Influence of conduction mechanism changes and related effects on the sensing performance of metal oxide based gas sensors

Zwei Aspekte müssen beim sensorischen Prozess mit MOX Gassensoren betrachtet werden: Zum einen die Reaktionen, die zwischen dem Metalloxid und den Gasen stattfinden, zusammen mit den zugehörigen elektrischen Ladungstransferprozessen (Rezeption), und zum anderen die Übersetzung des Ladungstransfers in die entsprechende Änderung des elektrischen Widerstands der sensitiven Schicht (Transduktion). Viele Faktoren wie z. B. Materialeigenschaften, Betriebstemperatur, Dotierung etc. können sowohl die Transduktion als auch die Rezeption beeinflussen und damit das Sensorverhalten verändern. Um einen Werkzeugkasten für zukünftige Sensorentwicklung zu schaffen, ist es wichtig die sensorischen Mechanismen genau zu verstehen. Dazu wurden bestehende theoretische Modelle für das Zielgas CO mit Hilfe von Experimenten in „operando“ Bedingungen am Beispiel von unterschiedlich hergestelltem SnO2 erweitert und validiert. Alle bisherigen, allgemein anerkannten Modelle basieren auf der Reaktion des Analyten mit prä-adsorbierten Sauerstoffionen, was ein ständiges Bestehen von Verarmungschichten im oberflächennahen Inneren der Körner impliziert. Ein fundamentales und weitreichendes Ergebnis der Arbeit ist, dass unter anwendungsrelevanten Bedingungen, nicht nur Verarmungsschichten, sondern auch Anreicherungsschichten und somit positive Ladung an der Oberfläche der Körner gebildet werden können. Da der Leitungsmechanismus im Falle von Anreicherungsschichten im Vergleich zu Verarmungsschichten grundlegend verschieden ist, ändert sich bei einem Wechsel der Oberflächenladung die Transduktion. Weil positive Ladungen gebildet werden müssen, ist aber auch die Rezeption offensichtlich wesentlich komplizierter als bisher gedacht.