Kohlenwasserstoffsensoren auf der Basis von Grenzschichteffekten zwischen halbleitenden Dünnschichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde untersucht, ob mit halbleitenden Mehrfachdünnschichten (Titandioxid, Zinnoxid u. ä.) auf planaren Kammelektroden (auch: „Interdigitalelektroden“, IDE), die ihrerseits auf einem Trägersubstrat abgeschieden wurden, neuartige Kohlenwasserstoffsensoren realisierbar sind. Diese sollten Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius widerstehen und damit in Zusammenhang mit Verbrennungsvorgängen einsetzbar sein. Die Hoffnung war, dass solche Dünnschichtsensoren reproduzierbarer, langzeitstabiler, kleiner und leichter zu selektiven Sensorgruppen integrierbar sind als alle verfügbaren Alternativen. Während des Projekts wurden Aspekte wie die Abscheidung einzelner halbleitender Dünnschichten, die Charakterisierung des Verhaltens von Bauelementen mit zwei solchen Schichten in Kontakt miteinander und die Untersuchung des Einflusses von Trägersubstrat und IDE-Geometrie bearbeitet. Es hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften der abgeschiedenen Dünnschichten weit stärker streuen, als man dies erhoffen würde. Die Prozessfenster zur Schichtabscheidung scheinen sehr eng zu sein. Mindestens im Forschungstechnikum sind die Streuungen zwischen verschiedenen Exemplaren ein und desselben Sensortyps (jeweils vermeintlich gleicher Beschichtung) nicht kleiner als die Streuungen zwischen Exemplaren verschiedener Sensortypen (mit jeweils unterschiedlicher Beschichtung). Diese Streuungen haben es bislang nicht erlaubt, statistisch signifikant die Vermutung zu bestätigen oder zu widerlegen, dass Halbleiterdünnschichten in Kontakt miteinander zu einem neuartigen Sensoreffekt führen. Selbst anfänglich gute Sensorexemplare zeigten eine Nullliniendrift, die sie innerhalb einiger Stunden bis Tage unbrauchbar machte. Die Ursache dieser schnellen Alterung (oder Vergiftung?) ist auch wegen der starken Exemplarstreuungen unklar geblieben. Aufgeklärt werden konnte dagegen die Frage, warum die Drift in einem Sättigungszustand mündet. Ursächlich hierfür ist die Leitfähigkeit des Trägersubstrates. Billiges Glas weist bei höheren Temperaturen eine ionische Leitfähigkeit auf, die zu einem parasitären Widerstand parallel zu dem der aktiven Sensorschicht führt. Alternative Substrate sind entweder geeignet, aber zu teuer (einkristallines Quarz) oder billig, aber wegen ihrer Oberflächenrauigkeit ungeeignet für Dünnschichtsysteme (Aluminiumoxid). Daher ist der im Projekt geführte technologische Nachweis von Interesse, dass billiges Laborglas sich als Substrat für Dünnschichtsensoren bei höheren Temperaturen eignet, wenn es zuvor mit einer dünnen Isolationsschicht aus Siliziumdioxid bedeckt wird. Ebenfalls konnte die Unempfindlichkeit des Bauelementeverhaltens auf bestimmte Prozessdetails gezeigt werden, etwa die Art und Weise, wie Titan zu Titandioxid aufoxidiert wurde. Damit ergibt sich folgendes Gesamtfazit: Wenn sich Gassensoren durch Ausnutzung von Effekten an der Grenzschicht zwischen zwei halbleitenden Dünnschichten realisieren lassen, dann nur durch reproduzierbare Abscheideprozesse und unter Beachtung bzw. Unterdrückung des Substrateinflusses. Einige dieser technologischen Randbedingungen für die Herstellung kohlenwasserstoffhaltiger Dünnschichtsensoren konnten im abgelaufenen Projekt geklärt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Impedimetric titanium dioxide thin-film gas sensors“, Abstract Book 6th Int’l Workshop on Impedance Spectroscopy (IWIS 2013), Chemnitz, S. 25–26, 25.–27. Sept. 2013
L. Ebersberger, A. Fischerauer, G. Fischerauer
- „Einfluss der Schichterzeugung auf TiO2-Dünnschicht- Gassensoren“, ITG-Fachbericht 250 (= Tagungsband 17. ITG/GMA-Fachtagung Sensoren und Messsysteme, Nürnberg), (S. 1–4), 3.–4. Juni 2014
L. Ebersberger, G. Fischerauer
- „Impedimetric titanium dioxide thin-film gas sensors“, in: O. Kanoun (Hrsg.), Lecture Notes on Impedance Spectroscopy, Vol. 5. Boca Raton: CRC Press, Jan. 2015
L. Ebersberger, A. Fischerauer, G. Fischerauer
