Bestimmung physikalischer und technischer Randbedingungen zur Umsetzung eines photoakustischen Gassensors in der Mikrosystemtechnik

Schulz, Olaf

Abstract Within this thesis, the limiting physical and technical conditions for the miniaturisation of novel photo acoustic gas detectors have been investigated. Well in advance to the previous work in the field of miniaturised photo acoustic gas detectors, this thesis provides a complex mathematical model that considers physical, technical and environmental conditions as dedicated parameters. The model has been developed both in the time and frequency domain. It combines the two traditional modelling approaches of a rate-equation based time-domain investigation for non-resonant detectors and the wave-equation based frequency-domain considerations for photo acoustic resonators. The equality of this approach to existing models has been verified. As an advance to existing models however, the parameter approach allows to investigate the relations and dependencies of all these parameters against each other over broad variation ranges. Based on this advanced model, complete system simulations and behaviour studies become possible.While in the existing work on photo acoustics only single gases have been considered, this thesis investigates the impact of interactions between different types of molecules and introduces this as a parameter into the theoretical model. Both theoretical and experimental evaluations prove that the effects studied in such gas mixtures can be used to improve the sensitivity and selectivity of novel photo acoustics gas detectors. It has been shown, that using modern technology and processes known from micro system engineering, the design of reliable and high performing gas detectors is possible. The concepts introduced, developed and realised in this work already take into account the demands of low-cost, high volume manufacturing and potential applications. Finally, an integrated sensor concept based on both advanced photo acoustic detectors and micro machined infrared emitters has been introduced and investigated. The improved performance of this sensor concept compared to state-of-the-art technology has been verified.Chapter one of this work summarises the current state of photo acoustic technology not only for gas sensing applications but also in the fields of fluid and solid state analysis. In a second step, competitive infrared radiation based detection concepts are described and summarised.In chapter two, the novel parametrical mathematical model is derived and evaluated against existing models.The first part of chapter three introduces a laboratory experimental setup to investigate and verify the derived mathematical model in parametric studies. In the second part of chapter three, more sophisticated parameter dependencies are investigated by a combined approach of system simulations and tests. A dedicated approach to derive characteristic detector parameters such as Sensitivity, Noise Equivalent Power and Detectivity is developed here as well.Based on these considerations and investigations, boundary conditions for advanced photo acoustic detectors and related components are derived in the first two sections of chapter four. In the last section of chapter four, novel photo acoustic detectors are developed, realised and characterised. Finally, an integrated sensor concept is introduced, realised and evaluated as it has been shown in this work that the final gas sensitivity of a detector is strongly depending on the sensor concept and design.In the final chapter five, both the detector and sensor performance is compared to state-of-the-art detectors and sensors as summarised in chapter one. Possible improvements on the introduced concepts and possible applications provide a view into the future of photo acoustic gas detection.

In dieser Dissertation werden physikalische und technische Grenzwerte für die Miniaturisierung neuartiger photoakustischer Gassensoren untersucht. In Erweiterung zu existierenden Arbeiten auf dem Gebiet miniaturisierter photoakustischer Gasdetektoren wird hier ein komplexes mathematisches Modell entwickelt, welches physikalische, technische und Umweltbedingungen als spezifische Parameter berücksichtigt. Das Model berücksichtigt sowohl den Zeit- als auch Frequenzbereich. Es kombiniert die zwei traditionellen Modellierungsansätze der ratengleichgewichtsbasierten Zeitbereichsuntersuchung nichtresonanter akustischer Systeme und wellengleichungsbasierten Frequenzbereichsanalyse akustischer Resonatoren. Die Äquivalenz dieser Betrachtung zu bestehenden Modellen kann gezeigt werden. Als wesentlicher Vorteil gegenüber diesen Modellen bietet der hier gezeigte Ansatz jedoch den Vorteil, die eingeführten Parameter entkoppelt voneinander über einen breiten Variationsbereich betrachten zu können. Mit diesem erweiterten Modell werden komplexe System- und Verhaltenssimulationen möglich.Währen in den existierenden Arbeiten zur Photoakustik nur Reingase betrachtet werden, untersucht diese Dissertation den Einfluss der Interaktion unterschiedlicher Moleküle und führt dies als Parameter in das theoretische Model ein. Sowohl in simulierten als auch experimentellen Untersuchungen wird gezeigt, dass die zu beobachtenden Effekte in solchen Gasgemischen für die Verbesserung der Sensitivität und Selektivität neuartiger Gassensoren nutzbar sind. Es wird demonstriert, wie durch die Verwendung moderner Technologien und Prozesse aus der Mikrosystemtechnik zuverlässige und leistungsfähige Gasdetektoren ermöglicht werden. Die in dieser Arbeit entwickelten und umgesetzten Konzepte berücksichtigen dabei schon im Ansatz die Bedürfnisse einer preisbewussten Massenfertigung und potentielle Anwendungen. Schließlich werden diese Detektoren zusammen mit ebenfalls neuartigen mikromechanischen Emittern in einem integrierten Sensorkonzept untersucht. Die verbesserten Eigenschaften dieses Demonstrators können im Vergleich zu verfügbaren, vergleichbaren Sensoren nachgewiesen werde.In Kapitel 1 wird der gegenwärtige Entwicklungsstand der Photoakustik im Allgemeinen betrachtet. Weiterhin werden konkurrierende Detektortypen vorgestellt. In Kapitel 2 folgen eine theoretische Betrachtung der Grundlagen des photoakustischen Effekts sowie die Entwicklung des parametrischen Modells. Die Vergleichbarkeit zu existierenden Modellierungsansätzen wird gezeigt. Der Aufbau einer experimentellen Plattform, die Evaluierung des parametrischen Modells und die Untersuchung verschiedener Einflussfaktoren auf das Sensorverhalten sind Gegenstand des Kapitels 3. Es wird ebenfalls eine spezifische Methodik entwickelt, um typische Parameter wie Sensitivität, rauschäquivalente Leistung und Detektivität zu bestimmen. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse und Nutzung moderner Methoden der Mikrosystemtechnik werden in Kapitel 4 schließlich Konzepte für miniaturisierte photoakustische Detektoren entwickelt und umgesetzt. Da die messbare Gasempfindlichkeit eines Detektors letztlich auch vom Messaufbau abhängt, wird an dieser Stelle das integrierte Sensorkonzept vorgestellt, umgesetzt und untersucht. Im abschließenden Kapitel 5 werden die in dieser Arbeit entwickelten Detektor- und Sensorkonzepte mit jenen konkurrierenden Systemen verglichen, welche in Kapitel 1 beschrieben wurden. Weitere Entwicklungs- uns Anwendungsmöglichkeiten bieten einen Ausblick auf die Zukunft der photoakustischen Gasdetektion.

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Schulz, Olaf: Bestimmung physikalischer und technischer Randbedingungen zur Umsetzung eines photoakustischen Gassensors in der Mikrosystemtechnik. 2008.

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