1 Ãberblick Ã¼ber die Sensorik

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

$D:\New\TIPOGR~1\22007Z~1\2007 â$

Seite 207 412 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.5 Charakterisierung von Grenzflächen 413 Bild 8.1.5-16: Schematischer Aufbau eines Tantalpentoxid-ISFETS (Abschnitt 8.6) [8.8]. Bild 8.1.5-15: Kennlinien des Pt/TiO 2 -Sensors mit einer druckabhängigen (p(O 2 ) oder p(CO)) Schottky-Dioden-Kennlinie nach Ausheilung im Bereich tiefer Temperaturen und einer ohmschen Kennlinie nach Ausheilung im Bereich hoher Temperaturen [8.9, 8.18]. – Lichtempfindlichkeiten und Driftprobleme in ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs, Abschnitt 8.6) zum Nachweis von pH-Werten (Bild 8.1.5-16) sind ein allgemeines Problem, das dadurch gelöst werden kann, daß die Preparation des Schichtsystems im Hinblick auf die Grenzflächenbindungen zwischen Ta 2 O 5 und SiO 2 , auf die aluminiumbedeckte Gateelektrode des Feldeffekttransistors (Band 2, Abschnitt 10.4) und auf die metallischen Grenzflächen zum Schutz der Elektrode vor lichterzeugenden Ladungsträgern optimiert wird (Bild 8.1.5-17) [8.8]. Bild 8.1.5-17: Tiefenprofilanalyse eines optimierten Gates am Tantalpentoxid-ISFET [8.8].
Seite 208 414 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.6 Funktionsprinzipien von chemischen Sensoren 415 8.1.6 Funktionsprinzipien von chemischen Sensoren In der Gassensortechnik werden im allgemeinen Bauelemente mit einem ähnlichen Aufbau und ähnlichen elektrischen Ausgangssignalen bevorzugt wie auch sonst in der Sensortechnik, d.h. der Sensor sollte nach Möglichkeit aus einem Festkörpermaterial bestehen, dessen Leitfähigkeit, Kapazität, EMK o.ä. sich möglichst linear (zumindest eindeutig) mit der Konzentration eines vorgegebenen chemischen Stoffes ändert. Diese Forderung wird z. T. erfüllt von den Metalloxidsensoren (Abschnitt 8.5) mit einer Potenzfunktion in der Ansprechempfindlichkeit. Wegen der heute noch häufig nicht gewährleisteten Langzeitstabilität werden diese allerdings im praktischen Einsatz teilweise nur mit Vorbehalt eingesetzt. An diesen Sensoren sind aber wichtige Grundprinzipien der molekularen Erkennung bereits gut verstanden, so daß derzeit weltweit eine systematische Optimierung erfolgt. Sie sollen daher im folgenden exemplarisch als Modellsysteme ausführlicher behandelt werden. Binäre und ternäre Oxide (wie auch vakuum-sublimierbare organische Substanzen) repräsentieren die wichtigste Klasse von Gas-Sensorwerkstoffen, die bei Atmosphärendruck betrieben werden können. Systematische Untersuchungen fangen üblicherweise mit den undotierten stöchiometrisch zusammengesetzten Verbindungen an, die dann systematisch verunreinigt werden mit unterschiedlichen Volumen- oder Oberflächendotierungen und dem Ziel, ihre elektronischen und/oder ionischen Leitfähigkeitseigenschaften zu optimieren. Dabei müssen zunächst die Elementarschritte der Sauerstoffwechselwirkungen verstanden werden, bevor die Wechselwirkung des Sensors mit anderen Gasen erfolgreich untersucht werden kann. Die detailliertesten Ergebnisse liegen vor für die Prototypmaterialien TiO 2 , SnO 2 , ZnO, PbPc und ZrO 2 [8.2,8.11,8.12]. Chemische Sensoren für Gasmoleküle können im Prinzip basieren auf Physisorptions-, Chemisorptions-, Oberflächendefekt-, Korngrenzen- oder Volumendefekt-Reaktionen. Aufgrund der vorwiegend energie-getriebenen Reaktionen bei tiefen Temperaturen und der entropie-getriebenen Reaktionen bei hohen Temperaturen findet bei tiefen Temperaturen bevorzugt eine Adsorption und bei höheren Temperaturen Defektreaktion und Desorption statt. Diese Prozesse müssen bei Sensoren auf Partialdruckvariationen in der Gasphase reagieren. Dabei sind reversible Änderungen erforderlich zum Betrieb eines zuverlässigen Sensors. Eine sorgfältige Auswahl von Temperatur- und Partialdruckbereichen ist deshalb extrem wichtig für den Betrieb zuverlässig anzeigender und langzeitstabiler Sensoren. Das Ziel ist dabei üblicherweise, den überwiegenden Einfluß von nur einem Typ der Festkörper/Gas-Wechselwirkung auszunutzen. Alle unterschiedlichen Sensorprinzipien zur selektiven Detektion von Teilchen können phänomenologisch einheitlich beschrieben werden. Dazu müssen thermodynamische und kinetische Konzepte der physikalischen Chemie zur Beschreibung allgemeiner chemischer Reaktionen verwendet werden. Drei unterschiedliche Typen kann man danach unterscheiden: a) Gleichgewichtssensoren (beschrieben über thermodynamische Gleichgewichte), b) umsatzratenbestimmte Sensoren (beschrieben über kinetische Fließgleichgewichtsbedingungen) und c) Einwegsensoren. Bei dem zuletzt genannten Sensortyp braucht keine Reversibilität gefordert zu werden; dennoch ist er – häufig mangels einer geeigneten Alternative – in der Praxis weitverbreitet und gewinnt vor allem bei regenerierbaren Sensoren an Bedeutung. In der praktischen Anwendung haben gegenwärtig noch alle drei Sensortypen Probleme mit der Langzeitstabilität und sogenannten Memory-Effekten, d.h. einer Abhängigkeit des Sensorsignals von der Vorgeschichte des Sensors. Hierdurch werden häufig die potentiellen Anwendungsfelder enorm eingeengt. Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeit zu lösen, ist die systematische Aufklärung des Sensorprinzips und die systematische Verbesserung der Teilkomponenten des Sensors. Im folgenden werden die grundlegenden Detektionsmechanismen kurz dargestellt. Physisorptionssensoren Dieses Funktionsprinzip ist typisch für den Einsatz bei tiefen Temperaturen. Die Physisorption beschreibt die schwache Sensor/Teilchen-Wechselwirkung ähnlich wie die intermolekulare Wechselwirkung zwischen zwei Molekulen in nicht-idealen Gasen (z.B. über van der Waals-Bindung in Band 1.3.5). Tieftemperatur-Physisorptionssensoren messen üblicherweise Änderungen in der Masse oder der Dielektrizitätskonstanten an Sensoroberflächen, an denen Chemisorptionsbindungen entweder nicht auftreten können oder kinetisch behindert sind. Da die intermolekularen Kräfte bei der Physisorption im allgemeinen relativ unselektiv sind, treten grundsätzlich Querempfindlichkeiten mit anderen Gasen auf, die z.B. durch Temperaturvariationen bei der Sensorsignalerfassung reduziert werden können. Feuchtesensoren (Abschnitt 7) sind die am häufigsten verwendeten Physisorptionssensoren, die entweder Physisorption oder Multilagen-Kondensation von Wasser bei einer festgelegten Temperatur erfassen. Chemisorptionssensoren Selektive Chemisorptionsbindungen können zu sehr spezifischen Änderungen von elektrischen oder optischen Eigenschaften des Sensors führen, wie dies am Beispiel der Chemisorption einfacher Atome und Moleküle in der Abb. 8.6.1-1 einerseits schematisch
Seite 1 und 2:
Seite 1 1 Überblick über die Sens
Seite 3 und 4:
Seite 3 4 1 Überblick über die Se
Seite 5 und 6:
Seite 5 2.1 Bändermodell 9 Die inn
Seite 7 und 8:
Seite 7 12 2.1 Bändermodell 2.1 B
Seite 9 und 10:
Seite 9 16 2.2 Stromdichtegleichung
Seite 11 und 12:
Seite 11 20 2.2 Stromdichtegleichun
Seite 13 und 14:
Seite 13 24 3.1 Überblick über di
Seite 15 und 16:
Seite 15 28 3.2 Thermoelektrische S
Seite 17 und 18:
Seite 19 und 20:
Seite 21 und 22:
Seite 23 und 24:
Seite 25 und 26:
Seite 27 und 28:
Seite 29 und 30:
Seite 31 und 32:
Seite 33 und 34:
62 3.3 Resistive Temperatursensoren
Seite 35 und 36:
Seite 37 und 38:
Seite 39 und 40:
Seite 41 und 42:
Seite 43 und 44:
Seite 45 und 46:
Seite 47 und 48:
Seite 49 und 50:
Seite 51 und 52:
Seite 53 und 54:
102 3.3 Resistive Temperatursensore
Seite 55 und 56:
Seite 57 und 58:
Seite 59 und 60:
114 3.4 Transistoren als Temperatur
Seite 61 und 62:
118 3.4 Transistoren als Temperatur
Seite 63 und 64:
Seite 61 120 3.5 Pyroelektrische Te
Seite 65 und 66:
Seite 63 124 3.5 Pyroelektrische Te
Seite 67 und 68:
Seite 65 128 3.6 Quarz-Temperaturse
Seite 69 und 70:
Seite 67 132 3.7 Faseroptische Temp
Seite 71 und 72:
Seite 69 136 3.8 Mechanische und ch
Seite 73 und 74:
Seite 70 138 4 Kraft- und Drucksens
Seite 75 und 76:
Seite 72 142 4.1 Resistive Kraft- u
Seite 77 und 78:
Seite 79 und 80:
Seite 81 und 82:
Seite 83 und 84:
Seite 85 und 86:
Seite 87 und 88:
Seite 89 und 90:
Seite 91 und 92:
Seite 93 und 94:
Seite 95 und 96:
Seite 97 und 98:
Seite 99 und 100:
Seite 101 und 102:
Seite 103 und 104:
Seite 100 198 4.2 Piezoelektrische
Seite 105 und 106:
Seite 107 und 108:
Seite 109 und 110:
Seite 111 und 112:
Seite 108 214 4.3 Induktive und kap
Seite 113 und 114:
Seite 110 218 4.3 Induktive und kap
Seite 115 und 116:
Seite 112 222 4.4 Andere Kraft- und
Seite 117 und 118:
Seite 113 224 5.1 Halleffekt-Sensor
Seite 119 und 120:
Seite 121 und 122:
Seite 123 und 124:
Seite 125 und 126:
Seite 127 und 128:
Seite 123 244 5.2 Magnetosensitive
Seite 129 und 130:
Seite 131 und 132:
Seite 133 und 134:
Seite 135 und 136:
Seite 137 und 138:
Seite 139 und 140:
Seite 141 und 142:
Seite 136 270 5.3 Spulen 5.3.1 Indu
Seite 143 und 144:
Seite 138 274 5.3 Spulen 5.3.2 Sät
Seite 145 und 146:
Seite 140 278 5.4 Wiegand- und Impu
Seite 147 und 148:
Seite 142 282 5.4 Wiegand- und Impu
Seite 149 und 150:
Seite 144 286 5.5 Andere Sensoren 5
Seite 151 und 152: Seite 146 290 5.5 Andere Sensoren 5
Seite 153 und 154: Seite 148 294 5.5 Andere Sensoren 5
Seite 155 und 156: Seite 150 298 5.5.5 Magnetodioden u
Seite 157 und 158: Seite 152 302 5.6 Anwendungen von M
Seite 159 und 160: Seite 154 306 5.6 Anwendungen von M
Seite 161 und 162: Seite 155 308 6.1 Wirkung optischer
Seite 163 und 164: Seite 157 312 6.1 Wirkung optischer
Seite 165 und 166: Seite 159 316 6.2 Kenngrößen opti
Seite 167 und 168: Seite 161 320 6.2 Kenngrößen opti
Seite 169 und 170: Seite 163 324 6.4 Photokathoden und
Seite 171 und 172: Seite 165 328 6.5 Photoleiter 6.5 P
Seite 177 und 178: Seite 171 340 6.6 Bipolare optische
Seite 187 und 188: Seite 192 382 8.1 Übersicht und Fu
Seite 201: Seite 206 410 8.1 Übersicht und Fu
Seite 211 und 212: Seite 215 428 8.2 Pellistoren 429 8
Seite 213 und 214: Seite 217 432 8.3 Elektrochemische
Seite 215 und 216: Seite 219 436 8.3 Elektrochemische
Seite 217 und 218: Seite 221 440 8.4 Sensoren mit Fest
Seite 219 und 220: Seite 223 444 8.5 Metalloxidsensore
Seite 221 und 222: Seite 225 448 8.6 Chemisch sensitiv
Seite 223 und 224: Seite 227 452 8.6 Chemisch sensitiv
Seite 225 und 226: Seite 229 456 Anhang A: Dimensionen
Seite 233 und 234: Seite 237 472 Anhang C1: Elektromot
Seite 235 und 236: Seite 239 476 Anhang C2: Verallgeme
Seite 241 und 242: Seite 245 488 Anhang D: Kennwerte v
Seite 243 und 244: Seite 247 492 Literatur Literatur 4
Seite 249 und 250: Seite 253 Index 505 Bandstruktur 15
Seite 251 und 252: Seite 255 508 Index Index 509 Fluß
Seite 253 und 254:
Seite 257 512 Index Index 513 Mach-
Seite 255:
Seite 259 516 Index Index 517 Sätt
Alle anzeigen

1 Ãberblick Ã¼ber die Sensorik

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?

1 Ãberblick Ã¼ber die Sensorik