Messprinzip Halbleiter

An dieser Stelle führen wir Ihnen Grundlagen der verschiedenen Messprinzipe aus der Gaswarntechnik auf. Der Text wurde uns freundlicherweise von Herrn Hans Peter Maurischat als Vorabdruck der geplanten überarbeiteten Fassung seines Kompendiums zur Gasmesstechnik zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen zu der aktuellen Version des Buches finden Sie unter www.maurischat.eu.  

 

Physikalisches Prinzip

Metalloxid-Gassensoren bestehen aus Metalloxid Halbleiterschichten. Die zurzeit am häufigsten verwendeten Materialien sind Zinndioxid, SnO2 und Zinkoxid ZnO. Wird ein Halbleiter erwärmt, bei SnO2 z.B. auf 300° C, strömen freie Elektronen aus dem Halbleiter durch die Grenzflächen zwischen den SnO2 Molekülen an der Halbleiteroberfläche. In Anwesenheit von Sauerstoff werden Sauerstoffatome aufgrund ihrer Elektronenaffinität an der Halbleiteroberfläche adsorbiert und binden freie Elektronen. Die Grenzfläche erhält eine negative Ladung und die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters verringert sich abhängig vom aufgenommenen Sauerstoff.

Befindet sich in der Umgebungsluft ein oxidierbares (reduzierend in Bezug auf den Halbleiter) Gas z.B. CO, wird es an der Halbleiteroberfläche oxidiert und bindet ein adsorbiertes Sauerstoffatom. Dadurch werden Elektronen im Halbleiter freigesetzt und der elektrische Widerstand sinkt ab.

Gelangt ein reduzierbares Gas an den Sensor (oxidierend in Bezug auf den Halbleiter) lagern sich Sauerstoffatome an der Oberfläche an und binden weitere freie Elektronen, damit erhöht sich der Widerstand des Halbleiters.

                     Abbildung Schematische Darstellung eines Halbleitersensors

Aufbau und Funktionsprinzip eines Halbleitersensors

Abbildung 39 Schematische Darstellung eines Halbleitersensors

Abbildung 42 zeigt den schematischen Aufbau eines Sensorelements. Das Halbleitermaterial sitzt auf einem Trägermaterial, z.B. Keramik. Die Widerstandsmessung erfolgt direkt über den Halbleiter. Aus der Umgebung diffundiert Gas auf das Halbleitermaterial und führt entweder Sauerstoffatome zu, die an der Oberfläche adsorbieren oder reduzierende Gase, die dem Halbleiter Sauerstoff entziehen.

Bei Raumtemperatur ist die Anzahl freier Elektronen sehr gering und die Zahl der aus der Umgebungsluft adsorbierten Sauerstoffatome sehr klein. Deshalb wird das Halbleitermaterial über eine Heizspirale auf eine stabile Arbeitstemperatur erwärmt. Nach dem Einschalten der Heizung steigt die Anzahl der freien Elektronen sehr rasch an und führt zum Absinken des Widerstandes. Die Sauerstoffadsorbtion erfolgt viel langsamer weil eine höhere Aktivierungsenergie notwendig ist. Bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat kommt es zu einer längeren Einlaufphase während der der Widerstand langsam ansteigt. Die Dauer der Einlaufphase ist auch von der Dotierung des Halbleitermaterials mit Katalysatoren abhängig.

Katalysatoren sind notwendig, weil reine Halbleitersensoren sehr unspezifisch reagieren und bei unterschiedlichen Gasen ein Signal abgeben. Durch die Dotierung des Halbleitermaterials mit katalytisch wirksamen Metallen ist eine bessere Selektivität der Sensoren zu erreichen. Dazu wird hauptsächlich Platin, Palladium und Silber eingesetzt. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist ebenso wie das Einlaufverhalten von der Menge des zugegeben Katalysatormaterials abhängig.

Die Selektivität des Sensors auf verschiedene Gase ist neben Art und Menge des Katalysators maßgeblich von der Arbeitstemperatur abhängig. Durch Veränderung der Temperatur verändert sich auch das von den Messgasen erzeugte Signal erheblich.

Die sich am Sensor einstellende Signaländerung steigt meist nicht linear mit der Gaskonzentration.

 

Verwendungshinweise und Besonderheiten

Trotz der Verwendung von Katalysatoren können die Sensoren je nach Hersteller auf eine Vielzahl von Gasen reagieren. Das heißt, sehr viele unterschiedliche Gase erzeugen eine Signaländerung, z.B. Kohlenmonoxid und Methan. Besteht die Vermutung, dass beide Gase anwesend sein können, kann die Signaländerung nicht quantitativ dem einen oder anderen Gas zugeordnet werden. Durch die Dotierung mit Katalysatoren und der Wahl einer geeigneten Arbeitstemperatur kann der Sensor zwar jeweils auf das ein oder andere Gas empfindlicher gemacht werden, eine Beeinflussung der Anzeige durch andere Gase als das zu Messende ist aber nach derzeitiger Kenntnis nicht auszuschließen. Damit kann aufgrund der Anzeige nicht ohne zusätzliche Maßnahmen geschlossen werden, welches Gas in welcher Konzentration vorhanden ist.

Moderne Entwicklungen beschäftigen sich mit so genannten Sensor-Arrays. Dabei erfasst eine mikroprozessorgesteuerte Auswerteeinheit die Signale mehrerer im Messwertaufnehmer angeordneter Halbleiter, die auf unterschiedliche Gase reagieren, und wertet sie aufgrund einer Auswertelogik aus. Entsprechend dem Verhältnis der Signale der einzelnen Sensoren zueinander, kann das die Anzeige auslösende Gas und seine Konzentration ermittelt werden.

Das Signal von Halbleitersensoren ist in hohem Maße vom Sauerstoffpartialdruck in der Messumgebung abhängig. Bei sehr niedrigen Sauerstoffpartialdrücken ist mit einer irreversiblen Widerstandsänderung zu rechnen. Es ist zu vermuten, dass im Gitter eingebaute Sauerstoffatome entweichen. Die Verwendung der Sensoren im niedrigen Sauerstoffdruckbereich ist damit nicht möglich.

Das Signal von Metalloxidsensoren ist in der Regel abhängig vom Feuchtegehalt und der Temperatur der Umgebungsluft. Dies führt insbesondere bei der Kalibrierung zu Problemen, da in Druckgasflaschen abgefüllte Prüfgase eine sehr niedrige relative Feuchte von weniger als 3% aufweisen. Zur Kalibrierung und Justierung der Halbleiter sollte deshalb immer eine geeignete Befeuchtungseinrichtung verwendet werden, die das Prüfgas mit Wasserdampf auf den Feuchtegehalt der Umgebungsluft anreichert. Das gleiche gilt für die Prüfgastemperatur. Die Prüfgasflaschen sollten die gleiche Temperatur haben wie die Messumgebung. Modernere Sensoren besitzen Feuchte‑ und Temperatursensoren, die das Signal entsprechend den Umgebungsbedingungen anpassen. Hinweise sollten sich in der Betriebs‑ und Wartungsanleitung des Herstellers finden.

Auch zwischen Sensoren gleicher Bauart können erhebliche Schwankungen in der Empfindlichkeit gegenüber einzelnen Gasen auftreten. Wie bei den Wärmetönungsmessgeräten existieren Gase, die die Empfindlichkeit stark verändern. In den meisten Fällen nimmt die Empfindlichkeit ab, kann aber in manchen Fällen auch ansteigen.

Ein Bereich in dem Halbleitersensoren derzeit mit großem Erfolg eingesetzt werden ist die Brandfrüherkennung. Hier ist das Ansprechverhalten der Sensoren auf mehrere gasförmige Verbrennungsprodukte von Vorteil. Beim Einsatz solcher Systeme ist jedoch darauf zu achten, mit welchen anderen Gasen prozess‑ bzw. anlagenbedingt zu rechnen ist, und welchen Einfluss sie auf die Anzeige der Sensoren haben.

 

Halbleiter‑Sensoren Vor‑ und Nachteile

Vorteile:

‑     einfacher technischer Aufbau, vergleichsweise preiswert

‑     für viele unterschiedliche Gase verfügbar und

‑     Messung sehr geringer Konzentrationen im ppm-Bereich möglich.

Nachteile:

-     Anzeige des Messgases verändert sich bei Anwesenheit anderer reduzierender oder oxidierender Gase, sowohl in positiver als auch in negativer Richtung,

-     hohe Schwankungen in der relativen Empfindlichkeit auch zwischen Sensoren gleicher Bauart,

‑     je nach Bauart Anzeige stark durch Temperatur und Feuchte beeinflusst,

‑     es gibt eine Vielzahl von Gasen, die die Anzeige erheblich beeinflussen,

‑     Einsatz in sauerstoffarmer Atmosphäre nicht möglich und

-     es gibt Stoffe, die den Sensor vergiften und so die Anzeige hin zu niedrigeren aber teilweise auch höheren Werten beeinflussen.
Dazu gehören z.B.:

  • alkalische oder saure Verbindungen,
  • Silikone,
  • Schwefelverbindungen,
  • Bleitetraethyl,
  • Zyanide und
  • halogenierte Verbindungen.

 

Quelle

Der Text wurde uns freundlicherweise von Herrn Hans Peter Maurischat als Vorabdruck der geplanten überarbeiteten Fassung seines Kompendiums zur Gasmesstechnik zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen zu der aktuellen Version des Buches finden Sie unter www.maurischat.eu.   

 

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Stand 2015