Modellgestützte Parameteridentifikation für Impedanzspektren planarer Chemosensoren

Abstract:
Eine häufig verwendete Grundstruktur planarer Chemosensoren besteht aus auf einem Isolatorsubstrat aufgebrachten Interdigitalelektroden. Diese sind oftmals in eine auf den speziellen Analyten sensitive Funktionsschicht eingebettet. Messgröße solcher Sensoren ist die Impedanz, die ein charakteristisches Frequenzspektrum aufweist. Ein prominentes Beispiel stellen Kohlenwasserstoffsensoren dar, die zur Abgasanalyse bei hohen Temperaturen eingesetzt werden sollen. Noch ist der Zusammenhang zwischen den Parametern der eingesetzten Materialien, der Sensorgeometrie und der Temperatur und dem in der charakteristischen Nyquistortskurve der Impedanz bestehenden "Fingerabdruck" des Sensors nicht ausreichend geklärt. Dazu bedarf es eines physikalischen und nicht rein deskriptiven Modells. Das hier vorgestellte Modell setzt Methoden der klassischen Halbleitertheorie ein und verknüpft diese mit einer elektrostatischen Betrachtung der in den beteiligten Materialien vorhandenen beweglichen Ionen. Daraus wird ein elektrisches Ersatzschaltbild entwickelt so dass schließlich aus den ersten Harmonischen der zeitabhängigen Bauteilspannung und des Bauteilstromes das Impedanzspektrum berechnet werden kann. Die nun in der Simulation mögliche Variation einzelner Parameter gibt Aufschluss auf das Verhalten des Sensors und liefert Hinweise zur Bauteiloptimierung.