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

Schematischer Aufbau (chem. Sensorsystem) 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) Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.2

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) Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.3

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

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

Messung durch Eintauchen der Glasmembran in Probelösung 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 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.6

Chemische Funktionsweise 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) Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.7

OFS Online Fluid Sensoric GmbH 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 Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.8

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

pH-Wert Messung mit ISFET pH-Elektrode Chemische Sensoren pH-Wert Messung mit ISFET pH-Elektrode ISFET = Ionensensitive Feldeffekttransistoren Die Gate-Elektrode besteht aus einer dünnen ph-sensitiven Schicht (Si3N4, Al2O3, Ta2O5) Soure – Drain Strom proportional zur Analytkonzentration Anwendung in industriellen Prozessen Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.10

Gasmessung mit Lambdasonde Chemische Sensoren Gasmessung mit Lambdasonde Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.11

Datenblatt Lambdasonde Chemische Sensoren Datenblatt Lambdasonde Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.12

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

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

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

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

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

Chemische Sensoren Technische Daten Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.18

Chemische Sensoren Quellen (23.Mai’07) www.uni-protokoll.de http://www.uni-protokolle.de/foren/viewt/43730,0.html Uni Paderborn http://cc.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_testpt/kap_2/s2/sensor2.html Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/PH-Wert http://de.wikipedia.org/wiki/Potentiometrie http://de.wikipedia.org/wiki/PH-Meter Kurt Schwabe Institut http://www.ksi-meinsberg.de/kompetenzen/ISFETpH.pdf Honeywell GmbH Industrial Measurement & Control (IM&C) http://www.honeywell.de/imc/phwert/infos.htm Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.19

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1.20