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Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.1Fahrenholz/Jung Herzlich Willkommen! Stud. Ing. Martin Jung Stud. Ing. Jörg Fahrenholz Fachbereich Elektrotechnik.

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1 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.1Fahrenholz/Jung Herzlich Willkommen! Stud. Ing. Martin Jung Stud. Ing. Jörg Fahrenholz Fachbereich Elektrotechnik Automatisierungstechnik Einführung in die Thematik der chemischen Sensoren

2 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.2Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Chemischer Sensor: Ein chemischer Sensor ist eine Meßeinrichtung, die einen chemischen Zustand (Parameter) erfasst und in ein vorzugsweise elektrisches Signal umwandelt. Schematischer Aufbau (chem. Sensorsystem)

3 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.3Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren pH-Wert Messung mit Glaselektrode Was ist der pH-Wert? Der pH-Wert ist ein Maß für die Stärke der sauren bzw. basischen Wirkung einer wässrigen Lösung. Was ist die Wirkung von Säuren/Basen in wässrigen Lösungen? Säuren geben Wasserstoff-Ionen ab. Basen binden diese. (Ionisierung/Dissoziation)

4 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.4Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Potentiometrie Potentialmessung zwischen Mess- und Bezugselektrode EMK = | E1 E2 |

5 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.5Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Galvanische Zelle Halbzellenpotential nach Nernst-Gleichung

6 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.6Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Glaselektrode Ionenaustauchende Glasmembran aus Spezialglas (Zusammensetzung ca. 72% SiO2, 22% Na2OH und 6 % CaO) In Glasmembran – gepufferte KCL- Lösung (pH-Neutral) Messung durch Eintauchen der Glasmembran in Probelösung

7 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.7Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Chemische Funktionsweise Beispiel mit Säure (pH < 7) Ersetzen der Na+-Ionen durch H+ an Außenseite Aufquellen der Membran Außenseite H+-Anteil > Innenseite H+-Anteil Elektrochemisches Potential (Stromfluss (pico-Ampere)

8 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.8Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Signalerfassung Widerstand Glasmembran ca. 10^10 Ohm Einsatz von Elektronischem Messverstärker mit sehr großem Eingangswiderstand (>10^13 Ohm) Datenblatt OFS Online Fluid Sensoric GmbH

9 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.9Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Anwendung in der Praxis: pH-Meter Bestimmung des pH- Wertes ohne Säure- Base-Indikatoren wird ermöglicht Anwendung unter Laborbedingungen

10 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.10Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren pH-Wert Messung mit ISFET pH-Elektrode ISFET = Ionensensitive Feldeffekttransistoren Die Gate-Elektrode besteht aus einer dünnen ph-sensitiven Schicht (Si 3 N 4, Al 2 O 3, Ta 2 O 5 ) Anwendung in industriellen Prozessen Soure – Drain Strom proportional zur Analytkonzentration

11 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.11Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Gasmessung mit Lambdasonde

12 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.12Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Datenblatt Lambdasonde

13 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.13Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Gassensor/Aufbau Detektorschicht meist n-leitend Metalldotiert (Zinn-/Titandioxid, Zinkoxid) Ausführung des Sensors: Halbleitertechnik

14 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.14Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Chemische Funktionsweise Gasmoleküle bewirken chemische Reaktion auf Halbleitermaterial Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit (Widerstandsänderung)

15 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.15Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Chemische Funktionsweise Oxidation der Halbleitermetallschicht Sobald Kontakt mit oxidationsfähigem Gas Oxidation des Gases Reduktion des Metalloxids

16 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.16Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Leitfähigkeit/Empfindlichkeit des Sensors (Abh. Gas) Beispiel: FIGARO TGS822 Abnahme des Widerstandes in Abhängigkeit des zu messenden Gases

17 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.17Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Leitfähigkeit/Empfindlichkeit des Sensors (Abh. Temp. und Hyg.) Beispiel: FIGARO TGS822 Abnahme des Widerstandes in Abhängigkeit der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit

18 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.18Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Technische Daten

19 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.19Fahrenholz/Jung Chemische Sensoren Quellen (23.Mai07) Uni Paderborn Wikipedia Kurt Schwabe Institut Honeywell GmbH Industrial Measurement & Control (IM&C)

20 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.20Fahrenholz/Jung Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!


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