Sensoren

Während für die Messung physikalischer Größen, wie z.B. der Temperatur, geeignete Sensoren zur Verfügung stehen, muss bei der Bestimmung chemischer Größen, z.B. der qualitativen oder quantitativen chemischen Zusammensetzung von Stoffen, der chemische Sachverhalt zuerst in ein physikalisch messbares Signal überführt werden.

Zusätzlich zum Aufnehmen oder Beobachten eines Messwerts spielt die selektive Detektion eines Stoffes (Analyt) durch eine Bio- oder Chemo-Erkennungsschicht eine wichtige Rolle.

Daraus resultiert der Aufbau eines Sensors aus sensitiver Schicht (Rezeptor) und Transducer, kombiniert mit einer elektronischen Auswerteinheit. Dies wird auch oft als Sensorsystem bezeichnet.

Nach dem neuesten Stand der Technik werden solche Sensoren hergestellt, indem ein polykristalliner, dicker, poröser Film des Metalloxids auf ein Substrat aufgetragen wird, das mit Elektroden und einem Heizer versehen ist. Die Elektroden dienen dazu, den Widerstand der sensitiven Schicht zu messen. Der Heizer wird dazu benutzt, das Substrat auf eine bestimmte Temperatur zwischen 200 °C und 400 °C zu heizen, um die Vorgänge an der Oberfläche zu beschleunigen und den Einfluss von Feuchtigkeit zu minimieren. In den meisten Fällen werden winzige Mengen an Edelmetallen (wie z.B. Pt, Pd oder Au) an der Oberfläche eingebaut, um die Selektivität zu erhöhen, die Arbeitstemperatur zu verringern und die Antwortzeit zu verbessern.

Auf einem Halbleitermetalloxid lagert sich in Luft an der Oberfläche ionosorbierter Sauerstoff an, der im Falle eines n-Typ Halbleiters die Konzentration an freien Ladungsträgern verringert und an der Oberfläche festhält. Wenn ein reduzierendes Gas (z.B. CO) in die Umgebung gelangt, verringert seine Reaktion mit adsorbiertem Sauerstoff die negative Oberflächenladung, was im Gesamten zu einer Abnahme des Widerstandes führt.

Die Abhängigkeit der Leitfähigkeit / des Widerstandes eines Sensors ist nicht linear abhängig von der Konzentration des Testgases. Grund dafür ist die Art und Weise wie der Prozess des Ladungstransports, der mit der Oberflächenreaktion zusammenhängt, in eine Änderung der Konzentration der freien Ladungsträger umgewandelt wird.

Tatsächlich sind die Phänomene, die während des Messens stattfinden, viel komplexer und beinhalten Katalyse zwischen dem Halbleitermetalloxid und den Elektroden und auf den Edelmetallpartikeln und Leitungsmechanismen, die von Korn-Korn-Grenzen abhängig sind. Außerdem kann die Änderung der Beweglichkeit der freien Ladungsträger und ein möglicher Gradient der Testgaskonzentration einen Einfluss haben etc.. Deshalb kann mit der Widerstandsmessung alleine das Verhalten des Sensors nicht wirklich verstanden werden. Experimente, die unter idealisierten Bedingungen durchgeführt werden – UHV, Einkristalle, Niedrigtemperatur – können trotz leistungsstarker Spektroskopiemethoden die Eigenschaften des Sensors während der Anwendungsbedingung nicht beschreiben.

Ansatzpunkt der AG Weimar ist deshalb der gleichzeitige Gebrauch von sich ergänzenden spektroskopischen und phänomenologischen Methoden. Proben, die realen Sensoren möglichst ähnlich sind, werden unter Bedingungen gemessen, die so nah wie möglich an realen Arbeitsbedingungen sind („operando“ Bedingungen).

Weitere Informationen zu Chemosensoren unter AG Weimar, AG Gauglitz.