der klassischen Halbleitertheorie wird in der vorgestellten Arbeit der durch den Sensor tretende Strom berechnet. Dabei wird der Einfluss eventuell vorhandener beweglicher Ionen durch eine elektrostatische Näherung beschrieben. Aus den ersten Harmonischen der zeitvariablen Bauteilspannung und des Bauteilstromes lässt sich dann das Impedanzspektrum des Sensors bestimmen, entsprechend der Vorgehensweise in gängigen Impedanzspektrometern. Die Variation einzelner Parameter gibt Aufschluss über das Temperaturverhalten der Sensorimpedanz und liefert Hinweise zur Bauteiloptimierung.

Abstract

Planar chemical sensors often consist of interdigital electrodes (IDE) patterned onto a substrate and embedded in several functional layers such as metal oxides or ionic conductors. The impedances of such sensors exhibit quite similar characteristic spectra which indicates a common functional principle. The calculation of the sensor impedance requires a physics-based model which describes the causal relation between the sensor impedance on the one hand and material parameters of the layers employed, the device geometry, and the operational temperature on the other hand. Starting from classical semiconductor theory we calculate the current through the sensor. The effect of mobile ions is taken into account by an electrostatic approximation. Next the sensor impedance spectrum is derived from the first harmonics of the time-varying driving voltage and the resulting device current. This is in accordance with the approach usually implemented in commercial impedance spectrometers. By the variation of individual model parameters one is now able to investigate the temperature dependence or to deduce design rules for device optimization.

Keywords: impedance spectroscopy; chemical sensor; ionic conductor; physics-based model

About the article

* Correspondence address: Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik, 95440 Bayreuth,


Published Online: 2010-12-20

Published in Print: 2011-01-01


Citation Information: tm - Technisches Messen Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik, Volume 78, Issue 1, Pages 15–22, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1524/teme.2011.0074.

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