Dr. rer. nat. Martin Liess

Design neuer Sensoren unter Berücksichtigung von Strukturaspekten

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Kurzfassung in Englisch

This work is a contribution to sensor science and engineering. A
mathematical method is introduced to examine sensor structures and examples
of application of this method are given. One of them is the analysis of the
retinal receptive field structure.

The main focus is chapter 4 that presents 4 novel or significantly improved
sensor principles, which are based on improved structures. They are

- Gas sensors based on the electric field induced migration of chemisorbed
gas ions on a sensitive thin film (patent DE 10041263).

- Gas sensors based on the effect that the Seebeck voltage between
thermocouples with at least one chemical sensitive material depends on the
gas environment of that material.

- Gas detectors based on photo induced ionisation (PID) where the motion of
space charges is controlled by an electric field (patent DE18928903, DE
19838759).

- Multidimensional motion sensors that are based on self-mixing of
scattered Laser light with the light wave in the cavity of the generating
laser diode (patents WO0237124, EP1261877, CN1408064T, US2003016365,
EP1261877, WO0237410, US2003160155, WO03032138, WO0237411A1, CN1416554T,
EP1334464, US2003006367, WO03102717, US6707027, US2002104957, WO2004021158)

In chapter 5 a categorization scheme for sensor structures is presented.
The scheme is used to discuss different structural improvements of sensors,
in particular those presented in chapter 4.

Kurzfassung in Deutsch

Vorwort und Zusammenfassung

Im Hauptteil der vorliegenden Arbeit (Kapitel 4) werden vier verschiedene
neu entwickelte oder wesentlich verbesserte Sensorprinzipien vorgestellt.
Die Stärke dieser Sensorprinzipien ist deren Struktur, die zu einer
verbesserten Nachweisgrenze oder Stabilität führt.

Die Struktur eines Sensors (Kapitel 2)

Um die Wirkung der Sensorstruktur algemeingültig zu diskutieren wird im
zweiten Kapitel ein Modell entwickelt, das Eigenschaften von Sensoren auf
deren Struktur zurückführt.

Dabei werden alle Sensoreigenschaften allgemein von einer einfachen
Gleichung generiert und daraus Schlussfolgerungen für die Eigenschaften der
Sensorstruktur gezogen.

Es zeigt sich, wie sich der Effekt struktureller Maßnahmen in der
Nachweisgrenze niederschlägt, und sich mit der verbesserten Nachweisgrenze
die Messunsicherheit (als Funktion aller Eingangsgrößen) parallel
verschiebt.

Strukturanalyse eines Sensors am Beispiel der Retina (Kapitel 3)

Im dritten Kapitel wird das Modell beispielhaft auf das Auge höherer
Säugetiere angewandt. In der Einleitung werden die bekannten biologischen
Fakten für Ingenieure und Physiker verständlich eingeführt.

Darauf folgt eine mathematischen Strukturanalyse der Retina (und
Leiterstrukturen allgemein), die als Sensorsystem betrachtet wird. Es zeigt
sich, wie die Schwächen der Komponenten (Nervenzellen) der Retina durch
deren Struktur kompensiert werden.

Sensoren mit verbesserter Struktur (Kapitel 4)

1. Gasmessung mit Hilfe gasempfindlicher Thermopaare

Bekannt ist der Gebrauch von Thermopaaren zur Messung von
Temperaturunterschieden. In dieser Arbeit wird eine bisher unbekannt
gewesene Methode vorgestellt, mit der bei einem konstanten
Temperaturunterschied eine Gaskonzentration gemessen wird. Dabei spielt die
Abhängigkeit der differentiellen Thermospannung von der Ladungsträgerdichte
in sensitiven Materialien eine Rolle.

2. Elektromigration von chemisorbierten Ionen auf einem halbleitenden Film

Sensoren basierend auf Widerstandsänderungen von gasempfindlichen Filmen
sind seit längerem im Gebrauch. Neu ist, deren aufgrund von Migration
veränderliches Widerstandsprofil in Ort und Zeit zu messen und damit
Sensoren zu bauen, die unempfindlicher gegen Alterung sind.

3. Modulation von Ionenbewegungen mit Hilfe eines zusätzlichen Gitters im
Photoionisationdetektor

Zwar sind sowohl Photoionisationsdetektoren (PID's) als auch das
Modulationsprinzip an sich bekannt, jedoch ist bis dahin noch kein
modulierter PID vorgestellt worden. Entscheidend an der hier eingeführten
Innovation ist die Methode, den Photoionisationsstrom zu modulieren, jedoch
dem Leckstrom und den äußeren Photostrom an der Kathode unmoduliert zu
lassen. Das führt zu einer 20-fachen Verbesserung der Nachweisgrenze.

4. Laserdiodeneigenmischung zur mehrdimensionalen Bewegungsmessung

Die Rückwirkung von in die Quelle zurückgestreutem Laserlicht war bisher
als Störeffekt bekannt. Um diesen Effekt in einem Bewegungssensor nutzen zu
können, mussten Probleme wie Richtungserkennung und Miniaturisierung gelöst
werden.

Kapitel 5 befasst sich mit Strukturverbesserungen der im vorherigen Kapitel
genannten und weiteren Sensoren. Dazu wird eine Strukturschreibweise
vorgestellt. Kapitel 6 enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick.

weitere Metadaten

Schlagwörter
Leiterstruktur
Schlagwörter
Sensormodell
SWD SchlagworteChemischer Sensor
SWD SchlagworteMessunsicherheit
SWD SchlagworteNachweisgrenze
SWD SchlagworteOptischer Sensor
SWD SchlagworteOptoelektronischer Sensor
SWD SchlagworteSensor
SWD SchlagworteStrukturanalyse
DDC Klassifikation620
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
InstitutionShaker Verlag
BetreuerProf. Dr. Dr. Prof. h.c. mult. Thomas Gessner
GutachterProf. Dr. Dr. Prof. h.c. mult. Thomas Gessner
Prof. Dr. Wolfgang Manthey
Prof. Dr. Claus-Dieter Kohl
DokumententypHabilitation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)01.10.2004
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung21.06.2005
Veröffentlichungsdatum (online)10.07.2005
persistente URNurn:nbn:de:swb:ch1-200500839
ISBN3-8322-4183-3

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