Temperaturunabhängiger resistiver Sauerstoffsensor für die Regelung von Verbrennungsprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem DFG-geförderten Transferprojekt wurden resistive Sauerstoffsensoren für Verbrennungsprozesse mit Sauerstoffüberschuss auf Basis von BaFe(1−x)−0.01Al0.01TaxO3−δ (BFATx) untersucht. Aus dem Vorgängerprojekt MO 1060/22 war bekannt, dass bei einem Tantalgehalt von ca. 25 % (BFAT25) der spezifische Widerstand nahezu temperaturunabhängig ist. Darauf aufbauend wurden BFATx-basierte Sauerstoffsensoren im Hinblick auf mögliche technische Anwendungen umfassend charakterisiert und optimiert. Das Projekt zielte auf die Bewertung der Eignung von Siebdruck und Pulveraerosoldepositionsmethode (PAD) zur Herstellung der gassensitiven Schichten und ihr Einfluss auf die Sensoreigenschaften, die Untersuchung von Vergiftungsmechanismen und Langzeitstabilität sowie den Aufbau von Demonstratoren und deren Erprobung im realen Abgas. Die keramisch dichten, wenige µm-dicken PAD-Schichten zeigten eine höhere O2-Empfindlichkeit als die porösen und dickeren Siebdruckschichten bei gleichzeitig besserer Sensorkinetik und Signalstabilität. Auch Puls-Laser-Deposition erwies sich als nicht zielführend. Außerdem zeigten nur PAD-Schichten ein temperaturunabhängiges Sensorverhalten, weshalb sich der weitere Projektverlauf auf PAD-Schichten konzentrierte. Außerdem wurden hinsichtlich einer Vergiftung die Reaktion der Sensorschichten auf Schwefeldioxid (SO2) und Chlorwasserstoff (HCl) untersucht. Während HCl das Sensorverhalten kaum verändert, erhöht eine Verschwefelung den Basiswiderstand der Sensorschicht um etwa eine Dekade und beeinflusst sowohl deren Empfindlichkeit als auch deren Selektivität negativ. Mit Röntgendiffraktometrie (XRD) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde eine oberflächliche Bildung von Bariumsulfat (BaSO4) nachgewiesen. Die Eignung einer PAD-BFATx-Schicht als sauerstoffsensitives Funktionsmaterial für selbstbeheizte, gehäuste Sauerstoffsensoren wurde im Realabgas demonstriert: Zum einen konnte damit die O2-Konzentration einer Holzofenfeuerung überwacht werden. Zum anderen bewährte sich eine BFAT25-Schicht im Abgasstrang eines Dieselmotors (Prüfstand) als O2- sensitive Komponente eines kombinierten Stickoxid-Sauerstoff-Sensors (Multigassensor) und detektierte die Sauerstoffstöchiometrie während eines NEDC (New European Driving Cycle).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Impedance based NO x sensor for exhaust applications, 18th FAD-Conference, 15.16.-16.09.2021, Dresden
J. Herrmann, M. Steiner, T. Wöhrl, G. Hagen, J. Kita, R. Moos, F. Noack & D. Bleicker
-
Kombinierter Stickoxid- und Sauerstoffsensor in Planartechnik, Sensoren und Messsysteme 2022, 10.05.-11.05.2022, Nürnberg
T. Wöhrl, M. Steiner, G. Hagen, J. Kita & R. Moos
-
Resistive Multi-Gas Sensor for Simultaneously Measuring the Oxygen Stoichiometry (λ) and the NOx Concentration in Exhausts: Engine Tests under Dynamic Conditions. Sensors, 23(12), 5612.
Steiner, Carsten; Wöhrl, Thomas; Steiner, Monika; Kita, Jaroslaw; Müller, Andreas; Eisazadeh, Hessam; Moos, Ralf & Hagen, Gunter
-
Resistive, Temperature-Independent Metal Oxide Gas Sensor for Detecting the Oxygen Stoichiometry (Air-Fuel Ratio) of Lean Engine Exhaust Gases. Sensors, 23(8), 3914.
Steiner, Carsten; Püls, Simon; Bektas, Murat; Müller, Andreas; Hagen, Gunter & Moos, Ralf
-
Sulfur poisoning of powder aerosol deposited films of BaFe0.74Al0.01Ta0.25O3−: A material for resistive temperature independent oxygen sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 425, 136984.
Steiner, Carsten; Hagen, Gunter & Moos, Ralf
