Entwicklung hochsensitiver Nano-Gassensoren basierend auf nanokristallinen Zinndioxid-Schichten und einkristallinen Zinndioxid-Nanodrähten

Abstract

Die Detektion von Gasen spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. Insbesondere in der Sicherheitstechnik werden Gassensoren seit langem eingesetzt. In den letzten Jahren stieg die Nachfrage nach Gassensorsystemen zudem in weiteren Anwendungsbereichen wie im Gesundheitswesen, den Biowissenschaften und dem Umweltschutz stark an.<br />Die momentan am Markt verfügbaren Sensorsysteme reichen jedoch für die neuen Anforderungen nicht aus. Um den neuen Erfordernissen gerecht werden zu können, müssen neue hochsensitive, selektive, zuverlässige und kompakte Gassensoren entwickelt werden.<br />Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden nanokristalline Dünnschichtsensoren und einkristalline Nanodrahtsensoren auf Basis des Materials Zinndioxid entwickelt. Für beide Sensorentypen wurde das Herstellungsverfahren der Spraypyrolyse zur Abscheidung der dünnen Zinndioxid-Schichten auf Silizium-Substraten verwendet. Die Spraypyrolyse benötigt kein Vakuum und zeichnet sich durch einfache Handhabung und Kosteneffizienz aus.<br />Auch das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Verfahren zur Herstellung der Nanodrähte ist vergleichsweise einfach und kann bei Atmosphärendruck durchgeführt werden. Für die Produktion der Dünnschichtsensoren werden nur zwei Lithographieschritte, für die Nanodraht-Sensoren gar nur ein Lithographieschritt benötigt. Die Herstellung der Sensoren ist somit einfach und kostengünstig, was für eine mögliche Massenproduktion unerlässlich ist.<br />Für beide Arten von Sensoren wurden zahlreiche Probenserien hergestellt, die nanokristallinen Zinndioxidfilme und die einkristallinen Nanodrähte wurden ausführlich analysiert. Die prozessierten Sensorelemente wurden auf Standard-Chipträger montiert und in einem Gasprüfmesstand charakterisiert, wobei die primären Zielgase CO, CH4 und H2 waren. Die entwickelten Sensoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit aus und weisen sehr niedrige Detektionsgrenzen für Kohlenmonoxid, Methan und Wasserstoff auf. Die Detektionsgrenze für Kohlenmonoxid liegt beispielsweise im sub-ppm-Bereich.<br />Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Nanosensoren gehören damit zu den empfindlichsten Metalloxid-Gassensoren, die in der Literatur bisher erwähnt wurden. Ihre Sensitivität übertrifft die besten zur Zeit am Markt erhältlichen kommerziellen Gassensoren. Durch Dotierung der Zinndioxid-Schichten mit Antimon und Indium konnte zudem eine wesentliche Verbesserung der Selektivität gegenüber einzelnen Zielgasen, sowie eine Erhöhung der Sensitivität erzielt werden.<br />Mit den im Verlauf dieser Dissertation durchgeführten Arbeiten wurde die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation von Gassensoren geschaffen. Durch die heterogene Integration mit CMOS-Bauteilen soll in weiterer Folge ein Gassensor entwickelt werden, der bisher unerreichte Sensoreigenschaften aufweist, zugleich aber ein alltagtaugliches Bauelement ist, das für Sicherheitsanwendungen in Laptops oder Mobiltelefonen eingesetzt werden kann.<br />

The detection of gases plays an important role in many fields.<br />For a long time gas sensors have been used for safety engineering. In recent years the demand on gas sensor systems has also been conciderably growing in other application fields like health care, bio sciences and environmental monitoring. Present-day sensor systems on the market do not meet the new requirements. New highly sensitive, selective, effective, reliable, and compact gas sensors have to be developed to fulfil the needs.<br />This thesis presents a fabrication procedure for the development of nanocrystalline thin film gas sensors as well as nanowire sensors, based on tin dioxide, in each case. For both procedures spraypyrolysis is used for the deposition of the thin films. Sprayprolysis does not require any vacuum and features easy handling and cost-efficiency. The method which has been used for this thesis is also comparatively simple and can be performed under atmospheric pressure. For the production of the thin film sensors two lithography steps are required, for the production of nanowire sensors, only one lithography step is required. This is why the production of the sensors is simple and low prized, which is essential for possible mass production.<br />For both types of sensors numerous sets of samples were produced, and the nanocrystalline thin films and the single-crystalline nanowires were analysed in detail. The processed sensor elements were assembled on standard chip carriers and characterized in a gas measurement chamber.<br />The main target gases were CO, CH4 and H2.<br />The fabricated sensors show very high sensibility and low detection limits for carbon monoxide, methane, and hydrogen. For carbon monoxide, for example, the detection limit lies in the sub ppm-regime.<br />The nanosensors developed within the scope of this work belong to the most sensitive metal oxide gas sensors which were mentioned in the literature up to now. Their sensitivity excels the best commercial gas sensors available on the market at the moment. Doping of the tin dioxide films with antimony and indium additionally leads to considerable improvement of the sensor selectivity towards individual target gases and higher sensitivity values.<br />With the works carried out in the course of this thesis the basis for the development of a new generation of gas sensors has been created. In succession, by the heterogeneous integration with CMOS components, a new gas sensor could be developed. This sensor would show so far unequalled sensor qualities and would be, at the same time, a construction element suited for everyday life for security uses in laptops or mobile phones.