Design und Realisierung eines hochgradig modularen Messsystems zur Fourier-Impedanzspektroskopie an Gassensoren auf Halbleiterbasis

Abstract

Jüngere Forschungsarbeiten lieferten tiefere Einblicke in die Funktionsweise von halbleiterbasierten Gassensoren. Es zeigte sich, dass sowohl der temperaturzyklische Betrieb wie auch die Impedanzspektroskopie sowie die Kombination beider Verfahren signifikante Aussagen zur Interpretation der Messwerte liefert. Dazu sind zusammenhängende Frequenzbereiche von drei bis vier Dekaden bei präzisen Temperaturvorgaben zu erfassen. Je nach Sensortyp beginnt der Bereich bei wenigen Hz oder gar mHz und kann sich bis in den unteren MHz Bereich erstrecken, bei Temperaturwerten der Sensorschicht bis zu mehreren hundert Grad Celsius. Zur Einhaltung stationärer Messbedingungen ist die Minimierung der Messzeit zur Aufnahme eines Impedanzspektrums eine wichtige Anforderung. Insbesondere gilt dies für die thermisch sehr schnellen MEMS-Sensoren. Somit sind fourierbasierte Messverfahren die erste Wahl. Da marktübliche Geräte hier die Gesamtheit der individuellen Anforderungen nicht optimal abbilden, wurde ein applikationsspezifisches Messsystem (FobIS) realisiert. Der Text führt von den theoretischen Grundlagen der Fourier-Impedanzspektroskopie über die konkrete Systementwicklung hin bis zur Verifikation der Leistungsdaten. Hohe Flexibilität hinsichtlich der Messaufgabe und die Möglichkeit der modularen Funktionserweiterung kennzeichnen das System, welches, speziell zugeschnitten auf die Besonderheiten halbleiterbasierter Gassensorik, umfassende Messmöglichkeiten bereitstellt.

Recent research work on semiconductor based gas sensor devices revealed a deeper insight in understanding and interpretation of measurement results. It was shown that temperature-cycled sensor operation, electrical impedance spectroscopy as well as the combination of both techniques is well suited to yield important information about the sensor's health status, and is able to improve the evaluation of the measurements, especially with regard to selectivity and aging. Depending on the sensor's architecture a frequency range of several decades from below some few Hertz, even mHz, up to the lower MHz range has to be covered. In parallel a precise dynamic temperature control in different ranges up to some hundreds degrees Celsius has to accompany the measurement. Especially temperature-cycled investigations on MEMS devices with their very speedy thermal behaviour make necessary the high-speed capturing of the sensor's impedance. The most adequate technique to fulfill this task is Fourier spectroscopy. Unfortunately, commercially available equipment is not always well suited to cover these specific requirements. That is the reason why a Fourier based equipment for impedance spectroscopy (FobIS) was designed and realized as well as the achieved overall performance data were checked. Customized for the measurement requirements in conjunction with semiconductor based gas sensors, the design is highly modular and offers a wide range of flexibility under various measurement conditions.