Temperaturunabhängiger resistiver Sauerstoffsensor für die Regelung von Verbrennungsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450837081

Sauerstoffsensoren sind notwendig, um Verbrennungsprozesse sowohl fossiler als auch nach-wachsender Rohstoffe zu regeln, damit bei deren Verbrennung die strengen Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Benötigt werden langzeitstabile Sensoren, die den sehr rauen Abgasbedingungen standhalten. Um Verbrennungsprozesse und Abgasnachbehandlungseinrichtungen auf minimale Schadstoffemissionen zu regeln, wären kombinierte Gassensoren (auch Multi-Gassensoren genannt, z.B. CO/O2, oder NH3/O2 bei SCR-Abgasnachbehandlungssystemen) von industriellem Interesse. Multi-Gassensoren lassen sich in keramischer Planartechnik als miniaturisierte Gassensoren realisieren, indem auf das Sensorsubstrat mehrere Funktionsschichten aufgebracht werden, deren Widerstand oder Impedanz in Abhängigkeit der zu detektierenden Gase gemessen wird. Das hier beantragte Transferprojekt wird sich zwar nur mit der Umsetzung der im Vorgängerprojekt erzielten Ergebnisse zum temperaturunabhängigen resistiven Sauerstoffsensor befassen, langfristig angestrebt wird aber die Integration mehrerer Sensoren in ein einziges planares Sensorbauteil zu einem Multi-Gassensor. Durch die Kombination des Sauerstoffsensors mit einem sauerstoffquerempfindlichen Gassensor ließen sich zusätzlich noch Querempfindlichkeiten eliminieren und so die Genauigkeit der Detektion verschiedener Gase erhöhen. In diese Richtung gehen auch die Bestrebungen des industriellen Partners, der schon seit längerem an einem impedanzbasierten Stickoxidsensor in Planartechnik arbeitet. Im vorangegangenen DFG-geförderten Projekt wurde BFATx = BaFe[(1-x)-0.01]Al0.01TaxO(3-y) als Funktionsmaterial mit einer hohen Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes vom Sauerstoffgehalt bei gleichzeitiger Temperaturunabhängigkeit zwischen 700 und 800 °C untersucht. Dieses Verhalten wurde auch defektchemisch beschrieben. Gegen Projektende wurde zudem ein prinzipieller Funktionsnachweis an mittels der neuartigen Pulveraerosoldepositionsmethode (PADM) hergestellten BFATx-Schichten zur temperaturunabhängigen resistiven Sauerstoffdetektion erbracht. In diesem Transferprojekt sollen einerseits komplette Sensorbauteile als Demonstratoren aufgebaut werden und andererseits sollen für die Umsetzung wichtige Fragen der Langzeitstabilität und der Vergiftungsresistenz beantwortet werden, und zwar vergleichend für Sensoren, deren BFATx-Funktionsschichten mittels klassischer Dickschichttechnik hergestellt werden und damit porös sind, und solchen Sensoren, deren BFATx-Schichten mittels der neuartigen PADM abgeschieden werden. Dabei soll die Frage beantwortet werden, ob der im Vorgängerprojekt erarbeitete Sauerstoffsensor auf Basis einer BFATx-Funktionsschicht geeignet ist, um Verbrennungsprozesse zu regeln. Gleichzeitig werden mit diesen Fragestellungen aber auch grundlegend interessante Themen der Langzeitstabilität und Vergiftung gassensitiver Schichten bearbeitet, deren Erkenntnisse sich auf das Verständnis von Gassensoren im Allgemeinen auswirken können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: CPK Automotive GmbH & Co. KG