1 Überblick über die Sensorik

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