In dieser Arbeit werden verschiedene kommerziell erhältliche Halbleitergassensoren im temperaturzyklischen Betrieb (engl. temperature cycled operation, TCO) in Hinblick auf die Vergiftung durch das zyklische Siloxan Octamethylcyclotetrasiloxan untersucht. Betrachtet werden dabei sowohl Einzelgase als auch Mischungen von VOCs (engl. volatile organic compounds) zur Messung in Raumluft. Die Auswertung der Daten erfolgt modellbasiert anhand des Sauerwald-Baur-Modells unter Einsatz der DSR-Methode (engl. differential surface reduction). Eingegangen wird dabei sowohl auf eine optimierte und automatisierte Datenauswertung als auch auf die physikalischen und chemischen Prozesse auf der sensitiven Schicht sowie die entstehende Selektivität gegenüber Wasserstoff. Darüber hinaus werden physikalische und datenbasierte Methoden zur Stabilitätsverbesserung untersucht und untereinander kombiniert. Es wird ein Merkmal identifiziert, das aus dem Modell hergeleitet werden kann und den Sensorzustand in Hinblick auf die Siloxanvergiftung quantitativ beschreibt. Mit Hilfe dieses Merkmals wird eine modellgestützte Selbstkompensation des Sensorsignals demonstriert. Diese Kompensation kann sowohl auf Merkmalen für multivariate Datenauswertung erfolgreich übertragen werden als auch bei der Modellbildung aktiv berücksichtigt werden. Zwei der zentralen Erkenntnisse der Arbeit – die erzeugte Selektivität für Wasserstoff sowie die Quantifizierung des Vergiftungszustandes – werden anhand eines Feldtests unter realen Bedingungen demonstriert.
Aktualisiert: 2022-07-14
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NO₂ ist ein Schadstoff, der vor allem bei Verbrennungsprozessen entsteht und in die Luft gelangt. Durch den Gesetzgeber sind Grenzwerte vorgegeben, die eingehalten werden müssen. Zur Überprüfung dieser werden Sensoren benötigt. Derzeitige NO₂-Sensoren werden bei hohen Betriebstemperaturen betrieben bei entsprechend hohem Energiebedarf.
In dieser Arbeit wird ein Sensor auf Zinkoxidbasis entwickelt, bei dem die Betriebstemperatur durch den Einsatz von UV-Licht auf Raumtemperatur gesenkt werden kann. Dazu wurden zwei Betriebskonzepte untersucht: der klassische konduktometrische Konzentrationssensor und das resistive Gasdosimeter. Für beide Konzepte wurden Materialeinflüsse wie die Morphologie und Dotierung, aber auch Umgebungseinflüsse wie Feuchte auf die Sensorcharakteristik untersucht. Zudem geht die Arbeit der Frage nach, wie sich die Intensität der Bestrahlung beim Betrieb eines Konzentrationssensors auf das Abklingverhalten und den Feuchteeinfluss auf das Sensorsignal auswirkt. Beim resistiven Dosimeter wird hingegen untersucht, welchen Einfluss die Bestrahlungsintensität bei der Regeneration des Sensors hat.
Aktualisiert: 2021-08-26
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Für eine robuste und zuverlässige Analyse von komplexen Gasgemischen und deren spezifische Quantifizierung ist die bestehende Technik nicht empfindlich genug umzusetzen. Hierfür bietet sich die Raman-Spektroskopie als schnelle und selektive Methode an, die mit einem Lasersystem alle molekularen Gase detektieren kann. Die Problematik ist der niedrige Streuquerschnitt in Kombination mit der geringen Dichte von Gasen, was zu ungenügenden Nachweisgrenzen führt. Als Lösung wird hier die Entwicklung von Methoden zur Verstärkung des Raman-Streueffektes erforscht. Dazu wird jeweils ein System zur Leistungsüberhöhung im Resonator und zur Interaktionsstreckenverlängerung in einer photonischen Kristallfaser entworfen, aufgebaut und evaluiert. Bei der Verstärkung im Resonator wird eine Fabry-Pérot-Kavität auf einen schmalbandigen Diodenlaser mit selbst entwickelter externer Kavität angepasst. Stabilisiert wird der Resonator mit einem Pound-Drever-Hall Lock, der für eine langzeitstabile Messung bei konstanter interner Leistung sorgt. Die Faserverstärkung erfolgt mit einer photonischen Kristallfaser und einer Kagomé-Faser, deren photonische Bandlücken simultane Gas- und Lichtführung gestatten. In Fallstudien werden zwei Anwendungen erläutert. Zum einen ist das die Überwachung von Lebensmittelketten durch eine Detektion von Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Stickstoff und Ethen. Zum anderen die Brenngasqualitätsmessung über den Wobbe-Index eines natürlichen Erdgases, bestehend aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid.
Aktualisiert: 2020-01-07
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Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Herstellung von Fabry-Pérot Interferometern (FPI) für die spektrale Analyse von Gasen und Flüssigkeiten. Die FPI werden miniaturisiert mittels Siliziumtechnologie hergestellt und ermöglichen kleine Mikrospektrometer mit hohem Auflösungsvermögen. Die vorliegende Dissertation untersucht Technologie- und Herstellungskonzepte für den sichtbaren (VIS) und infraroten (IR) Spektralbereich mit jeweils unterschiedlichen Reflektorkonzepten.
Im VIS-Spektralbereich erfolgt neben der Entwicklung von Bragg-Reflektoren auch die Betrachtung von strukturierten, dielektrischen Membrangittern und strukturierten Metallgittern auf dielektrischen Membranen für eine Einsatzmöglichkeit im FPI. Dabei wird ebenfalls die Entwicklung einer Herstellungs- und Strukturierungstechnologie für hochbrechendes Titandioxid durchgeführt, um einen Bragg-Reflektor mit höheren Brechzahlkontrast zu realisieren. Im IR-Spektralbereich stellen drei Bragg-Reflektorvarianten aus polykristallinem Silizium und Luft den Inhalt dieser Dissertation dar. Die hergestellten Reflektoren werden hinsichtlich ihrer Funktion messtechnisch charakterisiert und die Strukturintegration in einem FPI und Etalon anhand von ausgewählten Reflektoren vorgestellt.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Das Buch geht von Definitionen und Merkmalen chemischer Sensoren aus, beschreibt Funktionen und Bauformen, bringt eine Zusammenstellung zu Sensoren in Dünn- und Dickschichttechnik und bezieht auch die Übertragung und Verarbeitung von Sensorsignalen in die Betrachtung ein.
Aktualisiert: 2022-06-22
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