1 Überblick über die Sensorik

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422 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.6 Grundlagen der molekularen Erkennung in Gassensoren 423
ßerordentlich empfindlich beeinflussen. Die damit um Zehnerpotenzen variierbaren Gesamtleitfähigkeiten
werden beispielsweise in sogenannten Taguchi-Sensoren (Abschnitt
8.5) zum Nachweis von reduzierbaren Gasen ausgenutzt.
im TiO 2 , W L und W V die Leitungsband- bzw. Valenzbandkanten, |q|U CPD die Kontaktpotentialdifferenz,
W vac,Zr das Vakuumniveau von Zirkon, U = W F / |q| die vorgegebene
äußere Spannung und W vac, TPB das Vakuumniveau der Dreiphasengrenze
Grenzflächen- und Dreiphasengrenzen-Sensoren
Dieser Sensortyp wird durch drei charakteristische Beispiele beschrieben:
– Ein erstes Beispiel ist der chemisch sensitive Feldeffekt-Transistor (CHEMFET,
Abschnitt 8.6) mit Potentialvariationen an inneren Grenzflächen (Bild 8.1.5-16).
– Ein zweites Beispiel ist die Ausnutzung von gemischter Leitung von PbPc und Ionenleitung
von AgJ zum elektrochemischen Erfassen von O 2 - und NO 2 -Partialdrucken
mit typischen Ergebnissen und einem schematischen Aufbau in Bild 8.1.6-9.
Einzelheiten der chemischen Zusammensetzung, geometrischen Strukturen und Volumenspezies,
Grenzflächenreaktionen mit den eingefangenen Ionen O 2
2-
und NO 2
-
sowie den Bandkanten W V , W L und dem Bandgap W g , der Austrittsarbeit Φ, sowie
dem Ferminiveau W F folgen aus spektroskopischen Untersuchungen.
– Das dritte Beispiel eines Dreiphasen-Grenzflächensensors ist die Schottky-Diode
(Band 2, Abschnitt 9.2) in Bild 8.6.1-8 an einer Pt/TiO 2 -Grenzfläche (vgl. Bild 8.1.5-
14). Nach Eindiffusion der Pt-Atome ins TiO 2 geht die Diodenkennlinie in eine ohmsche
Gerade über (vgl. Bild 8.1.5-15). Im ersten Fall erfolgt eine gasspezifische Verschiebung
der Kennlinie, im zweiten Fall eine gasspezifische Änderung der Steigung
der Geraden.
Bild 8.1.6-8: Potentialverhältnisse an der Dreiphasengrenze Pt/Gas/TiO 2 (vgl. 8.1.5-14) [8.9].
Darin bedeuten W F ,W'F, W'' F die Ferminiveaus bei unterschiedlicher Austrittsarbeit,
eingestellt über unterschiedliche O 2 -Partialdrücke. Χ TiO2 ist die Elektronenaffinität,
Φ SB die Schottky-Barrieren-Höhe an der Grenzfläche, |q|∆U s die Bandverbiegung
Bild 8.1.6-9:
Schematischer Aufbau eines elektrochemischen Festkörpersensors zum potentiometrischen
Nachweis von NO 2 und O 2 und Darstellung der Funktion dieses Sensors
im Bänderschema mit Angabe der verschiedenen elektronen-, ionen- und gemischtleitenden
Bereiche [8.11 und 12, s. auch Abschnitt 8.4].
Darin bedeuten W F das Fermi-Niveau, W g die Bandlücke, φ die Austrittsarbeit,
W vac das Vakuumniveau. Der Elektronenleiter Ag kontaktiert den Ag + -Ionenleiter
AgI und dieser den gemischten Leiter (O 2 - , I 2 - , h + ) Bleiphthalocyanin (PbPc).
Letzterer wird durch gasdurchlässigen Kohlenstoff C elektronisch kontaktiert. Die an
dem Sensor auftretende Zellspannung EMK U = (W F´-W F " )/|q| ist proportional zu
RT/2F · ln(p O2 ) bzw. proportional zu RT/2F · ln(p NO2 ) (s. Abschnitt 8.4). Die po-