FBARs (Film Bulk Acoustic Resonators) als CO 2 -Sensoren mit der Möglichkeit zur akustischen Eliminierung von Querempfindlichkeiten

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1 FBARs (Film Bulk Aousti Resonators) als CO 2 -Sensoren mit der Möglihkeit zur akustishen Eliminierung von Querempfindlihkeiten Romy Hoffmann 1,2, Matthias Shreiter 1, Johannes Heitmann 2 1 Siemens Corporate Tehnology, Otto-Hahn-Ring 6, Münhen, Deutshland 2 Institut für Angewandte Physik, TU Bergakademie Freiberg, Leipziger Str. 23, Deutshland Zusammenfassung FBARs (engl. Film Bulk Aousti Resonator) können durh eine entsprehende Oberflähenfunktionalisierung sensitiv für bestimmte Moleküle gemaht werden. Die Moleküle lagern sih an der Oberflähe an und bewirken somit eine Resonanzveränderung, welhe als gasempfindlihe Größe gemessen werden kann. Für die vorliegende Arbeit haben wir FBARs mit Aminopolysiloxanen beshihtet, um sie für die spezifishe Detektion von CO 2 -Gas in der Atmosphäre nutzbar zu mahen. Für günstige und kleine CO 2 -Sensoren gibt es einen großen Mark, aber ein bestehendes Problem sind Querempfindlihkeiten, insbesondere zu sih ändernder Luftfeuhtigkeit. Wir zeigen, wie man die Eigenshaften von akustishen Bauteilen nutzt, um solhe Querempfindlihkeiten zu eliminieren. Das Prinzip auf dessen Basis diese Untersheidung von Gasen beruht, ist die individuelle Änderung der elastishen Eigenshaften eines Materials, wenn es mit bestimmten Gasen in Kontakt kommt. Solhe Änderungen können zum Beispiel durh hemishe Vernetzung oder physikalishe Behinderung von Bewegungen hervorgerufen werden. Wir zeigen an einem Beispiel, wie unter Anwendung vershiedener Polymere der Einfluss der Luftfeuhtigkeit von dem CO 2 -Signal getrennt werden kann. Eine zukünftige Herausforderung für die Entwiklung solher CO 2 -Sensoren wird die Stabilität der funktionellen Materialien und deren lokale Absheidung in vershiedenen Diken sein. Keywords: Gassensorik, FBAR, akustishe Sensoren, CO 2 -Sensoren, Querempfindlihkeiten. Motivation Gassensoren spielen eine immer größere Rolle in vielen Bereihen unseres Lebens. Luftqualitätsbewertung im Auto und am Arbeitsplatz, sowie Warnmelder für toxishe Gase sind nur einige Beispiele. Besonders CO 2 ist ein wihtiges Gas, da es als Indikator für die Luftqualität dient. Dies ist gerehtfertigt, da es überall da entsteht, wo Menshen sih aufhalten und shon Konzentrationen von 1.000ppm - statt der üblihen 400ppm - zu Symptomen wie Ermüdung oder Kopfshmerzen und somit zu einer eingeshränkten Lebensqualität führen können. Um die Luftqualität auf einem angenehmen Level zu halten, müssen Gebäude gut belüftet werden. Solhe Belüftungsanlagen werden im Normalfall tagsüber mit einer hohen Luftaustaushrate betrieben und nur nahts heruntergefahren. Durh eine bedarfsgerehte, individuelle Belüftung von Räumen, je nah Notwendigkeit, könnte ein großer Anteil der Gebäudeenergie gespart werden. Für derartige Systeme ist jedoh eine Vielzahl von zuverlässig arbeitenden Gassensoren zur Raumluftüberwahung notwendig. Der größte Anteil der kommerziellen CO 2 - Sensoren, die für diese Aufgabe in Frage kommen, sind NDIR- (engl. non dispersive infrared) Sensoren. Diese optishen Sensoren wurden im Laufe der letzten Jahrzehnte immer weiter verbessert und erreihen die für die Raumluftmessung nötige Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Benötigte Genauigkeiten für die Raumluftkontrolle betragen etwa ±50ppm CO 2. In den USA ist die maximale Drift außerdem auf 10ppm pro Jahr begrenzt [1]. Der Nahteil von NDIR-Sensoren ist jedoh ihr Preis, welher für eine Komplettausstattung vieler Räume zu hoh ist. Für andere Anwendungsgebiete von CO 2 -Sensoren, z.b. Handysensoren, sind sie weiterhin zu groß. Der FBAR kann eine gute Alternative zu optishen Gassensoren darstellen. Er kann aufgrund der gängigen CMOS-Verfahren sehr klein und in großen Stükzahlen kostengünstig hergestellt werden. Er ist ein robustes Bauteil und durh seine hohe Arbeitsfrequenz sehr sensitiv. Weiterhin ergibt sih über seine geringe Größe die Möglihkeit, einen Multigassensor mit mehreren FBARs zu entwikeln. Eine Zusammenfassung des Potentials des FBARs wurde bereits in [2] gegeben. 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme

2 Die Hauptherausforderung liegt jedoh - wie bei allen anderen Festkörpersensoren auh - in der Auswahl der rihtigen Materialien und Verfahren für die Funktionalisierung des Sensors. Der FBAR als Gassensor Ein FBAR besteht im Kern aus einem piezoelektrishen Material, an dessen Ober- und Unterseite eine Elektrode anliegt (Abb.1). Wird an die Elektroden eine Wehselspannung angelegt, so erzeugt das eine akustishe Welle, welhe jeweils am akustishen Spiegel und an der Grenzflähe zu Luft reflektiert wird. Der akustishe Spiegel ist eine alternierende Anordnung von Materialien mit hoher und niedriger akustisher Impedanz. Auf der luftseitigen Elektrode wird die funktionelle Shiht abgeshieden, welhe für die Absorption bestimmter Gase konzeptioniert ist. Abb. 1: Aufbau eines FBARs mit Absorptionsshiht, in welhe sih CO 2 und Luftfeuhte einlagern können. Das grüne Gitter stellt eine Versteifung des Materials unter CO 2 -Einfluss dar. Je nah Dike des FBARs, inklusive der Absorptionsshiht, und je nah akustishen Eigenshaften der einzelnen Materialien ergibt sih eine Frequenz f r, bei welher die akustishe Welle in Resonanz ist (siehe Abb.2). Erhöht sih, durh die Aufnahme von Gasmolekülen, die resonante Masse des FBARs, so vershiebt sih, entsprehend der Sauerbrey Gleihung, f r zu kleineren Frequenzen. Dies ist in Abb.2 durh die rote, bzw. blaue Kurve dargestellt [3]. Aber auh die akustishen Eigenshaften der Materialien haben einen Einfluss auf f r. So hängt die akustishe Geshwindigkeit eines Materials v a eng zusammen mit dessen Steifigkeit und Dihte Je shneller die akustishe Welle sih fortbewegt, desto größer wird auh f r. Wenn Gase in einem Material eine Erhöhung der Steifigkeit hervorrufen, sieht man dies - wie durh die grüne Kurve in Abb.2 beshrieben - in einer positiven Vershiebung von f r. Abb. 2: Resonanzfrequenzvershiebung eines FBARs mit zunehmender Masse zu niedrigeren und mit zunehmender Steifigkeit zu höheren Frequenzen. Während die Massenzunahme durh ein Gas nahezu linear mit steigendem Volumen der sensitiven Shiht zunimmt, gewinnen Steifigkeitsänderungen erst mit größerem Anteil der akustishen Welle im sensitiven Material an Bedeutung. Das heißt, insofern eine Steifigkeitsänderung durh ein Gas im Material vorliegt, kommt diese erst ab einer gewissen Shihtdike zum Tragen, nämlih wenn der Einfluss der Massenzunahme übertroffen wird. Die Gesamtresonanzvershiebung f r wird dann positiv. Wann und ob diese Änderung von negativer zu positiver f r erfolgt, hängt stark vom Grad der Versteifung und somit sowohl vom funktionellen Material, als auh dem eingelagerten Gas ab. In Abb.3 ist eine solhe Abhängigkeit für zwei fiktive Gas- Material-Kombinationen modelliert worden. In dieser Besonderheit verdeutliht sih die Möglihkeit des FBARs, Gase anhand ihrer die Steifigkeit verändernden Fähigkeiten und niht nur hinsihtlih ihrer Absorptionsrate zu untersheiden, was eine deutlihe Verbesserung für die selektive Bestimmung von Gasen wie CO 2 bedeuten kann. Funktionalisierung Um den FBAR sensitiv für ein bestimmtes Gas zu mahen, muss dessen Oberflähe so modifiziert werden, dass möglihst nur dieses Gas am Sensor gebunden wird. Dies geshieht in der Regel durh das Aufbringen einer Absorptionsshiht. In dieser Shiht gibt es Rezeptoren, an die sih das Gas binden kann. v a (1) Die Bindung sollte reversibel sein. (1) 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme

3 Abb. 3: Auswirkung der Dike der Absorptionsshiht auf f r bei theoretishen Werten für die Steifigkeits- und Massenerhöhung infolge einer Absorption der Modellgase jeweils gleiher Konzentration mit Gas 1 und Gas 2, wobei Gas 2 eine höhere Steifigkeitsänderung aufweist als Gas 1. Passende Rezeptorshihten für CO 2 sind shwer zu finden, da CO 2 ein relativ inertes Gas ist und ähnlihe physikalishe Eigenshaften wie viele andere Gase besitzt (z.b. H 2 O, NO x, SO 2 ). Aus der industriellen CO 2 -Absheidung und Speiherung zur Luftreinigung ist jedoh bekannt, dass Amine CO 2 aufnehmen und auh bei Bedarf wieder abgeben können [4]. Die vorwiegende Reaktion hierfür ist die Bildung von Carbamat aus zwei benahbarten primären Aminogruppen: RNH 2 CO2 RNH 3 O2CNHR Diese Bindung kann ebenso für die Absorption auf der Sensoroberflähe genutzt werden. Als Träger für die Aminogruppen eignen sih Polysiloxane, da diese in fester Phase vorliegen, inert sind und sih leiht mit Aminogruppen funktionalisieren lassen. Polysiloxane haben jedoh den Nahteil, dass sie wie viele andere Polymere auh bei hoher Luftfeuhtigkeit aufquellen und dies auh zu einer Verstimmung der Resonanzfrequenz führen kann. Experimentelles Vorgehen Für alle Versuhe wurden FBARs mit ZnO als piezoelektrishes Material verwendet. Der Spiegel bestand aus je drei Wolfram und SiO 2 Shihten. Eine weitere Shiht Wolfram wurde als untere Elektrode eingesetzt. Die obere Elektrode war aus Aluminium. Aufgrund der - Ahsen-verkippten Orientierung der ZnO- Shiht wurden Sherwellen angeregt. Die Resonanzfrequenz f r der FBARs lag bei etwa 800MHz. Für eine flähenhafte Funktionalisierung und erste Tests wurden passive Chips mit je 14 FBARs nebeneinander verwendet, für die genauere und statistishe Auswertung wurden jedoh aktive Chips mit je 64 FBARs und integrierter Ausleseelektronik hergestellt. Als funktionelle Shihten wurden Aminopolysiloxane ausgewählt, welhe aus den folgenden drei Monomeren durh Hydrolyse synthetisiert wurden: 3-Aminopropyltrimethoxysilan (AMO), Propyltrimethoxysilan (PTMS) und 3- Aminopropyldiethoxymethylsilan (A2EO). Die drei Monomere wurden vor der Hydrolyse in untershiedlihen Verhältnissen gemisht. Eine Übersiht der entstandenen Mishungen ist in Tab.1 zu sehen. Das Lösungsmittel war Methanol. Tab. 1: Bezeihnung Übersiht der Polymergemishe. Angegeben sind die Monomere anteilig an der Masse des Polymers und die Konzentration in Methanol. AMO PTMS A2EO Konz. (Gew.%) P var ,4% ,4% Die Polymere auf den passiven Chips wurden durh dynamishes Spin-Coating aufgebraht. Die Shihtdike konnte hier über die Verdünnung des Polymers und die Drehgeshwindigkeit beeinflusst werden. Bei den aktiven Chips wurden hohverdünnte Polymerlösungen 2 (2) aufgetropft. Nah dem Absheiden wurden (1) die Proben bei C für 18h getempert, um flühtiges Lösungsmittel auszutreiben und den Rest des Materials vollständig zu polymerisieren. Die Shihtdiken wurden mithilfe eines KLA-Tenore Profilometers bestimmt. Die f r der FBARs auf den passiven Chips wurden durh einen Network-Analyser der Firma Hewlett Pakard bestimmt. Die f r der aktiven Chips werden über die Plateaus der Transferfunktionen ausgewertet. Die Untersuhung der gassensitiven Eigenshaften wurden in einem synthetishen Grundgas mit 20% O 2 unter Zudosierung von Feuhte und CO 2 durhgeführt. Die Feuhtewerte werden im Folgenden immer als relative Feuhte bei 25 C angegeben (% H 2 O). Die zu messenden, beshihteten FBARs wurden unter kontinuierlihem Gasfluss betrieben. Shihtharakterisierung Anhand von Abb.3 erkennt man, wie wihtig es für die spätere Funktion des Sensors ist, die Funktionsshiht in definierter Dike abzusheiden. 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme

4 Abb. 4: a) Mit vershiedenen Verdünnungen von P1 erreihte Shihtdiken beim Spin-Coating. b) Profil eines beshihteten FBARs (6%ige Lösung). Die Diken, die mittels Spin-Coating und vershiedenen Verdünnungen erreiht werden konnten, überdekten den gesamten interessanten Bereih von 0-500nm (Abb.4a) und nahmen dabei für hohe Verdünnungen linear mit dem Polymeranteil in der Lösung zu. Die aus Spin-Coating resultierenden Profile auf den FBARs waren im mittleren Bereih sehr homogen, aber hatten an den Rändern Aufwölbungen, welhe durh die Fliehkräfte beim Spin-Coaten enstehen (Abb.4b). Während bei den passiven Chips Spin-Coating zielführend war, um je eine Shihtdike pro Chip zu erhalten, war das Ziel für die aktiven Chips mehrere Diken vershiedener Polymere auf den vershiedenen Resonatoren eines Sensorhips zu haben. Hierfür wurde zunähst die Hälfte eines Chips mittels eines shmalen Kaptonklebebands abgedekt (Abb.5) und je eine Hälfte mit einem hohverdünnten Polymer betropft. Abb. 6: Profil über die unterste Reihe FBARs aus Abb.5. Die y-ahse zeigt die Höhe der Beshihteten FBARs links und rehts relativ zu den unbeshihteten in der Mitte. Gasmessungen an passiven Chips Sieben passive Chips wurden mit Polymer P1 in vershiedenen Verdünnungen durh Spin- Coaten beshihtet. Es ergaben sih Shihtdiken zwishen 20 und 500nm. Für jeden Chip wurde die f r eines Resonators bei vershiedenen Gasgemishen gemessen. Das Standardgasgemish setzte sih wie folgt zusammen: 20% O 2, 40% H 2 O, 400ppm CO 2 in trokenem N 2. Die Variationen waren eine Erhöhung der relativen Luftfeuhtigkeit von 40 auf 60%, und eine Erhöhung des CO 2 -Gehalts von 400 auf ppm, je einmal bei Raumtemperatur und einmal bei 70 C. Die Ergebnisse der f r bei den jeweiligen Veränderungen, sind in Abb.7 zusammengefasst. Abb. 5: Aktiver Chip mit 64 FBARs, in zwei Bereihe geteilt durh ein Kaptonband in der Mitte, links mit und rehts mit durh Dispensieren beshihtet. Profilometermessungen nah dem Auftropfen der Polymere und zeigten, dass trotz gleiher Verdünnung, zu dikeren Shihten führt (Abb.6). Weiterhin konnte beobahtet werden, dass mittels dieses Dispensierverfahrens keine homogene Shihtdikenverteilung hervorgebraht wird, sondern eine Vielzahl vershiedener Diken aufzufinden sind. Abb. 7: f r vershieden dik beshihteter FBARs bei den jeweiligen Änderungen der Umgebung. Betrahten wir zuerst die Änderung der Luftfeuhte (shwarz). Je diker das Polymer ist, desto stärker verändert die Luftfeuhte die Resonanzfrequenz zu niedrigeren Resonanzen. Dies kann mit der Massenzunahme erklärt werden, wobei die absolute f r und somit die 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme

5 Masse der absorbierten Moleküle mit der Dike der Funktionalisierungsshiht zunimmt. Demgegenüber zeigt sih für die Aufnahme von CO 2 bei Raumtemperatur (rot) ein anderer Trend. Zunähst ändert sih die Sensitivität mit steigender Shihtdike wenig, ab 250nm Polymer vershiebt sih f r jedoh in positivere Rihtung. Bei etwa 200nm ist die Shiht nahzu unempfindlih zu einer CO 2 -Aufnahme. Werden die gleihen Messungen bei 70 C durhgeführt (blau), so erfolgt der Übergang von negativer zu positiver f r. Bereits bei 100nm und mit steigender Dike erhöht sih die Empfindlihkeit zu CO 2 auf ein Vielfahes. Wir vermuten, dass dieser Effekt auf eine Erhöhung der Steifigkeit bei CO 2 -Aufnahme zurükzuführen ist. Dass CO 2 zu Quervernetzungen in Polysiloxanen führen kann ist bereits bekannt [5] und auh nahvollziehbar, wenn man die Carbamatbildung berüksihtigt, welhe zwei benahbarte Aminogruppen miteinander verbindet. Erhöhte Temperaturen sheinen den Effekt noh zu verstärken. Eine möglihe Erklärung ist, dass das Polymergerüst mit höherer Temperatur elastisher wird und somit einerseits Aminogruppen besser erreiht werden können, und andererseits mehr Potential für eine Versteifung besteht. Im Großen und Ganzen stimmen die Trends der gemessenen f r sehr gut mit den modellierten Kurven aus Abb.3 überein. Deutlih sind die Untershiede zwishen H 2 O- und CO 2 -Molekülen in ihrer Auswirkung auf die Polymerbeshaffenheit zu erkennen. Weiterhin ist interessant, dass niht nur die Shihtdike, sondern auh die Temperatur einen großen Einfluss auf die Sensorantwort hat. Somit wäre es möglih mit einer einzigen Shihtdike, aber vershieden beheizbaren FBARs, eine Gasuntersheidung vorzunehmen. Gasmessungen an aktiven Chips Der Vorteil bei aktiven Chips liegt darin, dass man 64 FBARs zur gleihen Zeit messen kann und somit ein statistish auswertbares Ergebnis erhält. Beispielhaft wurde ein Chip mit bzw. auf je einer Hälfte beshihtet. Für jedes Polymer wurden Resonatoren mit einer Reihe vershiedener Shihtdiken erhalten. Für FBARs, welhe mit beshihtet waren, wurden bis zu 1000nm Polymerdike negative f r bei CO 2 -Aufshlag gemessen. Auf der anderen Seite zeigten die mit beshihteten FBARs bereits positive f r bei Shihtdiken ab 50nm. Dieses Phänomen kann sehr gut an Abb.8 nahvollzogen werden. Abb. 8: Messung der Resonanzfrequenzvershiebung einzelner FBARs, je einmal mit und einmal mit beshihtet (oberes Fenster), bei veränderten CO 2 -und Feuhtekonzentrationen (unteres Fenster). Abb.8 zeigt f r je eines mit (shwarzer Graph) bzw. (grüner Graph) beshihteten FBARs, wenn die Umgebungskonzentration an CO 2 oder H 2 O geändert wird. Dabei ist die - Shiht wesentlih dünner als die -Shiht. Für beide Materialien hat eine Erhöhung der Luftfeuhte eine negative f r zur Folge, aufgrund einer Massenzunahme. Trotz der untershiedlihen Shihtdiken haben die f r ähnlihe Größen. Dies kann mehrere Ursahen haben. Entweder ist das dünnere Material affiner zu Feuhte, was jedoh aufgrund der Hydrophobizität von PTMS unwahrsheinlih ist, oder die dikenabängige Kurve von f r für Feuhte (vergleihbar mit blauer Kurve in Abb.3) der beiden Materialien haben ähnlihe Werte bei vershiedenen Shihtdiken. Der Untershied der beiden Materialien bei Veränderung der CO 2 -Konzentration ist hingegen extrem. Der Übergang von negativer zu positiver Resonanzvershiebung sheint bei bereits bei sehr dünnen Shihtdiken zu erfolgen. Das würde heißen, das Material verändert seine Steifigkeit extrem mit der Einlagerung von CO 2. Bei ist ein versteifender Effekt des Materials selbst bei hohen Shihtdiken von über 600nm niht zu sehen. Um dies zu erklären muss man sih die Beshaffenheit der Materialien vor Augen führen. PTMS ist ein 3D-vernetzendes Polysiloxan und A2EO ein 2D-vernetzendes Aminopolysiloxan. Das heißt A2EO ist von Natur aus viskoser und die Polymerketten liegen flaher aufeinander, als in der 3D-Struktur von PTMS. Das Material hat hauptsählih A2EO- Anteile. Dadurh entsteht eine enge Anordnung der Ketten und niht alle NH 2 -Gruppen sind von CO 2 gut zu erreihen (Abb.9 rehts). Eine Verknüpfung benahbarter NH 2 -Gruppen maht also keinen großen Untershied in der 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme

6 Gesamtsteifigkeit des Materials, da es immer noh hauptsählih 2D-verknüfte, lineare und somit beweglihe Ketten sind. Aufnahme von CO 2 und niht von H 2 O handelt. Dieser Zusammenhang kann auh mithilfe eines einfahen Gleihungssystems vermittelt werden: f f a a ln( ln( CO2 CO2 ) ) b b H 2O H 2O (3) (4) Abb. 9: Netzwerkstruktur von bzw.. In dem Material hingegen liegt hauptsählih 3D-verknüpftes PTMS vor. Ein geringer Anteil A2EOs weitet das Netzwerk auf und maht es etwas flexibler, so dass NH 2 - Gruppen gut erreiht werden können (Abb.9 links). Wenn CO 2 nun benahbarte NH 2 -Gruppen verlinkt, hätte das einen größeren Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit, da es die wenigen beweglihen Zentren im Material versteift. Da die Versteifung einen so großen Einfluss auf f r hat, können mit dessen Messung viel höhere Sensitivitäten erreiht werden (siehe Abb.3). So zeigt in Abb.8 der mit beshihtete Resonator trotz der geringen Shihtdike von 55nm eine sehr deutlihe Erhöhung der f r für CO 2 (400ppm 1.000ppm) von a. 40kHz. Für einen FBAR, welher mit 200nm desselben Materials beshihtet war, betrug f r bereits 200kHz. Je höher die Vershiebungen, desto besser ist auh die Nahweisgrenze. Mit den FBARs des aktiven Chips wurden in der Regel Nahweisgrenzen von ±50ppm CO 2 erzielt, in manhen Fällen sogar bis ±20ppm. Die Ansprehzeiten liegen dabei in dem Bereih von einer Minute. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit dem System FBAR-Funktionsshiht zufriedenstellende Sensoreigenshaften erreiht werden können. Modellbildung Aus Abb.8 ist leiht zu erkennen, dass eine CO 2 -Aufnahme von einer H 2 O-Aufnahme mit beshihteten Sensoren shwer untersheidbar ist. Ebenso ist es niht möglih mit dem mit beshihteten FBAR alleine zu untersheiden, ob CO 2 aufgenommen oder H 2 O abgegeben wird. Verwendet man jedoh beide FBARs, so kann man davon ausgehen, dass es sih, wenn sih der Abstand deren Resonanzfrequenzen vergrößert, um die Gl.(3) und (4) stellen je eine Aufaddierung der f r mit H 2 O- und CO 2 -Aufnahme dar. Während diese Vershiebung mit steigender CO 2 - Konzentration ( CO2 ) eher einem logarithmishen Verlauf folgt, ist die Vershiebung für die H 2 O-Aufnahme in erster Näherung linear von dessen Konzentration abhängig ( H2O ). Die jeweiligen f-werte und die Konstanten a, b und, welhe die jeweiligen Abhängigkeiten quantitativ beshreiben, können zum Beispiel aus Messungen analog wie in Abb.8 bestimmt werden. Anshließend können reale Messwerte für f in das Gleihungssystem eingefügt werden und nah Umstellen der Gleihung erhält man die Konzentrationen der jeweiligen Gase. Eine derartige Modellierung wurde beispielhaft für zwei FBARs, ähnlih den in Abb.8, durhgeführt. Die auf diesem Wege rükgerehneten Gaskonzentrationen sind in Abb.10 gezeigt. Abb.. 10: Aus der Messung zweier untershiedlih beshihteter FBARs zurükgerehnete Gaskonzentrationen. Die erhaltenen Werte liegen dabei in guter Übereinstimmung mit dem ursprünglihen Gasgemish (vgl. Abb.8 unteres Fenster). Die sihtbaren Abweihungen können auf shleihende Änderungen im Material zurükgeführt werden, welhe eine Drift verursahen. Für die Entwiklung eines langzeitstabilen FBAR- Sensors müssen daher noh weitere Materialuntersuhungen und -verbesserungen folgen, um diese Drift zu vermindern. Dieses Beispiel an zwei untershiedlih beshihteten FBARs zeigt das hohe Potential des 64-FBAR-Arrays für die Multigasdetektion. 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme

7 Zusammenfassung Wir haben gezeigt, dass der FBAR mit einer geeigneten Funktionalisierung ein hohes Potential hat, um die CO 2 -Konzentration in der Umgebung - unabhängig von sih ändernder Luftfeuhte - zu messen. Das verwendete Prinzip nutzt dabei die speziellen Eigenshaften des FBARs, die eine Messung der Steifigkeitsänderung mit dem Eintritt eines Gases in ein Material, neben der Messung der Massenzunahme möglih mahen. Für die effektive Ausnutzung dieses Steifigkeitseffektes, sind sowohl die Beshaffenheit, als auh die Shihtdike der gasempfindlihen Funktionalisierung entsheidende Faktoren. Auh die Möglihkeit viele FBARs in einem Sensor- Array zu prozessieren ist sehr interessant für die Nutzung als Multigassensor, da man durh vershiedene Funktionalisierung viele Gase voneinander untersheiden kann. Um den FBAR kommerziell als Gassensor zu verwenden, muss in Zukunft mehr Augenmerk auf das Materialdesign gelegt werden, vor allem im Hinblik auf eine Driftverminderung. Danksagung Die Ergebnisse wurden im Rahmen von ENIAC JU Nr über das ESEE-Projekt gefördert. Angelika Tawil wird für die Unterstützung auf der hemishen Seite gedankt. Literaturnahweis [1] M.G. Apte, Ernest Orlando Lawrene Berkley National Laboratory (2006); LBNL [2] M. Shreiter, Proeedings of 13th International SENSOR Conferene in Nürnberg Vol 2,15-20 (2007); [3] G. Sauerbrey, Zeitshrift für Physik 155, (1959); doi: /BF [4] D. Camper, Ind. Eng. Chem. Res.47, (2008); doi: /ie801002m [5] T. Yu, J. Phys. Chem. 113, ; doi: /jp900115g 18. GMA/ITG-Fahtagung Sensoren und Messsysteme