Dipl.-Ing. Denis Kunz
(Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik)
Charakterisierung von gassensitiven Hochtemperatur-Feldeffekttransistoren

Um dem globalen Klimawandel zu begegnen sind sparsame und CO2-arme Antriebe für Personen- und Nutzkraftfahrzeuge zwingende Voraussetzung. Zwar können moderne Verbrennungsmotoren mit geringem Kraftstoffverbrauch und niedriger CO2-Emission betrieben werden, doch entstehen im sog. Magerbetrieb giftige Schadgase, die mit Hilfe aufwändiger Abgasnachbehandlungssysteme reduziert werden müssen. Zur Regelung und Diagnose solcher Systeme werden neuartige Abgassensoren benötigt, die mit hoher Auflösung und schnellen Ansprechzeiten emissionsrelevante Gaskomponenten wie CO, NH3, NOx und Kohlenwasserstoffe selektiv detektieren. Der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlungssysteme und somit die Effizienz der Schadstoffreduzierung hängen dabei wesentlich von den Leistungsdaten des Abgassensors ab. Ein vielversprechendes Sensorkonzept basiert auf einem hochtemperaturfähigen Halbleiterchip, ein sog. chemosensitiver Feldeffekttransistor (ChemFET), dessen Gateelektrode mit katalytischen Metallisierungen funktionalisiert wird. Abhängig von der umgebenden Gasatmosphäre werden Gasspezies an der Gateelektrode ad- bzw. desorbiert, das Halbleiterbauelement somit polarisiert, sodass schließlich eine elektrische Signaländerung gemessen werden kann. Die große Herausforderung in der Entwicklung eines solchen Sensors liegt darin, seine Funktionalität gezielt auszuprägen und unter den rauen Bedingungen des Abgasstrangs eines Kraftfahrzeugs (Temperatur, Ruß, korrosive Gase) über lange Zeit sicher zu stellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ChemFETs unterschiedlicher Bauarten unter Hochtemperaturbelastung und bei verschiedenen Gasumgebungen gealtert und elektrisch charakterisiert. Hierbei wurden mehrere Degradationssmechanismen identifiziert, die die Langzeitstabilität der Sensoren beeinträchtigen. Anhand von Oberflächenuntersuchungen (REM, Auger-Elektronen-Spektroskopie) an ausgewählten Proben konnten die experimentell ermittelten Ergebnisse bestätigt werden. Mit den in dieser Arbeit erstmals durchgeführten Messungen an einem LKW-Motorprüfstand konnte außerdem die prinzipielle Funktionalität der Sensoren unter realen Abgasbedingungen erfolgreich demonstriert werden: Im komplexen Gemisch des Dieselabgases ließen sich NH3-Konzentrationen im unteren ppm-Bereich bei sehr gutem Signal-/Rauschverhältnis nachweisen. Der Vorteil mit Hilfe der Halbleitertechnologie kostengünstig mehrere Messfunktionen in einem einzigen Sensorchip zu integrieren, gepaart mit der hier gezeigten hochauflösenden Empfindlichkeit der ChemFETs, ermöglicht den Einsatz zukünftiger Abgasnachbehandlungssysteme im Automobil und trägt somit aktiv zur nachhaltigen Reduktion der CO2-Emissionen und zum sparsamen Verbrauch moderner Kraftfahrzeuge bei.

Preisgeld: 1.000 Euro für Dipl.-Ing. Denis Kunz – Diplomarbeit