Development of a new single-step process for the production of SnO2 based gas sensors

Abstract

The research work in this thesis is based on and embedded in the knowledge of the gas sensor group at the ipc Tübingen that has been gained through the last years. Having a profound background in both, sensor fabrication technology and fundamental scientific research in the sensing mechanism of metal oxide semiconductors, provided the basis for carrying out a systematic strategy to develop a new kind of sensor fabrication method. This systematic development is the main focus of the present work. Starting point was to use the Flame Spray Pyrolysis (FSP) method to fabricate sensing material and to use this metal oxide powder for standard sensor production, i.e. screen printing. By doing so, the influence of the powder production method itself on the sensing properties was investigated. Nevertheless, the drawbacks of the screen printing method were still present. Thus, the formation of nanoparticles via FSP and the direct deposition of the latter from the aerosol phase by thermophoresis on sensor substrates was combined. This can be regarded as a milestone in the research in gas sensor development as it merges the two processes of (i) production of sensing material and (ii) fabrication of the sensing element in one single-step. To establish and further develop these promising achievements, an intensive and systematic study on this method has been carried out. To fully make use of the potential of this new sensor fabrication method a way was developed to deposit several layers consisting of different metal oxides subsequently on top of each other. The gain of this approach is to use a catalytic active metal oxide as the top layer. Finally, a complex gas sensor can be produced within one production step including the production of the sensing metal oxide containing noble metals as dopants, a second metal oxide as filter material (also with noble metals) and the deposition of these materials on sensor substrates.

Die Forschung dieser Dissertation ist eingebunden und basiert auf dem Wissen der Gas Sensor Gruppe am IPC der Universität Tübingen, das im Laufe der letzten Jahre erworben wurde. Der tiefe Hintergrund in beiden Bereichen - Herstellungsverfahren für Gas Sensoren und Grundlagenforschung an Metalloxid-Halbleitern - war die Basis, auf der ein systematischer Plan zur Entwicklung einer neuartigen Herstellungsmethode für Gassensoren gründen konnte. Diese systematische Entwicklung ist der Hauptschwerpunkt dieser Arbeit. Ausgangspunkt war der Einsatz der Flammenpyrolyse (FSP) zur Herstellung von Sensormaterial und die Verwendung dieses Metalloxid Pulvers für Standardverfahren der Sensorproduktion. Dadurch konnte der Einfluss der Pulverherstellung auf die sensitiven Eigenschaften untersucht werden. Dabei sind jedoch die Nachteile des Siebdrucks immer noch präsent. Daher wurde die Herstellung von Nanopartikeln mittels FSP und deren direkte Abscheidung aus der Gasphase auf Sensorsubstrate durch Thermophorese miteinander kombiniert. Dies stellt einen Meilenstein in der Forschung im Bereich der Entwicklung von Gassensoren, da dies die beiden Schritte (i) Produktion des sensitiven Materials und (ii) Herstellung des Sensorelements ein einen einzigen vereint. Um das bis dahin Erreichte zu stützen und weiter zu entwickeln, wurde diese Methode intensiv und systematisch untersucht. Um das Potential dieser neuen Sensorherstellungsmethode auszuschöpfen, wurde ein Prozess entwickelt, mit dem mehrere Schichten unterschiedlicher Metalloxide aufeinander abzuscheiden. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass man als oberste Schicht ein katalytisch aktives Metalloxid verwenden kann. Schließlich kann dadurch ein komplexer Gassensor in einem einzigen Schritt hergestellt werden, der die Produktion eines sensitiven Metalloxids (mit Metallen als Dotierung), eines zweiten Metalloxids als Filtermaterial (ebenfalls mit Metallen als Dotierung) und deren Abscheidung auf ein Sensorsubstrat vereint.