Instabilität im Einschaltverhalten von WO3 - Gassensoren

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden Leitwerteigenschaften von WO3 - Dickschichtsensoren untersucht. Im Vordergrund steht das zeitliche Verhalten des Leitwerts nach Ein- bzw. Abschalten einer Spannung. Das Anlegen einer Messspannung ist eine der Ursachen für die Drift der Signale von Gassensoren.Die Leitwertbestimmung erfolgt mittels Impedanzspektroskopie im Zeitbereich. Dabei wird die Stromantwort des Sensors auf einen Spannungssprung gemessen. Das Anlegen einer Spannung versetzt die sensitive Schicht in einen Nichtgleichgewichtszustand. Bei der Einstellung eines neuen Gleichgewichts (Polarisation) treten mindestens zwei temperatur- und spannungsabhängige Effekte mit typischen Zeiten zwischen einigen 10 ms und mehreren 100 s auf. Der Leitwertsverlauf nach dem Abschalten der Messspannung (Relaxation) zeigt ebenfalls mindestens zwei Effekte mit typischen Zeiten im Bereich von 10 ms bis zu einigen 100 s. Mit Hilfe einer 4-Punkt-Elektrodenstruktur lässt sich der Spannungsabfall für drei Schichtbereiche entlang der Strompfade bestimmen. Aus dem Spannungsabfall und dem Sensorstrom kann jeweils ein zeitabhängiger Leitwert berechnet werden. Der Leitwert des Schichtbereichs an der positiven Elektrode durchläuft während der Polarisation ein Minimum und während der Relaxation ein Maximum. Der Leitwert des Schichtbereichs an der negativen Elektrode durchläuft während der Polarisation ein Maximum und während der Relaxation ein Minimum.Zur Erklärung der Polarisations- und Relaxationseffekte werden Simulationsrechnungen durchgeführt. Der 'schnelle' Prozess wird dabei auf bewegliche Donatoren und der 'langsame' Prozess auf Umbesetzung von Oberflächenzuständen zurückgeführt. Das Anlegen einer Gleichspannung führt nach diesem Modell zu einer Veränderung der Konzentration von Donatoren entlang des Strompfads. Die unterschiedliche Donatorendichte hat eine Veränderung des Schichtwiderstands entlang des Strompfads zur Folge. Der 'langsame' Effekte der Umbesetzung von Oberflächenzuständen gleicht dann die Unterschiede des Schichtwiderstands aus. Im polarisierten Zustand hat der Bereich an der positiven Elektrode eine niedrigere Donatorendichte und eine geringere Sauerstoffbedeckung als der Bereich an der negativen Elektrode.Es wird nun versucht diese Effekte für eine Selektivitätssteigerung zu nutzen. Eine Möglichkeit des selektiven Nachweises von Gasen ist die Verwendung von Sensorarrays. Neben der Verwendung von mehreren Sensoren als paralleles Sensorarray, kann über eine zyklische Variation der Betriebsparameter ein zeitsequentielles Sensorarray erzeugt werden. Übliche Methoden für zeitsequentielle Sensorarrays sind z.B. Temperaturzyklen oder das Anlegen zyklisch variierte externe Felder. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein PC-basiertes Messsystem entwickelt, das den Betrieb eines 4-Punkt-Sensors mit zyklisch variierter Messspannung ermöglicht. Zur Visualisierung und Auswertung der Messdaten wurde ein Programm zur Interaktiven Algorithmenoptimierung (InAlo) entwickelt. Mit Hilfe dieser Software werden aus den spannungszyklischen Messungen Signale generiert, die bei Detektion von NO2 die Querempfindlichkeit auf Ethanol und Feuchte verringern.Die während der Polarisation und der Relaxation (siehe oben) auftretenden Effekte zeigen ein temperaturabhängiges Verhalten. Mit steigender Temperatur werden die typischen Zeiten kleiner. Das ermöglicht es, den Sensor durch ein spezielles Temperatur-Messspannungsprofil in einem polarisierten Zustand