Elektrochemische und MOX-Sensoren zur Gasmessung verstehen
Sensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Erkennung und Überwachung verschiedener Gase in Industrie-, Umwelt- und Verbraucheranwendungen.
Zwei weit verbreitete Technologien sind elektrochemische und Metall-Oxid-Halbleiter (MOX)-Sensoren. Sie bieten spezifische Eigenschaften, die für unterschiedliche Anforderungen geeignet sind.
Was sind elektrochemische Sensoren?
Elektrochemische Sensoren funktionieren, indem sie durch eine chemische Reaktion zwischen dem Zielgas und einem bestimmten Elektrolyten elektrischen Strom erzeugen. Der erzeugte Strom ist proportional zur Gaskonzentration und ermöglicht eine präzise Erkennung.
Abb. 1: Schematische Darstellung eines elektrochemischen Gassensors
Etabliert für folgende Gase:
- Kohlenmonoxid (CO)
- Schwefelwasserstoff (H₂S)
- Stickstoffdioxid (NO₂)
- Schwefeldioxid (SO₂).
Wesentliche Merkmale:
- Hohe Empfindlichkeit und Selektivität
- Geringer Stromverbrauch, ideal für tragbare und batteriebetriebene Geräte
- Mäßige Antwortzeiten von einigen Sekunden bis zu einer Minute
Schema eines elektrochemischen Gassensors
Das nachfolgende Diagramm veranschaulicht die wichtigsten Komponenten und die Funktionsweise eines elektrochemischen Gassensors. Gase wie Stickstoffmonoxid (NO) passieren die Gasmembran und lösen an der Arbeitselektrode eine Reaktion aus. Der Elektrolyt (der H⁺- und SO₄²-Ionen enthält) erleichtert die elektrochemische Reaktion, während die Referenz- und die Gegenelektrode eine genaue Messung gewährleisten. Der Potentiostat misst den resultierenden Strom, der proportional zur Gaskonzentration ist.
Abb. 2: Komponenten und die Funktionsweise eines elektrochemischen Gassensors
Was sind MOX-Sensoren?
MOX steht für Metalloxid-Halbleitersensoren, diese erkennen Gase durch Widerstandsänderungen in einem Metalloxidmaterial. Die Gase reagieren mit dem an der Sensoroberfläche adsorbierten Sauerstoff und verändern so den elektrischen Widerstand des Sensors.
- Häufig erkannte Gase: Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃), flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Kohlenmonoxid (CO).
- Wesentliche Merkmale:
- Schnelle Reaktionszeiten für die Überwachung in Echtzeit.
- Langlebig mit einer typischen Lebensdauer von 5-10 Jahren.
- Sie sind erschwinglich und daher ideal für Unterhaltungselektronik.
Abb. 3: MOX-Sensor im konventionellen Modus und im Oberflächenionisationsmodus
Dieses Diagramm vergleicht zwei Betriebsmodi von MOX-Sensoren. Im Widerstandsmodus (RES) erfasst der Sensor Widerstandsänderungen in der Sensorschicht, während er im Oberflächenionisierungsmodus (SI) den durch Gaswechselwirkungen erzeugten Ionenstrom misst.
Vergleichender Überblick
Abbildungsnachweis
Abb. 1: Video "How do electrochemical-type sensors detect gas?" von Figaro Engineering
Abb. 2: Reproduziert aus Smith et al., 'Development of a baseline-temperature correction methodology for
electrochemical sensors and its implications for long-term stability', Sensors and Actuators B: Chemical, Band 237, 2017, Seiten 1161-1170, DOI: doi.org/10.1016/j.snb.2016.08.151, lizenziert unter Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
Abb. 3: Reproduziert aus Gerhard Müller et al. 'Sensitivity-Selectivity Trade-Offs in Surface Ionization Gas Detection', Nanomaterials, 2018, 8(12), 1017, DOI: doi.org/10.3390/nano8121017. Lizenziert unter Creative Commons Attribution (CC BY).
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