1 Überblick über die Sensorik

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400 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.5 Charakterisierung von Grenzflächen 401
Bild 8.1.5-1:
Charakteristische Beispiele von Oberflächen und Grenzflächen, die bei chemischen
Sensoren ausgenutzt werden. Das spezifische Detektionsprinzip, das hier im Detail an
einem anorganischen Bauelement gezeigt ist (vgl. auch Bild 8.1.1-1b), basiert auf der
Änderung der Oberflächen-Leitfähigkeit an einem n-dotierten Halbleiter als Folge der
Ausbildung eines Oberflächenkomplexes [8.2, Abschnitt 8.5]. Das Ersatzschaltbild
unten zeigt, daß die Strom-Spannungs-Kennlinien im allgemeinen frequenzabhängig
sind. Es gibt verschiedene Sensorprinzipien, bei denen die Teilchen an den mit 1-4 gekennzeichneten
Stellen wechselwirken [8.2-5, 8.15].
l) Oberfläche,
2) Volumen,
3) Dreiphasengrenze oder Kontakt und
4) Korngrenzen.
Bild 8.1.5-2:
Charakteristische Grenzflächen an biologischen Hybridsystemen: Das Beispiel
zeigt schematisch experimentelle Ansätze, um die Funktion modifizierter biologischer
Membranen für Biosensoren elektrisch oder optisch zu charakterisieren. Geeignete
Kontakte ermöglichen das Messen von Elektronen- und/oder Ionentransport
und von Ladungsverteilungen an den Grenzflächen vor und nach der Wechselwirkung
der zu detektierenden Spezies mit bioaktiven Erkennungsstrukturen [8.4, 8.16].
Bei praktisch eingesetzten Gassensoren, die häufig auf der Basis empirischer Erfahrungen
entwickelt wurden, ist die Zusammensetzung der Grenzfläche in vielen Fällen äußerst
kompliziert, da vorwiegend polykristalline Legierungen mit einer komplizierten
chemischen Zusammensetzung verwendet werden.
Zur Bestimmung der elementaren Prozesse bei chemischen Sensoren werden dagegen z.
Zt. in der Forschung überwiegend einfachere Prototyp-Bauelemente aus einkristallinen
Werkstoffen mit eng kontrollierter Zusammensetzung untersucht, die bevorzugt unter
Reinstelektrolyt-, Inertgas- oder Ultrahochvakuumbedingungen hergestellt werden
[8.2]. Zur möglichst umfassenden Charakterisierung von praktischen, aber auch von
Prototyp-Bauelementen ist eine Vielzahl experimentelIer Techniken verfügbar, um
elektronische und ionische Leitfähigkeiten, Potentiale, elektromotorische Kräfte, optische,
magnetische oder katalytische Eigenschaften zu messen [8.2].
Die Messung der charakteristischen Oberflächeneigenschaften wird im allgemeinen als
Funktion der Partialdrücke oder Konzentrationen und der Temperatur entweder unter
Gleichgewichtsbedingungen oder zeitabhängig durchgeführt (siehe Tabelle 8.1.5, Teile
1 und 2).