Physikalisches Modell der Materialparameterabhängigkeit des Impedanzspektrums planarer Chemosensoren in Mehrschichtbauweise

Titelangaben

Fischerauer, Alice ; Fischerauer, Gerhard:
Physikalisches Modell der Materialparameterabhängigkeit des Impedanzspektrums planarer Chemosensoren in Mehrschichtbauweise.
In: Technisches Messen. Bd. 78 (2011) Heft 1 . - S. 15-22.
ISSN 2196-7113
DOI: https://doi.org/10.1524/teme.2011.0074

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Angaben zu Projekten

Abstract

Planare Chemosensoren bestehen häufig aus Interdigitalelektroden (IDE), die auf einem Substrat aufgebracht und in mehrere Schichten von Funktionsmaterialien wie Metalloxiden oder Ionenleitern eingebettet wurden. Die Impedanzen solcher Sensoren weisen untereinander ähnliche, charakteristische Spektren auf, was auf ein gemeinsames zugrunde liegendes Funktionsprinzip hindeutet. Zur quantitativen Erfassung der Sensorimpedanz bedarf es daher eines physikalischen Modells, das den Zusammenhang zwischen der Sensorimpedanz und den Materialparametern der eingesetzten Schichten, der Geometrie und der Betriebstemperatur beschreibt. Ausgehend von den Methoden der klassischen Halbleitertheorie wird in der vorgestellten Arbeit der durch den Sensor tretende Strom berechnet. Dabei wird der Einfluss eventuell vorhandener beweglicher Ionen durch eine elektrostatische Näherung beschrieben. Aus den ersten Harmonischen der zeitvariablen Bauteilspannung und des Bauteilstromes lässt sich dann das Impedanzspektrum des Sensors bestimmen, entsprechend der Vorgehensweise in gängigen Impedanzspektrometern. Die Variation einzelner Parameter gibt Aufschluss über das Temperaturverhalten der Sensorimpedanz und liefert Hinweise zur Bauteiloptimierung Zustandsüberwachung stellen wir ein Verfahren vor, welches die Parameter des Katalysatormodells im Betrieb nachführt, um trotz alterungsbedingter Änderungen der Systemeigenschaften die gewünschte Genauigkeit zu gewährleisten.

Abstract in weiterer Sprache

Planar chemical sensors often consist of interdigital electrodes (IDE) patterned onto a substrate and embedded in several functional layers such as metal oxides or ionic conductors. The impedances of such sensors exhibit quite similar characteristic spectra which indicates a common functional principle. The calculation of the sensor impedance requires a physics-based model which describes the causal relation between the sensor impedance on the one hand and material parameters of the layers employed, the device geometry, and the operational temperature on the other hand. Starting from classical semiconductor theory we calculate the current through the sensor. The effect of mobile ions is taken into account by an electrostatic approximation. Next the sensor impedance spectrum is derived from the first harmonics of the time-varying driving voltage and the resulting device current. This is in accordance with the approach usually implemented in commercial impedance spectrometers. By the variation of individual model parameters one is now able to investigate the temperature dependence or to deduce design rules for device optimization.