Tobias Baur

Optimierung des temperaturzyklischen Betriebs von Halbleitergassensoren

Zusammenfassung Wir stellen ein Verfahren zur Optimierung des temperaturzyklischen Betriebs (TCO, temperature cycled operation) im Hinblick auf Sensorsignal, Sensitivität und Selektivität vor. Dieses basiert auf der Grundlage eines Sensormodells unter der Annahme, dass die Leitwertänderung durch die Besetzungsänderung mit ionosorbierten Sauerstoff auf dem Sensor hervorgerufen wird. Das Verfahren wurde mit einem SnO2-Sensor (AS-MLV, ams Sensor Solutions Germany GmbH, Reutlingen) auf einem Membransubstrat getestet, welches aufgrund der geringen thermischen Masse eine schnelle Temperaturänderung zulässt. Das Optimierungsverfahren kann sehr hohe Sensorsignale (GGas/GLuft − 1) erzielen, beispielsweise ein Sensorsignal von ca. 8000 bei 1 ppm ethanolhaltiger synthetischer Luft, die das isotherme Sensorsignal um den Faktor 800 übertrifft. Der Zusammenhang zwischen dem Sensorsignal und der Gaskonzentration kann für die meisten Zeitpunkte im TCO durch eine Potenzfunktion mit Exponenten von 0,5 bis 4 beschrieben werden. Es zeigt sich, dass direkt nach einem Temperaturabfall das Modell so stark vereinfacht werden kann, dass nur noch ein freier Modellparameter bleibt. Die Geschwindigkeit der Relaxation bei reduzierendem Gasangebot kann durch Ratenkonstanten beschrieben werden, die in guter Näherung proportional zur Gaskonzentration sind. Die Temperaturcharakteristik der Ratenkonstanten variiert für verschiedene Gase unabhängig von der Konzentration. Daher kann auch die Selektivität optimiert werden, wie am Beispiel von ethanol- und benzolhaltiger synthetischer Luft gezeigt wird.

Device for the detection of short trace gas pulses

Abstract A device for detection of short gas pulses at very low concentrations is presented. The approach is based on a special temperature modulation technique enabling a differential surface reduction (DSR) measurement of a metal oxide semiconductor (MOS) gas sensor. With this method, the sensor surface is highly covered with oxidized surface states at high temperature (e. g. 400 °C) initially. The temperature is then reduced abruptly to, e. g., 100 °C resulting in a state with strong excess of negative surface charge. Reactions of these surface charges with reducing gases are prevailing and lead to very high sensitivity. For the measurement a dedicated detector (electronics and fluidic system) is presented. The electronics allows a high-resolution conductance measurement of the sensitive layer and accurate temperature control. The fluidic system is examined in terms of peak shape and optimal sensor response via FEM simulations.

Facile Quantification and Identification Techniques for Reducing Gases over a Wide Concentration Range Using a MOS Sensor in Temperature-Cycled Operation

Dedicated methods for quantification and identification of reducing gases based on model-based temperature-cycled operation (TCO) using a single commercial MOS gas sensor are presented. During high temperature phases the sensor surface is highly oxidized, yielding a significant sensitivity increase after switching to lower temperatures (differential surface reduction, DSR). For low concentrations, the slope of the logarithmic conductance during this low-temperature phase is evaluated and can directly be used for quantification. For higher concentrations, the time constant for reaching a stable conductance during the same low-temperature phase is evaluated. Both signals represent the reaction rate of the reducing gas on the strongly oxidized surface at this low temperature and provide a linear calibration curve, which is exceptional for MOS sensors. By determining these reaction rates on different low-temperature plateaus and applying pattern recognition, the resulting footprint can be used for identification of different gases. All methods are tested over a wide concentration range from 10 ppb to 100 ppm (4 orders of magnitude) for four different reducing gases (CO, H2, ammonia and benzene) using randomized gas exposures.