1 Überblick über die Sensorik

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