VersendenDrucken

Sensoren

REM Aufnahme eines Querschliffs der Sensorelektroden (SE) Region. (Die Schichten von oben nach unten sind Pt-Kollektor, NiCr2O4 und FYSZ

Unter der Vielzahl von unterschiedlichen Typen und Funktionsweisen von Sensoren, sind Festkörpergassensoren die geeignetesten für die Abgas Überwachung in mobilen Systemen. Ihr bekanntester Vertreter ist die Lambda-Sonde. Sie misst den Sauerstoffgehalt eines Gasgemisches gegenüber einem Referenzgas. Dabei kommt ein potentiometrisches Messprinzip zum tragen. Potentiometrische Sensoren sind üblicherweise so aufgebaut, dass sich jeweils eine Platinelektrode im Abgas und im Referenzgas befindet. Da zwischen befindet sich ein Ionen leitender Festkörperelektrolyt. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Yttrium teilstabilisiertes Zirkonoxid (PYSZ), welches Sauerstoffionen leitend ist. Da an den Elektroden ein unterschiedlicher Sauerstoff Partialdruck herrscht, bildet sich zwischen den beiden Elektroden ein elektrochemisches Potential aus. Diese Spannung kann gemessen werde und daraus der Sauerstoffpartialdruck der Abgasseite bestimmt werden. Diese erfolgt über die Nernst Gleichung und erfordert die Kenntnis des Referenz-Sauerstoff Partialdrucks.
Dieses Prinzip kann man umkehren, in dem man eine bestimmte Spannung zwischen die Elektroden legt und dann in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck den Stromfluss misst.
Will man allerdings selektiv ein anderes Gas als Sauerstoff messen, muss man ein geeignetes Elektroden- bzw. Sensormaterial verwenden. Dies stellt besonderst bei sauerstoffhaltigen Gasen, wie Stickoxiden, eine Herausforderung dar. Einen Ausweg stellt die Verwendung von mehreren unterschiedlichen Sensormaterialen in einem Sensor-Array dar.

Für die Integration eines Sensors in den Katalysator ist es evtl. notwendig den konventionellen PYSZ Elektrolyten durch robustere und evtl. besser geeignete zu ersetzen. Daher wird am Institut auch an alternativen Elektrolyt- Materialien und –Konzepten geforscht. Dabei sollte die Mikrostruktur sowie die Chemie des Elektrolyten die Sensoreigenschaften verbessern.

Ein neuer, viel versprechender Ansatz sind Impedanz-Sensoren. Hier wird der Wechselstromwiderstand des Sensors, bei verschieden Frequenzen, in Abhängigkeit von der Gasumgebung bestimmt. Neuere Untersuchungen zeigen, dass hiermit verlässliche die gesamte NOx Menge bestimmt werden kann. Das Institut entwickelt daher auch solche NOx-Sensoren. Die Selektivität dieser (wie auch anderer) Sensoren kann durch den gezielten Einsatz von Sensorelementen gesteigert werden. Die besten Kandidaten dafür sind binär Verbindungen, basierend auf Co, Ni, Pd und Zn, welche mittels Magnetron Sputtern hergestellt werden.