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Messung der Gaskonzentration

Halbleiter-Gassensoren

Halbleiter-Gassensoren zur Gasdetektion bestehen nicht aus Silizium oder Germanium, sondern aus N- oder P-leitenden Metalloxiden (z.B. Zinkoxid, Zinnoxid, Kupferoxid). Der Messeffekt beruht auf der Anlagerung von bestimmten Gasatomen an der Oberfläche des Halbleitermaterials, wodurch eine elektrische Widerstandsänderung hervorgerufen wird. Das Problem bei diesen Sensoren ist die Selektivität, da es sehr schwierig ist, die nicht zu detektierenden Gase davon abzuhalten, sich ebenfalls an die Detektoroberfläche anzulagern. Durch Auftragen von Spezialschichten, die nur eine bestimmte Gassorte adsorbieren, lässt sich die Selektivität erhöhen. Damit bei diesen Halbleitermaterialien eine Eigenleitfähigkeit eintritt, müssen die Sensoren auf Temperaturen zwischen 120-600 °C aufgeheizt werden.

Der genaue Messeffekt dieser Sensoren soll am Beispiel eines Zinnoxid-Gassensors erklärt werden:

Befindet sich ein solcher Sensor in der Umgebungsluft, so lagern sich Sauerstoff-Atome an die Sensoroberfläche an. Hierbei werden vom Sensormaterial Elektronen an die Sauerstoff-Atome abgegeben, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Nähern sich dem Sensor jetzt reduzierende Gase, so werden diese vom adsorbierten Sauerstoff oxidiert. Die an den Sauerstoff abgegebenen Elektronen gelangen hierbei wieder zum Metalloxid zurück und erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Materials proportional zur Gaskonzentration. Ein solcher Sensor der Firma Figaro wird in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abb.1
Halbleiter-Gassensor im Metallgehäuse

Nach diesem Prinzip funktionieren auch die MOSFET-Sensoren, die ebenfalls häufig zur Gasmessung eingesetzt werden.

Abb.2
Aufbau eines MOSFET-Gassensors
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