Impedance model for a high-temperature ceramic humidity sensor

Abstract

Abstract. We present an equivalent circuit model for a titanium dioxide-based humidity sensor which enables discrimination of three separate contributions to the sensor impedance. The first contribution, the electronic conductance, consists of a temperature-dependent ohmic resistance. The second contribution arises from the ionic pathway, which forms depending on the relative humidity on the sensor surface. It is modeled by a constant-phase element (CPE) in parallel with an ohmic resistance. The third contribution is the capacitance of the double layer which forms at the blocking electrodes and is modeled by a second CPE in series to the first CPE. This model was fitted to experimental data between 1 mHz and 1 MHz recorded at different sensor temperatures (between room temperature and 320 ∘C) and different humidity levels. The electronic conductance becomes negligible at low sensor temperatures, whereas the double-layer capacitance becomes negligible at high sensor temperatures in the investigated frequency range. Both the contribution from the ionic pathway and from the double-layer capacitance strongly depend on the relative humidity and are, therefore, suitable sensor signals. The findings define the parameters for the development of a dedicated Fourier-based impedance spectroscope with much faster acquisition times, paving a way for impedance-based high-temperature humidity sensor systems.

P2.06 - Untersuchung des Feuchteeinflusses auf SnO2-basierten Halb-leitergassensoren mittels schneller Impedanzspektroskopie

“…Falls also der Widerstand R stärker sinkt als die Kapazität C, steigt die Grenzfrequenz an und der Wendepunkt der Phase verschiebt sich hin zu höheren Frequenzen. Zu beachten ist, dass sich die Kapazität durch Feuchte ebenfalls erhöht, allerdings im Vergleich zum Widerstand eher gering [4]. Dieses Verhalten ist bei der Messung mit eingeschaltetem Heizer sichtbar, da eine Zugabe von Feuchte den Widerstand um ca.…”

“…Während für TiO 2 ist ein solcher Effekt bis zu einer Temperatur von ca. 300 °C nachgewiesen wurde [4], finden sich für SnO 2 nur Nachweise bei Raumtemperatur [5]. Im Gegensatz zu der Leitfähigkeit durch Feuchte ist die Reaktion mit reduzierenden Gasen ein rein elektronischer Effekt, hervorgerufen durch Reaktion des Gases mit dem adsorbierten Sauerstoff auf der Sensoroberfläche und damit der Vernichtung von Akzeptorzuständen [3].…”

Quartz crystal microbalance coated with PEDOT–PSS/PVA nanofiber for a high-performance humidity sensor

“…Recently, various types of humidity sensors have been proposed (Lensch et al, 2019;Xu et al, 2019;Zhang et al, 2018). A humidity sensor with high sensitivity, rapid response time, low hysteresis, and long-term stability has become the main goal to pursue (Haidry et al, 2015;Yao et al, 2017).…”

“…A QCM is a kind of piezoelectric crystal resonator, of which the frequency resonance relies on the change of the loading mass. The QCM is often used to develop a gas or vapor sensor (Beißner et al, 2017;Li et al, 2019;Rianjanu et al, 2018d;Xu et al, 2018). Many researchers used the QCM to fabricate a high-performance humidity sensor (Jin et al, 2017;Nie et al, 2017).…”

6.2.3 Impedanzspektroskopie eines auf metallorganischen Netzwerken basierenden Sorptionssensors

“…Die kapazitive Auslesung von Sorptionssensoren für Feuchte ist gut beschrieben, da diese eine hohe Änderung der Permittivität verursacht [5]. Neben diesem kapazitiven Signalanteil führt die Feuchtesorption auch zu einer Änderung der ionischen Leitfähigkeit [6], was für VOC-Sensoren zur Kompensation der Feuchtequerempfindlichkeit genutzt werden kann, die eine Messung sonst erheblich stört. In dieser Arbeit wird eine erste Charakterisierung eines MOF-basierten Sorptionssensor mittels Impedanzspektroskopie vorgestellt und im Rahmen eines vereinfachten Leitungsmodells interpretiert, das als Basis für eine Kompensation der Querempfindlichkeit auf Feuchte dienen kann.…”