Reine und dotierte SnO2 Feinstpulver und Einkristalle wurden mit verschiedenen Methoden hergestellt. Die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Dotierungsart und der Dotierungskonzentration wurde untersucht. Die Dotierung mit fünfwertigen Elementen (Sb, Nb) führt zur Erniedrigung des spezifischen elektrischen Widerstandes und die Dotierung mit dreiwertigen Elementen (z.B. In) zu seiner Erhöhung. An den dotierten Materialien kann mittels XPS eine Segregationsschicht nachgewiesen werden. Der Umfang dieser Schicht ist abhängig sowohl von dem Dotierungselement, als auch von den Herstellungsbedingungen (z.B. Temperatur und Temperungszeit). Für die Pulver wird, im Gegensatz zu den Einkristallen, kein thermodynamisches Gleichgewicht für Segregationsprozess im untersuchten Zeitfenster gefunden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Model vorgestellt, dass es erlaubt, die Dicke der Segregationsschicht, als auch der verbleibenden Volumenkonzentration der Dotierungselement im SnO2 Kristallit zu berechnen. Die Volumenkonzentration beträgt in Abhängigkeit von der Dotierungsart und Temperatur bis zu 70% der gesamten Dotierungskonzentration. Die sich ausbildende Segregationsschicht erreicht einen Bedeckungsgrad von bis zu einer Monolage. Die Aktivierungsenergie der Diffusion, sowie die freie Enthalpie des Segregationsprozesses können für die hier untersuchten Dotierungselemente in SnO2 bestimmt werden.

Att hitta instrument för att efterlikna den mänskliga näsan har under en längre tid varit ett område som intresserar forskare. Dessa instrument kan potentiellt vara ett användbart verktyg för att uppnå FN:s uppsatta globala mål för att nå en hållbar utveckling, Agenda 2030. Projektet är en experimentell kvantitativ studie och syftet är att undersöka möjligheten att ta fram ett fristående mätsystem för detektering och identifiering av sur mjölk och ruttet kött i ett kylskåp. Ett trådlöst mätsystem med en serie gassensorer är framtaget tillsammans med ett gränssnitt för fjärrstyrning. Mätningar utfördes på kända mätobjekt under två veckor. Därefter utfördes mätningar på okända mätobjekt under lika lång tid. Resultatet från studien visade att det framtagna mätsystemet kan detektera och identifiera sur mjölk och ruttet kött utan extern programvara. Mätsystemet en tillförlitlighet på 89% när det gäller att klassificera okända mätobjekt. Denna studie visar att mätsystemet kan detektera och identifiera sur mjölk och ruttet kött via fjärrstyrning. / To find devices mimicking the human nose have under some time been an area of interest for researchers. These devices can potentially be a useful tool to achieve UN: s global goals for sustainable development, Agenda 2030. This project is an experimental quantitative study with the aim to investigate the possibility to create a stand-alone measuring system for detecting and identifying spoiled milk and rotten meat in a fridge. A wireless measuring system with an array of gas sensors was developed together with interface for remote control. Measurements was made from known measuring objects for two weeks. Thereafter measurements of unknown measuring objects were also done for two weeks. The result of the study showed that the developed measuring system can be remotely controlled to detect and identify spoiled milk and rotten meat without external software. The measuring system has an accuracy of 89% when it comes to classify unknown measurement objects. This study shows that the measuring system can detect and identify spoiled milk and rotten meat via remote control.

I takt med att tekniken för mikroelektromekaniska system utvecklas uppkommer det nya områden för tillämpning. Ett område är inom gassensorer där icke-dispersiv infraröd strålning används genom att mäta absorptionen hos olika gaser för att bestämma mängden av en specifik gas i luften. I detta projekt var målet att använda en vågledare med en infraröd lysdiod på ena sidan och en fotodetektor på andra sidan där vågledaren har som uppgift att utsätta ljuset för maximal mängd koldioxid innandet träffar fotodetektorn. Motiveringen för valet av koldioxid var att det är en gas som har stor påverkan på både klimat och arbetsmiljö. Metoden som ansågs vara bäst för placeringen av tidigare nämnda komponenter var att använda programmerbara rörelseenheter som kallas hexapod som består av sex ben som möjliggör tredimensionella rörelser och rotationer kring varje axel i det kartesiska koordinatsystemet. Experiment där elektromagnetiska störningar från lysdioden undersöktes vilket visade att det förekom elektromagnetisk störning samt att lysdioden påverkade fotodetektorn genom spridning trots att lysdiod och fotodetektor inte var vända mot varandra. / As the technology for microelectromechanical systems develops, new areas of application are emerging. One area is within gas sensors where non-dispersive infrared radiation is used by measuring the absorption of various gases to determine the concentration of a specific gas in the air. In this project, the goal was to use a waveguide with an infrared LED on one side and a photodetector on the other side where the waveguide has the task of exposing the light to the maximum amount of carbon dioxide before it hits the photodetector. The reason for the choice of carbon dioxide was that it is a gas that has a great impact on both the climate and the working environment. The method that was considered to be best for the placement of the aforementioned components was to use programmable motion units called hexapods which consist of six struts that enable three-dimensional movements and rotations around each axis of the Cartesian coordinate system. Experiments in which the electromagnetic interference from the LED were investigated showed that there was electromagnetic interference and that the LED affected the photodetector by scattering, even though the LED and photodetector were not facing each other.

In this work the influence of solid electrolyte additives on the gas sensing properties of tin oxide layers was investigated systematically for the first time. NASICON (NAtrium, Super Ionic CONductor, Na(1+x)Zr2SixP(3-x)O12; 0 <= x <= 3) was used as a model for solid electrolyte additives. The structure of that material is ideally suitable for studies of the correlation between material parameters and the gas sensitivity of the layers. In the NASICON structure the content of mobile Na+-ions can be varied by a factor of four resulting in a simultaneous change of the ionic conductivity sigma(Na+) by approximately three orders of magnitude without considerable structural alterations. Powders of SnO2 and NASICON (x = 0; 2.2; 3) were prepared separately by means of sol-gel routes and mixed in a volume ratio of 80/20. Pastes were prepared from these powders with different compositions and screen printed on alumina substrates with a fourfold structure of thin film gold electrode combs. Four different compositions were characterised simultaneously at elevated temperatures in various gas atmospheres. The conductivity of the layers, when measured in air, decreases considerably with increasing Na+-content in the NASICON additive. This is correlated with enhanced activation energy of the electronic conductivity. The sensitivity of the layers to polar organic molecules like R-OH (alcohols), R-HO (aldehydes) and ROOH (carboxylic acids) is highly enhanced by the NASICON additive. This is observed especially on the admixtures with NASICON of high Na+-content (x = 2.2 and x = 3). On the other hand, the sensitivity to substances with mid-standing functional groups like 2-propanol or propanone can not be enhanced by NASICON additives. Furthermore the sensitivity of these composite layers to CO, H2, NH3, methane, propane, propene and toluene (all exposed as admixtures with air) is lower than the sensitivity of pure SnO2-layers. These observations are well correlated with the results of gas consumption measurements on SnO2/NASICON powders by means of FTIR spectroscopy. In spite of the lack of surface analytical data, a model of surface chemical gas reactions based on a triple phase boundary (SnO2/NASICON/gas atmosphere) was developed, which explains the experimental observations qualitatively. It is assumed that the decrease of the electronic conductivity as observed in the presence of NASICON additives with increasing Na+-content is due to an enhanced electron depletion layer. This is formed in the SnO2 grains by Na+/e- interactions across the SnO2/NASICON-interface. The enormous enhancement of the sensitivity to polar organic molecules may be due to specific nucleophilic interactions with the Na+-ions and coupled Na+/e--interactions at the triple phase reaction sites.

In this work the influence of solid electrolyte additives on the gas sensing properties of tin oxide layers was investigated systematically for the first time. NASICON (NAtrium, Super Ionic CONductor, Na(1+x)Zr2SixP(3-x)O12; 0 <= x <= 3) was used as a model for solid electrolyte additives. The structure of that material is ideally suitable for studies of the correlation between material parameters and the gas sensitivity of the layers. In the NASICON structure the content of mobile Na+-ions can be varied by a factor of four resulting in a simultaneous change of the ionic conductivity sigma(Na+) by approximately three orders of magnitude without considerable structural alterations. Powders of SnO2 and NASICON (x = 0; 2.2; 3) were prepared separately by means of sol-gel routes and mixed in a volume ratio of 80/20. Pastes were prepared from these powders with different compositions and screen printed on alumina substrates with a fourfold structure of thin film gold electrode combs. Four different compositions were characterised simultaneously at elevated temperatures in various gas atmospheres. The conductivity of the layers, when measured in air, decreases considerably with increasing Na+-content in the NASICON additive. This is correlated with enhanced activation energy of the electronic conductivity. The sensitivity of the layers to polar organic molecules like R-OH (alcohols), R-HO (aldehydes) and ROOH (carboxylic acids) is highly enhanced by the NASICON additive. This is observed especially on the admixtures with NASICON of high Na+-content (x = 2.2 and x = 3). On the other hand, the sensitivity to substances with mid-standing functional groups like 2-propanol or propanone can not be enhanced by NASICON additives. Furthermore the sensitivity of these composite layers to CO, H2, NH3, methane, propane, propene and toluene (all exposed as admixtures with air) is lower than the sensitivity of pure SnO2-layers. These observations are well correlated with the results of gas consumption measurements on SnO2/NASICON powders by means of FTIR spectroscopy. In spite of the lack of surface analytical data, a model of surface chemical gas reactions based on a triple phase boundary (SnO2/NASICON/gas atmosphere) was developed, which explains the experimental observations qualitatively. It is assumed that the decrease of the electronic conductivity as observed in the presence of NASICON additives with increasing Na+-content is due to an enhanced electron depletion layer. This is formed in the SnO2 grains by Na+/e- interactions across the SnO2/NASICON-interface. The enormous enhancement of the sensitivity to polar organic molecules may be due to specific nucleophilic interactions with the Na+-ions and coupled Na+/e--interactions at the triple phase reaction sites.

Die Ionenmobilitätsspektrometrie ermöglicht eine selektive Detektion von niedrigkonzentrierten Gasen in Luft. Darauf beruhende Analysegeräte können verhältnismäßig einfach umgesetzt werden und in vielfältigen mobilen Einsatzszenarien wie der Umweltanalytik Anwendung finden. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über die Grundlagen der Ionenmobilitätsspektrometrie und setzt die funktionellen Teilkomponenten Ionenfilter und Ionendetektor mit Mikrosystemtechniken um. Dafür werden Möglichkeiten aus dem Stand der Technik vorgestellt und eine für die Umsetzung optimale Variante identifiziert. Ein Ionenfilter basierend auf der Differenzionenmobilitätsspektrometrie zeigt diesbezüglich ein sehr geeignetes Skalierungsverhalten. Zur Integration in einen Demonstrator-Chip wird ein neuartiges Bauelementkonzept verfolgt, mit technologischen Vorversuchen untersetzt und erfolgreich in einen Gesamtherstellungsablauf überführt. Mit Hilfe von weiterführenden analytischen Untersuchungen werden spezifische Phänomene bei der elektrischen Kontaktierung der verwendeten BSOI-Wafer als Ausgangsmaterial hergeleitet und Empfehlungen zur Vermeidung gegeben. Der Funktionsnachweis der Teilkomponente Ionendetektor wird anhand von hergestellten Demonstrator-Chips und mit Hilfe eines entwickelten Versuchsaufbaus begonnen. Es werden die weiteren Schritte zum Nachweis der Gesamtfunktionalität abgeleitet und festgehalten. Auf Basis des umgesetzten Bauelement- und Technologiekonzepts und der vorliegenden Ergebnisse, wird das entwickelte und realisierte Gesamtkonzept als sehr aussichtsreich hinsichtlich der favorisierten Verwendung als Teilkomponente eines miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers eingeschätzt.

Die Ionenmobilitätsspektrometrie ermöglicht eine selektive Detektion von niedrigkonzentrierten Gasen in Luft. Darauf beruhende Analysegeräte können verhältnismäßig einfach umgesetzt werden und in vielfältigen mobilen Einsatzszenarien wie der Umweltanalytik Anwendung finden. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über die Grundlagen der Ionenmobilitätsspektrometrie und setzt die funktionellen Teilkomponenten Ionenfilter und Ionendetektor mit Mikrosystemtechniken um. Dafür werden Möglichkeiten aus dem Stand der Technik vorgestellt und eine für die Umsetzung optimale Variante identifiziert. Ein Ionenfilter basierend auf der Differenzionenmobilitätsspektrometrie zeigt diesbezüglich ein sehr geeignetes Skalierungsverhalten. Zur Integration in einen Demonstrator-Chip wird ein neuartiges Bauelementkonzept verfolgt, mit technologischen Vorversuchen untersetzt und erfolgreich in einen Gesamtherstellungsablauf überführt. Mit Hilfe von weiterführenden analytischen Untersuchungen werden spezifische Phänomene bei der elektrischen Kontaktierung der verwendeten BSOI-Wafer als Ausgangsmaterial hergeleitet und Empfehlungen zur Vermeidung gegeben. Der Funktionsnachweis der Teilkomponente Ionendetektor wird anhand von hergestellten Demonstrator-Chips und mit Hilfe eines entwickelten Versuchsaufbaus begonnen. Es werden die weiteren Schritte zum Nachweis der Gesamtfunktionalität abgeleitet und festgehalten. Auf Basis des umgesetzten Bauelement- und Technologiekonzepts und der vorliegenden Ergebnisse, wird das entwickelte und realisierte Gesamtkonzept als sehr aussichtsreich hinsichtlich der favorisierten Verwendung als Teilkomponente eines miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers eingeschätzt.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Aufbau und Gliederung der Arbeit 2 Grundlagen zur Ionenmobilitätsspektrometrie 2.1 Grundprinzip der Ionenmobilitätsspektrometrie 2.2 Anwendungsfelder und Substanzen 2.3 Grundlagen der Ionenbewegung 2.4 Ionenquellen 2.4.1 Ionisation mittels radioaktiver Strahlungsquellen 2.4.2 Photoionisation 2.4.3 Weitere Ionenquelle 2.4.4 Vergleich von Ionenquellen 2.5 Ionendetektion 2.6 Bewertungskriterien Ionenmobilitätsspektrometer 3 Stand der Technik Ionenfilter 3.1 Überblick und Einteilung Ionenfilter 3.2 Zeitaufgelöste Detektion 3.3 Ortsaufgelöste Detektion 3.4 Differenz der Ionenmobilität 3.4.1 Differenzionenmobilitätsspektrometrie 3.4.2 Transversal Modulation Ionenfilter 3.5 Sonstige Filterrealisierungen 3.5.1 Ionenfilter mit Gegengasströmung 3.5.2 Travelling Wave Filter 3.6 Vergleich Ionenfilter für ein miniaturisiertes Ionenmobilitätsspektrometer 3.7 Konkretisierte Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Vorarbeiten 4.1 Modellbildung und Dimensionierung des Ionenfilters 4.1.1 Allgemeine Lösung der Bewegungsgleichung 4.1.2 Lösung für den Spezialfall mit Rechteckanregung 4.1.3 Randbedingungen bei der Filterauslegung 4.1.4 Elektrische Simulation des Ionenfilters mit diskreten Elementen 4.1.5 Auslegung eines miniaturisierten Ionenfilters 4.2 Modellbildung und Auslegung des Ionendetektors 4.3 Ableitung eines relevanten Parameterraums 5 Voruntersuchungen und Empfehlungen zur technologischen Umsetzung 5.1 Herleitung des Bauelementkonzepts 5.1.1 Konzept 1 – Planar-Aufbau 5.1.2 Konzept 2 – Sandwich-Struktur 5.1.3 Konzept 3 – Erweiterte Tiefenstruktur 5.1.4 Ableitung des umzusetzenden Bauelementkonzepts 5.2 Konzept zur Herstellung der Ionenkanäle 5.2.1 Nasschemische Siliziumstrukturierung mit TMAH 5.2.2 Trockenchemische Siliziumstrukturierung mit DRIE 5.2.3 Durchführung und Ergebnisse des Vorversuchs 5.2.4 Schlussfolgerung und Ausblick für die Herstellung der Elektrodenkanäle 5.3 Konzept zur Realisierung der Elektrodenkontakte 5.3.1 Möglichkeiten zur Kontaktierung der Elektrodenstrukturen 5.3.2 Verfahren und Materialien für das Erzeugen von Isolationen 5.3.3 Verfahren und Materialien für das Abscheiden von Metallen 5.3.4 Besonderheiten beim Metall-Halbleiter-Kontakt 5.3.5 Ableiten eines Technologieablaufs und Durchführung eines Versuchs zur Herstellung der Rückseitenkontakte 5.3.6 Elektrische Charakterisierung der Rückseitenkontakte 5.3.7 Ausblick zur weiteren Bewertung der Rückseitenkontakte 5.4 Überblick über relevante Waferbondverfahren 5.5 Konzept für die Aufbau- und Verbindungstechnik 5.6 Integration der Vorversuche in ein erweitertes Bauelementkonzept 6 Bauelementauslegung für ein Ionenmobilitätsspektrometer 6.1 Voruntersuchungen für die Bauelementdimensionierung 6.1.1 Simulation des elektrischen Verhaltens mit einem erweiterten Ersatzschaltbild 6.1.2 Dimensionierung des Einströmbereichs und des Vorfilters 6.2 Zusammenfassung der Voruntersuchungen und Ableitung von Designvarianten 7 Technologische Umsetzung und Untersuchung der Kontaktproblematik 7.1 Umsetzung Filter- und Detektordemonstrator 7.1.1 Auswahl der Metallisierung 7.1.2 Erstellen eines detailliertern Gesamttechnologieablaufs 7.1.3 Verifikation des umgesetzten Herstellungsprozesses an den realisierten Demonstrator-Chips 7.2 Untersuchung Metall-Halbleiter-Kontakt 7.2.1 Untersuchung Metall-Halbleiter-Interface 7.2.2 Einfluss des Ausheilschritts auf das Kontaktverhalten 7.2.3 Untersuchung des Dotierungs- und Leitfähigkeitsprofils 7.2.4 Herleitung einer möglichen Ursachenkette für die Bor-Kontamination 7.2.5 Gegenprüfung der Ursachenkette und Schlussfolgerung 7.3 Zusammenfassung Technologieablauf 8 Charakterisierung der Teilkomponenten 8.1 Konzeptionelle Vorarbeiten zum Versuchsaufbau 8.1.1 Methoden zur Testgaserzeugung 8.1.2 Integration des IMS-Chips in die Gasversorgung 8.1.3 Elektronikanbindung 8.2 Versuchsaufbau und Versuchsplanung 8.2.1 Beschreibung Versuchsaufbau 8.2.2 Planung der Versuche für Bewertung Ionendetektor 8.2.3 Planung der Versuche für Bewertung Ionenfilter 8.3 Versuche und Bewertung Ionendetektor 8.3.1 Versuchsdurchführung 8.3.2 Auswertung Ionendetektor 8.4 Zusammenfassung und Ausblick der Charakterisierung 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis