Carbon nano tubes (CNT’s) are promising candidates for several sensor applications such as optical sensors, strain gauges or flow sensors. For certain sensor structures liquid CNT dispersions are required. These are important not only for the realization of CNT-films for sensors like strain gauges but also for technological processes such as dielectrophoresis. CNT-films are realized by deposing the dispersion on a carrier material followed by a drying process. The dispersion properties depend on several parameters like CNT concentration, surfactant concentration, sonication time, centrifugation time, storing time and other parameters. Methods for characterization of dispersions are up to now limited to UV/VIS spectroscopy. This is generally limited to low CNT concentrations. This paper discusses the possibility to use impedance spectroscopy as characterization method for the stability of the dispersions. The impedance of the dispersion was measured using a conductivity measurement cell with platinum electrodes. The behavior of characteristic points of the impedance spectrum was investigated for three identically prepared samples during 7 days of storing time. The systematic trend observed is definitively larger than the variance between different samples. With increasing time after preparation the CNT fallout will increase and the amount of deposable CNT’s will decrease. The decreasing imaginary part indicates an easier diffusion of surfactant molecules because they are not longer attached to CNT’s.

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Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

O2,Pt|YSZ-Elektroden aus Platin und Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) gehören zu den am häufigsten verwendeten Festelektrolyt-Elektroden. Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Bestimmung des Restsauerstoffgehaltes in Autoabgasen mittels sogenannter Lambdasonden. Für die Messfähigkeit des Sensors ist ein möglichst geringer Transportwiderstand aller beteiligten Spezies in der jeweiligen Phase der Elektrodenstruktur vorteilhaft, sowie ein geringer Durchtrittswiderstand der Elektrodenreak-tion. Neben der Messfähigkeit des Sensors ist auch dessen Alterungsbeständigkeit wichtig. In dieser Arbeit wurden anwendungsnahe O2,Pt|YSZ-Cermet-Elektroden im Modellsystem sowie neue und realistisch gealterte Lambdasonden untersucht. Für die Charakterisierung der Modellelektroden wurden sowohl übliche Methoden (Impedanzspektroskopie, Festelektrolyt-Cyclovoltammetrie und Chronoamperometrie) eingesetzt, als auch bisher für Festelektrolyt-Elektroden nicht verbreitete Metho-den wie cyclovoltammetrische Untersuchungen in wässrigen Elektrolyten. Erstmalig wurden im tatsäch-lichen Betrieb über die gesamte Lebensdauer eines Automobils gealterte Lambdasonden mit diesen Methoden untersucht. Dies eröffnet neue Charakterisierungsmöglichkeiten zur Anwendung in der Ent-wicklung neuer und der Diagnose gealterter Elektroden von Lambdasonden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung elektrochemischer Biosensoren zur Erweiterung oder zum Ersatz herkömmlicher Diagnostikverfahren. Als Basis für die Biosensoren wurden Elektrodenarraychips entworfen und im Reinraum gefertigt. Die als 9WPtE bezeichneten Elektrodenarrays waren aus 3 x 3 Elektrodenpaaren im 96-well-Maßstab (ANSI-Standard) aufgebaut. Jedes Elektrodenpaar bestand aus einer kreisrunden Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 1,9 mm und einer Gegenelektrode als offenem Kreisring um die Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 7 mm. Außerhalb des Reinraums wurden separate Messkammern und Ag/AgCl-Referenzelektroden integriert. Sowohl das Referenzsystem als auch die Signalqualität der 9WPtE-Elektrodenarraychips wurden mittels Zyklovoltammetrie, Impedanzspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie analysiert und anhand dieser Untersuchungen optimiert. Das Augenmerk lag hierbei auf den Produktionsprozessen zur Herstellung der Elektrodenarraychips, auf den Elektrolytbedingungen für die elektrochemischen Messungen und auf der Recyclebarkeit der Chips. Die Funktionalisierung der Arbeitselektroden der 9WPtE-Chips erfolgte mit sich selbst-organisierenden Schichten aus Thiolen. An die Thiole wurden mittels Chemoligation die biologischen Erkennungskomponenten kovalent gekoppelt. Mit dem 9WPtE-Elektrodenarray wurde auf diese Weise ein funktionsfähiger kompetitiver Immunosensoren gegen den Tumormarker Tenascin C entwickelt. Außerdem wurden der 9WPtE-Chip und ein zusätzlich entwickelter Durchflusssensor, basierend auf dem Prinzip des 9WPtE, genutzt, um die Möglichkeit der Detektion ganzer eukaryotischer Zellen zu untersuchen.

La0.6Ca0.4Mn0.8Ni0.2O3-, La0.6Ca0.4Mn0.8Fe0.2O3- und La0.75Ca0.25Mn0.5Fe0.5O3-Volumenmaterialien wurden im potentiometrischen Messaufbau bereits erfolgreich auf ihre NO-Sensitivität getestet. Keramischen Nanomaterialien werden generell eine Reihe neuer oder verbesserter Eigenschaften (verbessertes Sinterverhalten, erhöhte NOx-Sensitivität, höhere Leitfähigkeit) zugesprochen. La0.6Ca0.4Mn0.8Ni0.2O3, La0.6Ca0.4Mn0.8Fe0.2O3 und La0.75Ca0.25Mn0.5Fe0.5O3 wurden mittels PVA/Sucrose-Methode, Aktivkohlemethode und Fällungssynthese als Nanomaterialien sowie mit Festkörperreaktion als Volumenmaterialien dargestellt und mit typischen Charakterisierungsmethoden untersucht. Die Materialien wurden in verschiedenen Schichtdicken auf YSZ-Substrate aufgetragen und potentiometrisch sowie impedanzspektroskopisch auf ihre NO-Sensitivität und die Querempfindlichkeit gegenüber NO2 und Propylen geprüft. Potentiometrische Messungen im NO-Gasstrom ergeben eine Abhängigkeit der NO-Sensitivität von der Partikelgröße, der Schichtdicke und der Beschichtungsmethode. Impedanzspektroskopische Messungen an beidseitig beschichteten YSZ-Substraten zeigen ebenfalls eine Abhängigkeit des Zellwiderstands von der NO-Konzentration und der Partikelgröße. Die Nanomaterialien zeigen bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken im untersuchten Temperaturbereich (300°C bis 850°C) höhere Leitfähigkeiten als die Volumenmaterialien gleicher Zusammensetzung. Dieses Verhalten wird mit dem höheren Sauerstoffaustausch der Nanomaterialien in Verbindung gebracht, der zur Erzeugung zusätzlicher Defekte in der Kristallstruktur führt. Die Nanostruktur und somit eine entsprechend hohe Leitfähigkeit bleiben bei hohen Sintertemperaturen (T > 1000°C), die der Herstellung gasdichter Presslinge dienen, erhalten. XANES- und Photoelektronenspektroskopie wurden verwendet, um die Punktdefekte zu definieren.

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

Electrical impedance of biological matter is known as electrical bio-impedance or simply as bio-impedance. Bio-impedance devices are of great value for monitoring the pathological and physiological status of biological tissues in clinical and home environments. The technological progress in instrumentation has significantly contributed to the progress that has been observed during the last past decades in impedance spectroscopy and electrical impedance cardiograph. Although bio-impedance is not a physiological parameter, the method enables tissue characterization and functional monitoring and can contribute to the monitoring of the health status of a person. In this paper an inexpensive portable multi frequency impedance cardiograph device based on impedance spectroscopy technique has been developed. By means of this system the basic thoracic impedance range and the heart-action-caused changes of impedance can be measured and the hemodynamic parameters of the heart function can be determined. This system has small size and low current consumption. The impedance cardiograph signals of the electrodes configuration by Sramek, Penney and Qu in this work was measured; compared and summarized. The differences of the measuring method, the schematic circuit diagram, the measurement results and area of application between impedance cardiograph and impedance spectroscopy were discussed and compared. The performance of this sensor-system was evaluated.

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Die Modellierung natürlicher und technischer Systeme spielt eine wichtige Rolle, um deren Verhalten zu simulieren und vorherzusagen. Die Impedanzspektroskopie ist in diesem Zusammenhang eine interessante Methode, da die Impedanz oft einfach messbar ist. Die herausfordernde Aufgabe ist die Interpretation gemessener Daten. Das Verständnis des Zusammenhanges zwischen realen Effekten und gemessener Impedanz anhand eines Impedanzmodells ist eine zentrale Problemstellung. Die Herleitung solcher Modelle wird in dieser Arbeit anhand drei verschiedenartiger Beispiele aus dem Gebiet der Messtechnik untersucht. Wirbelstromsensoren werden allgemein zur Messung von Abstand und Materialeigenschaften eingesetzt. Anhand eines Modells wird untersucht, wie diese Größen simultan bestimmbar sind. Die Messung der Zusammensetzung von Materialgemischen ist vielfach technisch relevant. Am Beispiel von Waschlaugen und Dispersionen mit Carbon Nano Tubes wird gezeigt, wie deren Zusammensetzung die Impedanz beeinflusst und welche Eigenschaften messbar sind. Batterien spielen eine wichtige Rolle zur Speicherung elektrischer Energie. Mit einem fraktionalen Differentialgleichungsmodell erfolgt eine Simulation der Batteriespannung unter wechselnden Einsatzbedingungen. Anhand der Anwendungen wird deutlich, dass es keinen Automatismus zur Modellerstellung und kein Modell für alles geben kann. Um so mehr liefert das vorgeschlagene Vorgehen einen Einstieg in die Modellerstellung. / Modeling natural and technical systems is important in order to simulate and predict their behavior. Impedance spectroscopy is an interesting method in the field of modeling because the impedance often is easily measurable. Nevertheless, interpretation of measured data is the challenging task in this field. The fundamental problem is understanding the relationship between real physical effects, measured impedance and impedance model. Fundamentals and advanced methods for deriving impedance models are investigated for three different problems in the field of measurement and sensor technology in this work. Eddy current sensors are commonly used to measure distance and material properties. Based on a model, it is investigated how these quantities can be determined simultaneously. Measuring the composition of material mixtures has many technical applications. Using the example of dispersions containing laundry detergents and dispersions with carbon nanotubes shows how their composition effects the impedance and measurable quantities. Batteries play an important role for storing electrical energy. Applying a fractional differential equation model allows a simulation of the battery voltage under varying operating conditions. Based on these applications it becomes clear, there can be no fully automated model creation method. A scientific analysis of the underlying problem is always required. The more the proposed approach provides an introduction to modeling.