Gassensor

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Ein Gassensor ist ein Sensor für das Aufspüren von Gasen. Der elektrische Gassensor verändert seine elektrische Leitfähigkeit, sobald bestimmte Gase auf ihn wirken. Typische Gase für welche elektrische Gassensoren angeboten werden sind Propan, Butan, Methan oder auch Kohlendioxid. Der Sensor besteht dabei meist aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Zinnoxid, Zinkoxid, Titandioxid oder aus organischen Halbleitermaterial wie MePTCDI. Je nach Selektivität auf bestimmte Gase werden unterschiedliche Sensormaterialen eingesetzt.

Der bekannteste Sensor ist der von N. Taguchi entwickelte „Figaro-Sensor“ auf Zinnoxidbasis. Der Typ TGS 813 wird besonders als Nachweis für Erdgas, Methangas verwendet, der Typ TGS 822 dient zum Nachweis von Alkohol, Ammoniak usw.. Schon im Jahr 1988 wurden beispielsweise 400.000 Stück des Sensors TGS 813 (guter Nachweis für Erdgas und Methan) verkauft.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Die auf dem Sensor einwirkenden Gasmoleküle führen zu chemischen Reaktionen welche die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials (n-Halbleiter beim TGS-Typ) verändern. Normalerweise sind in der Raumluft 20 % Sauerstoffgas vorhanden. Diese Sauerstoffmoleküle werden an der Oberfläche des Sensors adsorbiert (chemisorbiert). Da Sauerstoff stark elektronegativ ist, zieht es Elektronen aus der Oberfläche zu sich heran. Die Sauerstoffatome werden so negativ aufgeladen, die Oberfläche des Halbleiters verarmt an Elektronen und wird positiv aufgeladen. Eventuell vorhandene Gasmoleküle wie Kohlenmonoxid, Methan, Ethanol, Ammoniak, Schwefeldioxid konkurrieren nun im Wettbewerb mit Sauerstoff um die freien Plätze auf der Oberfläche des Gasssensors. Diese Gase wirken jedoch reduzierend, d.h. sie geben ihre Elektronen an die Halbleiteroberfläche, die sich dabei negativ auflädt, ab und werden selbst positiv geladen. Durch die Verdrängung der elektronegativen (elektronenanziehenden) Sauerstoffmoleküle durch elektropositiven (elektronenabgebenden) Wasserstoff (im Ethanol, Methan, Wasserstoff) oder andere reduzierende Moleküle wird die Leitfähigkeit im Halbleiters erhöht. Sauerstoff in Konzentrationen der natürlichen Raumluft muss bei diesem Prozess immer anwesend sein. Falls diese Bedingung erfüllt ist, ändert sich die Leitfähigkeit nicht ganz proportional zum partiellen Gasanteil (Leitfähigkeit~ p ^0,5-1 / p= Partialdruck des reduzierenden Gases).

Die Prozesse verlaufen dabei reversibel: Bei Sensoren, die auf Gase wie Methan empfindlich reagieren, werden an den Korngrenzen des Halbleiterkristalls Sauerstoffatome aus der Luft gebunden. Diese bilden dort in Folge der Oxidation Potenzialsperren. Diese dienen als Widerstand und senken die Leitfähigkeit. Beim Einwirken von Methan entsteht eine zur Oxidation umgekehrte Reaktion, die die Potenzialsperren verstärkt abbaut. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit und der Widerstand des Gassensors kann unter 1 % des Wertes fallen im Vergleich zu jenem Wert, wenn das Gas nicht vorhanden ist.

Dieser Typ von Gassensor funktioniert auch nur dann, wenn zusätzlich immer Sauerstoff vorhanden ist - er misst ein bestimmtes Gas, welches mit einem bestimmten Sauerstoffgehalt zusätzlich vorhanden oder nicht vorhanden ist. Typische Anwendungsfälle sind die Erkennung von undichten Leitungen und in die Luft ausströmendes Erdgas. In reinen Methanatmosphären ist ein Gassensor auf Zinnoxidbasis nicht anwendbar.

Bei den Gassensoren auf Zinnoxidbasis wird zusätzlich die Sensoroberfläche auf 200-400 °C erhitzt, dies führt zu einer verkürzten Reaktionszeit und fördert die Selektivität. Durch diesen temperaturzyklischen Betrieb entsteht ein sog. virtueller Multisensor. Je nach Natur der Gase reagiert der Halbleiter in bestimmten Temperaturbereichen besonders empfindlich in Bezug auf Leitfähigkeitsänderungen . So ist die Empfindlichkeit für Ethanol und Kohlenmonoxid bei 300 °C sehr hoch, für Methangas bei 500 °C besonders hoch. Der Nachteil ist, dass der Sensor ständig geheizt werden muss und der Sensor nach dem Einschalten eine bestimmte Zeitdauer bis zum Betrieb benötigt.

Die Empfindlichkeit beim Taguchi-Sensor hängt entscheidend von der durchschnittlichen Korngröße des Zinnoxids ab und diese sollte eine Korngröße von 10 nm nicht überschreiten.

Der Nachweis von Gasen mit Taguchi-Sensoren ist auch abhängig von der Luftfeuchtigkeit. Bei ganz trockener Luft ist die Empfindlichkeit des TGS822 auf Ethanol sehr stark eingeschränkt. Die Spannungsänderung sinkt stark ab. Im Bereich 30-60 % Luftfeuchtigkeit reagiert der TGS822 auf Ethanol zwar auch auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit jedoch nur sehr marginal.

Ist nur ein Gas vorhanden, so kann die Bestimmungen der relativen Konzentration durch Eichung ermittelt werden. Bei einer Feuchtigkeit von 43 % liegt beim TGS822 die Spannungsänderung bei einer Konzentration von 13ppm Ethanol bei 650 mV, bei 26 ppm bei 900 mV, bei 36ppm bei 1100 mV, bei 65ppm bei 1350 mV.

[Bearbeiten] Vorteile der Zinnoxid-Sensoren

• preiswert
• relativ hohe Empfindlichkeit bis in den ppm-Bereich
• einfache elektronische Schaltung
• lange Lebensdauer bis zu mehreren Jahren

[Bearbeiten] Nachteile

• Messwerte gegen Luftfeuchte empfindlich - Kompensation schwierig und unzuverlässig
• geringe Selektivität
• hoher Energieverbrauch durch erforderliche Temperierung (herabgesetzt durch Miniaturisierung und Dünnschichtaufbau)

[Bearbeiten] Arten von Gassensoren

[Bearbeiten] elektrochemische Gassensoren

Diese Gassensoren beruhen unter anderem auf Konduktometrie, Potentiometrie, Amperometrie oder auch Coulometrie. Beispiele für diese Arten sind unter anderem Lambdasonde und Clark-Elektrode.

[Bearbeiten] biochemische Gassensoren

Siehe Hauptartikel Biosensor.

[Bearbeiten] IR-Gassensoren

Die Gasdetektierung beruht hier auf eine Miniaturisierung der IR-Spektroskopie.

[Bearbeiten] massensensitive Gassensoren

Änderungen der Masse der sensitiven Schicht werden hier über Akustische Oberflächenwelle-Bauelemente oder Quarzmikrowaagen bestimmt.

[Bearbeiten] thermochemische Gassensoren

Diese Art von Sensoren werden oft als Mass flow controller eingesetzt.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Lambdasonde

[Bearbeiten] Weblinks

Aufarbeitung: Elektrochemischer Alkoholsensor vs. Halbleiter Alkoholsensor

Gassensoren Ullmanns Encyklopädie

Bezugsquelle von Sensoren und Bausätzen und mit detaillierten Beschreibungen