Wie funktionieren Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren?

Patrick Niedenführ
Patrick Niedenführ, Oktober 2017

Wir erklären den physikalischen Hintergrund, das Funktionsprinzip und den Aufbau der nicht verbrauchenden Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren.

Physikalischer Hintergrund

Nernst-Spannung

Liegt an den Grenzflächen eines Elektrolyts eine Ionenart in unterschiedlicher Konzentration vor, entsteht eine Potentialdifferenz, welche Nernst-Spannung genannt wird. Dabei ist die Spannung umso größer, je größer der Unterschied im Konzentrationsverhältnis ist.

Zirkoniumdioxid

Bei einer Temperatur von 650 °C treten in Zirkoniumdioxid zwei Mechanismen auf:

  1. ZrO2 sondert Sauerstoffionen ab und wird zu einem Festkörperelektrolyt für Sauerstoff. Durch Anlegen einer Stromquelle kann umgebender Sauerstoff durch das ZrO2 transportiert werden.
  2. ZrO2 verhält sich wie ein Elektrolyt. Liegt an den Grenzflächen des ZrO2-Elements eine Sauerstoffdruckdifferenz vor, kann eine Nernst-Spannung gemessen werden.

Sensoraufbau und Prinzip

Sensoraufbau

First Sensors Sauerstoffsensoren der XYA-Serie bestehen aus zwei Zirkoniumdioxid (ZrO2)-Platten, die auf der Vorder- und Rückseite mit durchlässigen Platinfilmen beschichtet sind, die als Elektroden dienen. Die beiden Platten schließen einen Platinring ein und bilden so eine hermetisch abgeschlossene Kammer. An den Außenflächen der ZrO2-Platten befindet sich je ein weiterer Platinring, der einen elektrischen Kontakt herstellt. Dadurch kann an der vorderen Platte ein entsprechender Pumpstrom eingespeist und an der hinteren Platte eine Messspannung abgegriffen werden. Zwei Scheiben aus Aluminiumoxid dienen als äußerer Partikelfilter und beseitigen außerdem unverbrannte Gase.

XYA_Sensoraufbau.jpg

Pumpelement

Mit der angeschlossenen umkehrbaren Stromquelle wird das Sauerstoffvolumen in der mittleren Kammer (p2) reguliert. Die Sauerstoffionen wandern je nach Polarität der angelegten Spannung von einer Elektrode zur anderen und verändern somit die Konzentration und damit den Druck p2 in der Kammer. Diese wird solange evakuiert bzw. gefüllt, bis die Messspannung VS (Nernst-Spannung) einen bestimmten Referenzwert erreicht.

Messelement

Die Nernst-Spannung wird an den Platin-Elektroden der hinteren ZrO2-Platte abgegriffen und mit zwei Referenzspannungen verglichen. Erreicht die Spannung einen dieser Werte, wird die Richtung des Pumpstroms umgekehrt und somit die andere Grenzspannung angefahren.

Lesen Sie jetzt unseren ausführlichen Anwendungshinweis „Funktionsprinzip und Aufbau von XYA-Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren“ und …

1. … verstehen Sie den physikalischen Hintergrund, das Funktionsprinzip und den Aufbau der Zirkoniumdioxid-Festkörpertechnologie.
2. … erhalten Sie praktische Hinweise für die Umsetzung einer Messung.
3. … erfahren Sie mehr über den Aufbau einer eigenen Auswerteelektronik.

Application Note: Funktionsprinzip und Aufbau Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren

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