IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

Resistive Sauerstoffsensoren

Resistive Sauerstoffsensoren (Lambda-Sonde) mit kurzer Ansprechzeit und temperaturunabhängiger Kennlinie.

Projektbeschreibung

Zylinderselektive Regelung von Verbrennungsmotoren, On-Board-Diagnose und Life-Cycle-Emissionskontrolle erfordern den innovativen Einsatz neuester Werkstoffe für Abgassensoren.
Über die erfolgreiche Umsetzung entscheiden insbesondere die Sensorkenngrößen Sensitivität, Selektivität und die Ansprechzeit. Sie bilden die Basis für neuartige Regelungs- und Abgasnachbehandlungskonzepte.

Resistive Abgassensoren in Dickschichttechnologie stellen eine kostengünstige Basis bzgl. Sensorfertigung und Betriebselektronik für diese neue Generation von Abgassensoren dar.
Trotz vieler Vorteile wird der Einsatz resistiver Sensormaterialien in der Automobil-Abgassensorik aufgrund unzureichender Langzeitstabilität (Widerstandsdrift) und ausgeprägter Querempfindlichkeit gegenüber den starken Abgastemperaturschwankungen verhindert. Da eine schnelle Temperaturmessung im ms-Bereich nicht kostengünstig realisierbar ist, wird hier ein neuer Weg eingeschlagen. Es werden Sensormaterialien auf der Basis halbleitender Oxide entwickelt, deren elektrischer Widerstand nur vom Sauerstoffpartialdruck in der Abgasatmosphäre abhängt, nicht aber von der Temperatur.

Die hohen Anforderungen an ein derartiges Sensorkonzept bestimmen die Rahmenbedingungen des Vorhabens, das in einer internationalen Forschungsallianz von Hochschulinstituten (IWE, MIT, JSI), unterstützt und beraten durch die Robert Bosch GmbH, umgesetzt wird.

Messungen an Keramiken zeigen, dass bei dem Übergangsmetalloxid Sr(Ti0.65Fe0.35)O3 die Tempe-raturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes verschwindet, während die Sauerstoffsensitivität erhalten bleibt (Abb. 1).
Untersuchungen der zugrundeliegenden  Mechanismen dienen der Materialoptimierung im Hinblick auf eine spätere Sensoranwendung.


Abb. 1: Die elektrische Leitfähigkeit des Sensormaterials Sr(Ti0.65Fe0.35)O3 in Abhängigkeit von Sauerstoffpartialdruck und Temperatur  

Ein wesentlicher Schritt in Rich-tung Abgassensor ist dabei die Übertragung der Sensoreigenschaften auf siebgedruckte Dickschichten (Abb. 2).

Abb. 2: Testsensor auf Dickschichtbasis

Dickschichten  zeigen aufgrund ihrer kleinen Körner und der großen Porosität ein schnelles Ansprechverhalten und sind zudem kostengünstig zu fertigen. Keramische Sauerstoffsensoren auf Zirkonoxidbasis werden seit Jahren als Lambda-Sonde in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese Sonde kann die sehr großen Sauerstoffpartialdruckwechsel bei herkömmlichen Ottomotoren sicher erkennen.

Abb. 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Dickschicht. Die Schichtdicke beträgt ca. 12 μm

Ein Beispiel gibt die rasterelektronenmikroskopische  Aufnahme in Abb. 3, die sowohl die Porosität über die gesamte Schicht als auch die geringen Korngrößen illustriert.

Die günstigen Eigenschaften der dichtgesinterten Keramik lassen sich aber nicht ohne Weiteres auf poröse Dickschichten übertragen. Beispielsweise ist mit gegenseitiger Beeinflussung von Substrat und Dickschicht zu rechnen. 


Abb. 4: Prototyp eines Abgassensors auf Basis von Sr(Ti0.65Fe0.35)O3

Am IWE finden grundlegende Arbeiten an Dickschichten und Dick schichtverbundstrukturen statt. Das Spektrum reicht dabei von der  Pulverpräparation über die Siebdruckpastenherstellung bis zur Messung der Sensorkennlinien.
Neben präparationsbegleitenden Charakterisierungsmethoden wie Röntgendiffraktometrie und Ras-terelektronenmikroskopie kommen Messungen an einem Gasmischplatz zur Kennlinienbestimmung zum Einsatz. Hier können die verschiedenen  Partialdruckbereiche definiert angefahren und gleichzeitig der Wi-derstand gemessen werden (Sauerstoffpartialdruck von 10-5 bis 100 bar bei Temperaturen zwischen 600 und 1000 °C) unter dem Einfluss verschiedener Quergase wie HC, NO oder SO2.

Veröffentlichungen (Auszug 1998-2000)

  • Materials for temperature independent resistive oxygen sensors for combustion exhaust gas control
  • Resistive Sauerstoffsensoren auf der Basis von Strontium-Titanat-Ferrit zur Regelung von Verbrennungsvorgängen
  • High Temperature oxygen Sensors based on doped SrTiO3
  • Sr(Ti,Fe)O3: material for a temperature independent resistive oxygen sensor
  • Determination of the elastic properties of Sr(Ti, Fe)O3 thick-films on Al2O3-Substrate
  • Development of a resistive, temperature independent oxygen-sensor
  • High temperature oxygen sensors based on doped SrTiO3
  • Resistive Hochtemperatur-Sauerstoffsensoren auf der Basis von donatordotiertem Barium- und Strontiumtitanat
  • Temperaturunabhängiger Sauerstoff-Sensor auf der Basis von Sr(Ti,Fe)O3