Hochfrequenzbasierter Hochtemperatur-Stickoxidsensor für die dosimeterartige Detektion von NOx im ppb-Bereich zur kontinuierlichen Luftqualitätsüberwachung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465563965

Übergeordnetes Projektziel ist eine selbstbeheizte Hochtemperatur-Hochfrequenz-Sensorplattform (HT-HF-Plattform) zur dosimeterartigen Detektion kleinster NO und NO2-Konzentrationen für die Luftanalytik. Grundlage des zugrundeliegenden Akkumulationsprinzip mit simultaner elektrischer Auslese bilden die beladungsabhängigen dielektrischen Eigenschaften bei einigen GHz einer NOx speichernden Schicht. Am Ende des Projektes steht ein funktionsfähiger Demonstrator eines HF-NOx-Dosimeters, welcher aus einer mit einem NOx-Speichermaterial beschichteten HT-HF-Sensorplattform besteht. In weiterführenden Arbeiten ist eine Anwendung der Sensorplattform für andere sensitive Schichten und Analyte oder als Materialcharakterisierungstool angedacht. Unterteilt in drei Themenkomplexe sollen dabei folgende wissenschaftliche Fragestellungen adressiert werden:1. Entwicklung und Aufbau einer selbstbeheizten HT-HF-Sensorplattform mit Qualifikation von Substratmaterialien und Resonatorstrukturen für Hochtemperatur-GHz-Messungen- Welche Substratmaterialien eignen sich für HF-Untersuchungen bis 600 °C?- Welche koplanare Wellenleiteranordnung fördert die Sensorempfindlichkeit?- Wie sind Heizleiter und Substratgeometrie für eine homogene Temperatur der sensitiven Schicht und einen minimalen Wärmetransport zu den Anschlusspads zu dimensionieren?- Wie können Störeinflüsse durch die rückseitige Heizerstruktur minimiert werden?2. Beurteilung der Eignung bariumhaltiger NOx-Speicher zur dielektrischen NOx-Dosimetrie durch HF-Analyse in NO bzw. NO2-Atmosphären abhängig von der Temperatur.- Wie ändern sich die dielektrischen Eigenschaften der bariumhaltigen NOx-Speicher während der NOx-Beladung? Welche Messgrößen eignen sich als Sensorsignale?- Welche Materialzusammensetzungen eignen sich zur HF- Überwachung der Luftgüte? - Wie groß ist der temperaturabhängige lineare Messbereich? Können Tagesmittelwertes ohne Regenerationsintervall und Spitzenwerte ausreichend genau bestimmt werden?- Welchen Einfluss nimmt die Beladung des Sauerstoffspeichers auf die Messgrößen?- Welche Querempfindlichkeiten gibt es und lassen sich diese eliminieren?- Wann ist die thermische Regeneration der Sensoren zu initiieren?3. Korrelation der dielektrischen Eigenschaften mit den chemischen Vorgängen während der NOx-Adsorption und -Desorption durch kombinierte Operando-HF-DRIFT-Spektroskopie.- Ist eine Operando-DRIFT-Analyse selbstbeheizter Sensorplattformen möglich? - Wie korrelieren die dielektrischen Eigenschaften (HF) mit der NOx-Beladung (DRIFTS)?- Welche NOx-Sorptionsstellen lassen sich abhängig von der dosierten Spezies und der Betriebstemperatur identifizieren? Welchen Einfluss haben Nitrit- und Nitratbildung?- Wie korrelieren Messgrößen und chemische Zusammensetzung des NOx-Speichers?- Wird der lineare Messbereich durch elektrische oder chemische Vorgänge begrenzt?- Welches Temperatur-Zeit-Profil eignet sich dauerhaft zur thermischen Regeneration?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen