1 Ãberblick über die Sensorik
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446 8.5 Metalloxidsensoren 8.5 Metalloxidsensoren 447<br />
Die chemische Reaktion zwischen Gas und Sensor ermöglicht in den meisten Fällen erst<br />
bei höheren Temperaturen <strong>die</strong> Einstellung eines Gleichgewichts, so daß im Aufbau des<br />
Sensors (Bild 8.5-2) eine Heizvorrichtung vorgesehen sein muß. Für <strong>die</strong>sen Sensortyp –<br />
wie für andere chemische Sensoren aus anderen Gründen (s. Bild 8.1.5-12) auch – ist <strong>die</strong><br />
Einstellung einer konstanten Betriebstemperatur eine wichtige Voraussetzung für <strong>die</strong><br />
Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften.<br />
Bei Sensoren auf der Basis des Oberflächeneffekts ergibt sich eine besonders hohe Empfindlichkeit<br />
durch ein günstiges Verhältnis von Oberflächen- zu Volumenleitfähigkeit,<br />
wenn <strong>die</strong> Sensoren aus porösen Sinterkörpern hergestellt werden, in welche das Gas eindringen<br />
kann (Prinzip in Bild 8.5-3, Ausführungsformen in Bild 8.5-1a und b).<br />
Bild 8.5-2<br />
Steigerung der Empfindlichkeit von Gassensoren durch Anwendung poröser Sinterkörper.<br />
Oberflächeneffekt: Die Gasreaktion erfolgt auf einer sehr großen Oberfläche, ein<br />
parasitärer Beitrag der Volumenleitfähigkeit wird durch Verwendung kleiner Körner<br />
herabgesetzt (großes Verhältnis Oberfläche/Volumen).<br />
Volumeneffekt: Bei Verwendung kleiner Körner sind <strong>die</strong> Abstände von der Oberfläche<br />
relativ gering, d.h. Sauerstoffleerstellen benötigen nur relativ geringe Diffusionslängen,<br />
um in das Volumen zu gelangen. Dadurch entsteht eine größere Empfindlichkeit<br />
und Ansprechgeschwindigkeit.<br />
Die meisten Gassensoren mit Metalloxidschichten sind aus der empirischen Erfahrung<br />
heraus entwickelt worden. Verschiedene Zusätze mit den Metallen Pd, Pt, Au, Ag und<br />
Cu können <strong>die</strong> Empfindlichkeit vergrößern (z. B. durch Katalysatorwirkung), weiterhin<br />
können sie <strong>die</strong> Selektivität, Lebensdauer und Stabilität verbessern aufgrund von Mechanismen,<br />
<strong>die</strong> häufig atomistisch noch nicht im Detail verstanden werden.<br />
In der Anwendung am verbreitetsten ist zur Zeit der Taguchi-Gassensor (Bild 8.5-<br />
3), der für vielfältige Anwendungen in der Feuer- und Gaswarntechnik, Verbrennungsüberwachung,<br />
etc. eingesetzt werden kann, nur mit Einschränkungen hingegen für<br />
quantitative Messungen.<br />
Bild 8.5-3:<br />
Taguchi-Sensor (nach [8.27]): Der Gassensor hat einen ähnlichen Aufbau wie in<br />
Bild 8.5-1a.<br />
a) Montage des Sensors in einem Gehäuse<br />
b) Einfache Meßschaltung<br />
c) Kalibrier-Kurve für verschiedene Gase (Typ TGS 109)<br />
Bei Verwendung von Dick- und Dünnschichtausführungen wie in Bild 8.5-1c sind – im<br />
Gegensatz zur Sintertechnik – keine Prozesse bei sehr hohen Temperaturen erforderlich.<br />
Bei Verwendung von Dickschichtverfahren können weitgehend <strong>die</strong>selben Ausgangswerkstoffe<br />
(feinkörniges Pulver aus Werkstoffen bekannter Zusammensetzung) wie bei<br />
den Sinterverfahren eingesetzt werden, so daß vorhandene empirische Erfahrungen genutzt<br />
werden können. Bei Dünnschichtverfahren hingegen müssen <strong>die</strong> aktiven Sensorschichten<br />
sorgfältig synthetisiert werden, wodurch <strong>die</strong> Zusammensetzung in der Stöchiometrie<br />
und dem Gitteraufbau besser kontrolliert werden kann. Diese Verfahren<br />
könnten auch – bei einem relativ zum heutigen Wissensstand verbesserten physikalischen<br />
Verständnis der grundlegenden Mechanismen – langfristig zu definierteren<br />
Werkstoffeigenschaften und damit einer reproduzierbareren Beherrschung der Sensoreigenschaften<br />
führen.