New applications of organic polymers in chemical gas sensors

Abstract

The goal of this work was the development and characterisation of gas sensitive layers for the later use in a special type of a chemical gas sensor, namely the gas sensitive field effect transistors (GasFET). The GasFET relies on potential changes of the sensitive material on the gate electrode upon gas exposure. This phenomenon can be in a similar way quantified with the so-called Kelvin probe (KP). A KP device served as a test tool to determine the gas responses of the different samples.

Ammonia is the main analyte presented in this work, as it is an important target analyte in many applications. Additionally, the experiments investigate the influence of cross interferences, especially humidity. Organic polymers were chosen as sensitive material due to their known excellent sensing capabilities. The main advantage, however, is the possibility of sensor operation at room temperature. The prepared samples consist of a thin polymer layer (0.2 - 1.4 micron) on a conducting substrate. The layer was deposited on the substrate by spray coating.

It was discovered that a number of different polymer layers on conducting substrates show potential changes in the range of 100 mV when exposed to ammonia in very low concentrations (about 10 ppm). Experiments with polymers showing high responses to ammonia at room temperature are described extensively in this work. Polyacrylic acid (PAA) proved to be most suitable for ammonia sensing applications among the presented polymers: poly(4-vinylphenol) (PVPh), polystyrene (PS), poly(acrylonitrile-co-butadiene) (PAB), poly(cyanopropylphenyl-siloxane) (PCPhS).

In parallel to the characterisation of the gas sensing properties with the KP the layer deposition parameters were optimized to yield layers of low roughness and high and uniform substrate coverage. The layer properties were examined in AFM, optical microscope, and stylus profiler measurements.

The origin of the measured effect in the KP is not yet fully clarified and data for model building were gathered by parallel investigations with conventional quartz micro balance (QMB) sensors and in IR measurements. Based on all data a first qualitative model for the sensing mechanism is proposed, that is able to explain the origin of the KP signal for basic analytes.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung und Charakterisierung gasempfindlicher Schichten für den späteren Einsatz in einem bestimmten Typ von Gassensor, nämlich dem Feldeffekttransistor (GasFET). Beim GasFET muss die Wechselwirkung mit dem Analytgas eine Potentialänderung am Gate, das mit der gasempfindlichen Schicht belegt ist, hervorrufen. Eine solche Potentialänderung kann auch mit der Kelvin-Sonde (KP) bestimmt werden, wie in dieser Arbeit geschehen.

Ammoniak ist ein wichtiges Zielgas, das für viele Anwendungen relevant ist. Neben den eigentlichen Tests auf die Ammoniakempfindlichkeit wurden auch verschiedene Querempfindlichkeiten, insbesondere gegenüber Feuchte, untersucht. Als Material für die Sensorschichten wurden organische Polymere verwendet. Diese weisen viele positive Eigenschaften auf und erlauben einen Betrieb des Sensors bei niedrigen Temperaturen. Die hergestellten Proben bestehen aus einer Polymerschicht (Dicke ca. 0,2 - 1,4 mikrometer), die im Sprühverfahren auf ein elektrisch leitendes Substrat aufgetragen wurden.

In der Arbeit werden verschiedene Polymere vorgestellt, die eine besonders hohe Reaktion auf Ammoniak in den KP-Messungen gezeigt haben. Die Potentialänderungen betragen bis zu 100 mV für 10 ppm Ammoniak. Polyacrylsäure (PAA) hat sich dabei als am besten für die Messung von Ammoniak geeignet erwiesen neben Poly(4-vinylphenol) (PVPh), Polystyren (PS), Poly(acrylsäurenitril-co-butadien) (PAB) und Poly(cyanopropylphenyl-siloxan) (PCPhS).

Wichtig war auch die Untersuchung und Optimierung der Oberflächenbeschaffenheit und Schichteigenschaften. Schichten mit geringer Rauhigkeit und möglichst vollständiger Bedeckung waren verlangt. Dazu waren Messungen mit AFM, Profilometer und Mikroskop nötig, deren Ergebnisse in der Arbeit kurz vorgestellt werden.

Da solche Proben wie in dieser Arbeit bislang nur kaum mit der KP untersucht wurden sind, ist auch wenig über den Ursprung des KP-Signals bekannt. Zur genaueren Charakterisierung wurden daher auch Messungen mit QMB-Sensoren und mit der IR-Spektroskopie durchgeführt. Die dabei gewonnenen Daten sind in ein erstes Model zur Erklärung des Messeffektes eingeflossen. Dieses wird am Ende der Arbeit vorgestellt.