1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 223<br />
444 8.5 Metalloxidsensoren 8.5 Metalloxidsensoren 445<br />
Bild 8.4-7<br />
Kombination aus einem Gassensor mit Feststoffelektrolyten und einer Gaspumpe:<br />
Über <strong>die</strong> letztere kann der Partialdruck in einer abgeschlossenen Referenzkammer<br />
definiert eingestellt werden (nach [8.26])<br />
8.5 Metalloxidsensoren<br />
Die Entstehung von Ladungsdoppelschichten bei der Reaktion chemischer Stoffe mit<br />
Festkörperoberflächen ist in den vorangegangenen Abschnitten ausführlich diskutiert<br />
worden. Bei Halbleitern und Isolatoren erfolgt <strong>die</strong> Ladungserzeugung auf der Festkörpergrenzfläche<br />
in vielen Fällen über Prozesse wie <strong>die</strong> Akkumulation, Entleerung oder<br />
Inversion (Band 2, Abschnitt 4.2), d.h. über eine durch <strong>die</strong> Werkstoffeigenschaften festgelegte<br />
typischeVerbiegung der Valenz- und Leitungsbandkanten im Bändermodell.<br />
Hierdurch wird <strong>die</strong> Oberflächendichte beweglicher Ladungsträger beeinflußt, d.h. <strong>die</strong><br />
elektrische Oberflächenleitfähigkeit σ sp verändert sich in charakteristischer Weise. Auf<br />
<strong>die</strong>ser Basis läßt sich eine Vielzahl resistiver Gassensoren mit wichtigen Anwendungsmöglichkeiten<br />
realisieren (s. auch Diskussion in Abschnitt 5.1). Die von der Molekülkonzentration<br />
des chemischen Stoffes abhängigen Leitfähigkeitsänderungen können<br />
bei halbleitenden Werkstoffen eine erhebliche Größenordnung annehmen, wobei<br />
insbesondere halbleitende Metalloxide zur Anwendung kommen (Tab. 8.5-1 und 2).<br />
Bei der katalytischen Oxidation von Gasen wie H 2 , CH 4 , CO, C 2 H 5 OH oder H 2 S als<br />
oxi<strong>die</strong>rbare Gase an der Festkörperoberfläche vergrößert sich effektiv <strong>die</strong> positive<br />
Wertigkeit der Adsorptionskomplexe, d.h. bei der Reaktion werden Elektronen an <strong>die</strong><br />
Festkörperoberfläche abgegeben. Dadurch erhöht sich <strong>die</strong> Elektronenkonzentration an<br />
der Oberfläche (Oberflächeneffekt), so daß in n-leitenden Halbleitern eine Aufladung<br />
durch Akkumulation erfolgt, in p-Halbleitern hingegen durch Entleerung. Entsprechend<br />
ist auch <strong>die</strong> Wirkung auf <strong>die</strong> Elektronenoberflächenleitfähigkeit: Sie vergrößert<br />
sich bei n-Leitern, verkleinert sich jedoch bei p-Leitern.<br />
Bei hinreichend großer Beweglichkeit von Sauerstoffionen im Festkörper (Temperaturen<br />
oberhalb von ca. 500°C) tritt auch ein Volumeneffekt auf: Die Sauerstoffkonzentration<br />
eines Gases außerhalb des Festkörpers bestimmt über ein chemisches<br />
Gleichgewicht mit den Sauerstoffionen des Metalloxids dort <strong>die</strong> Fehlstellen-, vor allem<br />
häufig <strong>die</strong> Leerstellendichte. Bei vielen oxidischen Werkstoffen steigt <strong>die</strong> Elektronenvolumenleitfähigkeit<br />
mit der Konzentration der Sauerstoffleerstellen an (dort lagern<br />
sich schwach gebundene – quasifreie – Elektronen an und verursachen eine Donatorwirkung<br />
der Leerstellen).<br />
Tab. 8.5-1 Halbleitende Metalloxide für Anwendungen in Gassensoren (nach [1.1])<br />
Bild 8.5-1: Aufbauformen von Gassensoren mit Metalloxidschichten (nach [1.1]):<br />
a) Sinterkörper mit eingeschlossener Heizwendel<br />
b) Sinterkörper mit separater Heizwendel<br />
c) Dick- oder Dünnschichtsensor mit separater Heizschicht.