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Silicon nanowire based sensor for highly sensitive and selective detection of ammoniaSchmädicke, Cindy 21 May 2015 (has links) (PDF)
The precise determination of the type and concentration of gases is of increasing importance in numerous applications. Despite the diverse operating principles of today´s gas sensors, technological trends can be summarized with the keyword miniaturization, because of the resulting benefits such as integrability and energy efficiency.
This work deals with the development and fabrication of novel nanowire based gas sensors, which in comparison to conventional devices have an advantageous combination of high sensitivity and selectivity with low power consumption and small size. On the basis of grown silicon nanowires, sensors based on the functional principle of classical Schottky barrier field effect transistors with abrupt metal-semiconductor contacts are fabricated. The sensing performance of the devices is investigated with respect to the detection of ammonia. Ammonia concentrations down to 170 ppb are measured with a sensor response of more than 160 % and a theoretical limit of detection of 20 ppb is determined.
Selectivity investigations show that no cross sensitivity to most common solvents occurring in living spaces exists. Moisture influences on the device are studied and reveal that the sensor responds within seconds, making it potentially suitable as humidity sensor. Moreover, it is shown that a higher relative humidity and higher temperatures decrease the sensor sensitivity. In terms of possible applications, it is a great advantage that the maximum sensitivity is achieved at 25 °C.
With respect to sensitivity and selectivity an enhancement is demonstrated compared to most nanosensors known from the literature. Hence, the technology offers the potential to complement conventional measurement systems in future sensor technology especially in portable applications. / Die präzise Bestimmung der Art und Konzentration von Gasen erlangt in zahlreichen Anwendungsgebieten zunehmend an Bedeutung. Trotz der vielfältigen Wirkprinzipien heutiger Gassensoren lassen sich die technologischen Trends mit dem Schlagwort Miniaturisierung zusammenfassen, da sich daraus entscheidende Vorteile wie Integrierbarkeit und Energieeffizienz ergeben.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger nanodrahtbasierter Gassensoren, welche im Vergleich zu klassischen Sensoren eine vorteilhafte Kombination von hoher Sensitivität und Selektivität bei geringem Stromverbrauch und geringer Größe aufweisen. Auf der Grundlage gewachsener Silizium-Nanodrähte werden Sensoren mit abrupten Metall-Halbleiter-Kontakten hergestellt, welche auf dem Funktionsprinzip klassischer Schottkybarrieren-Feldeffekttransistoren beruhen. Die Eignung der Sensoren wird in Bezug auf die Detektion von Ammoniak untersucht. Dabei kann eine minimale Ammoniakkonzentration von 170 ppb mit einer Signaländerung von mehr als 160 % gemessen werden, wobei die theoretische Nachweisgrenze mit 20 ppb ermittelt wird.
Selektivitätsuntersuchungen zeigen, dass keine Querempfindlichkeit gegenüber den am häufigsten in Wohnräumen vorkommenden Lösungsmitteln besteht. Feuchtigkeitseinflüsse auf den Sensor werden untersucht und es wird nachgewiesen, dass der Sensor Ansprechzeiten im Sekundenbereich besitzt, was ihn zu einem potenziell geeigneten Feuchtigkeitssensor macht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine höhere relative Luftfeuchtigkeit und höhere Umgebungstemperaturen die Sensorsensitivität verringern. In Bezug auf mögliche Einsatzgebiete stellt die maximale Empfindlichkeit bei 25 °C einen großen Vorteil da.
Bezogen auf Sensitivität und Selektivität wird somit eine Verbesserung im Vergleich zu den meisten aus der Literatur bekannten Nanosensoren demonstriert. Damit bietet die Technologie das Potential, konventionelle Messsysteme in zukünftiger Sensorik vor allem in portablen Anwendungen zu ergänzen.
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Planung, Auswahl und Inbetriebnahme eines Messsystems für das Messen von Kfz-AbgassystemenEngelmann, Christian 14 April 2011 (has links) (PDF)
Technikerarbeit zur Erlangung des Titels „Staatlich geprüfter Techniker“ in der Fachrichtung Kraftfahrzeugtechnik
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Untersuchung der gassensitiven Eigenschaften von SnO2/NASICON-Kompositen / Investigation of the gas sensitive properties of SnO2/NASICON-CompositsHetznecker, Alexander 17 April 2005 (has links) (PDF)
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.
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Entwicklung eines miniaturisierten Ionenfilters und Detektors für die potentielle Anwendung in IonenmobilitätsspektrometernGraf, Alexander 22 May 2015 (has links) (PDF)
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.
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