An den Grenzen von SnO2 Dickschichtsensoren : Leistungsfähigkeit in geringen O2 und H2O Konzentrationen - Miniaturisierung durch CMOS Technologie

Abstract

Three main topics were investigated within this work: the basic of sensing mechanism of SnO2 thick film sensor in special conditions; the investigation of the potential of a sensor array based on conventional thick film sensors for the solving of a relevant application and the gas sensing performance of an innovative microsensor system based on a combination of standard CMOS and non-standard post processing technologies. · It was shown that CO and C3H8 sensing is possible even in the presence of very low concentrations of O2 and H2O (in the range of ppm). The sensing characteristics, derived from conductivity measurements of undoped, Pd/Pt doped SnO2 thick film sensors depend strongly on the amount of O2 and H2O and the kind of sensor doping. · The discrimination power of a SnO2 thick film sensor array consisting of 5 differently doped sensors was evaluated. The target gases were CO and CH4, individually and combined, in varying humidity background. Conventional methods like PCA showed that a good discrimination of CO and CH4 was possible at all humidity levels and mixtures. Linear regression methods carried out to determine the test gas concentration showed good results for CO, CH4 and their mixtures as long as the humidity background did not change. For the case of changing H2O concentrations, better results were obtained by using non-linear regression methods. · A microsensor system realised by a combination of CMOS technology and non-CMOS post processing was characterised from the point of view of gas sensing. The characterisation was performed at different humdities and operation temperatures. Good signals were obtained for the different test gases like CO, propanol, propanal, ethylacetate, methane, methylcyclohexane, octane and toluene. It was proved that the on-chip electronic successfully regulates the membrane temperature of the sensing layer so that no influence of changing humidity, gas exposure and flow was observed.

Drei Themen wurden innerhalb dieser Arbeit behandelt: Die Grundlagen des Reaktionsmeachnismus von SnO2 Dickschichtsensoren unter speziellen Bedingungen, die Anwendbarkeit eines Sensorarray für eine bestimmte Problemstellung (Gasleckdetektion) und die Charakterisierung eines neu entwickelten CMOS-prozessierten Mikrosensors. · Es wurde gezeigt, dass man CO und C3H8 in Gegenwart von nur sehr geringen O2-und H2O-Konzentrationen (ppm Bereich) messen kann. Der Reaktionsmechanismus, der aufgrund von Leitfähigkeitsmessungen aufgestellt wurde, zeigt, dass das Verhalten von Pd/Pt-dotierten und undotierte SnO2 Dickschichtsensoren stark von der Konzentration von O2, H2O und der Dotierung abhängt. · Die Möglichkeit der Qualifizierung und Quantifizierung von CO, CH4 und Mischungen beider Komponenten bei unterschiedlichen Feuchten wurde mit einem Sensorarray untersucht, das aus 5 verschiedenen SnO2 Dickschichtsensoren bestand. Mit Hilfe einer Hauptkomponentenanalyse gelang eine Unterscheidung von CO und CH4 bei allen Feuchten. Methoden der Linearen Regression zur Quantifizierung lieferten gute Resultate, solange die Feuchte nicht variierte wurde. Im Falle unterschiedlicher Feuchten wurden bessere Resultate mit nicht-linearen Regressionsmethoden erhalten. · Ein Mikrosensor, hergestellt aus einer Kombination von CMOS-Technologie und 'non-CMOS post-processing' wurde in Hinsicht auf seine Empfindlichkeit charakterisiert. Dazu wurden Messungen bei verschiedenen Temperaturen, Feuchten mit unterschiedlichen Testgasen durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die 'on-chip' Elektronik die Sensortemperatur erfolgreich regelte, so dass keine Einflüsse aufgrund wechselnder Feuchten, Gasflüsse und Testgase beobachtet werden konnten.