CO Gas Sensor for Consumer Electronic Applications

Abstract

Gas sensors in smartphones and other mobile devices have the potential to contribute to improving the quality of life and security. This calls for a high degree of miniaturization and a reduction in power consumption. In this work, various aspects of miniaturized, resistive CO gas sensors based on metal oxides (MOX) were investigated. Deposition took place through pulsed laser deposition (PLD) on structures of platinum that were patterned using a lift-off process. The influence of the resist geometry on the metal structures was demonstrated by experiment and simulation. With regard to the MOX thin films, the focus was set on SnO2. Both its electrical and gas-sensing properties were highly influenced by the deposition parameters: Higher deposition pressures (>10 Pa) are leading to higher base resistances and to a higher sensor signal for CO in dry air. These properties correlated with the nanoporous morphology of the material. For measurements in humid air, the response to CO was reduced compared to dry air. Different noble metal additives, in particular Pd, were introduced by sputtering, thereby significantly improving properties. CO-sensitivity in humid air was also demonstrated for highly porous WO3. In a parameter study, the impact of the heated membrane geometry on the power consumption of the sensor was further investigated in simulation and experiment.

Gassensoren in Smartphones und anderen mobilen Geräten haben das Potential, zukünftig Lebensqualität und Sicherheit zu verbessern. Dafür ist ein hoher Grad an Miniaturisierung und die Reduzierung der Leistungsaufnahme notwendig. In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte miniaturisierter, resistiver COSensoren auf Basis von Metalloxiden (MOX) untersucht. Herstellung erfolgte mit gepulster Laserabscheidung (PLD) auf Platinstrukturen, die mit einem Lift-Off-Prozess strukturiert wurden. Per Simulation und Experiment wurden Einflüsse der Lackgeometrie auf die Metallstruktur aufgezeigt. Bei den untersuchten MOX-Dünnschichten lag der Fokus auf SnO2. Dessen elektrische und gassensitive Eigenschaften hängen stark von den Abscheidungsbedingungen ab:Höhere Abscheidungsdrücke (>10 Pa) führen zu höheren Grundwiderständen sowie zu einem höheren Signal für CO in trockener Luft. Diese Eigenschaften korrelieren mit der nanoporösen Morphologie des Materials. Bei Messungen in feuchter Luft reduzierte sich das CO-Signal im Vergleich zu trockener Luft. Durch den per Sputtern aufgebrachten Zusatz von Edelmetallen, insbesondere von Palladium (Pd), konnten die Eigenschaften deutlich verbessert werden. COSensitivität in feuchter Luft konnte für hochporöses WO3 ebenfalls gezeigt werden. In einer Parameterstudie wurde in Experiment und Simulation zudem der Einfluss der geheizten Membrangeometrie auf die Leistungsaufnahme des Sensors untersucht.