DE2044851C - Gasfühler und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasfühler, enthaltend ein gasempfindliches Element, bestehend aus einem Metalloxidhalbleitermaterial, dessen elektrische Leitfähigkeit sich bei Adsorption von Gasen ändert und mindestens zwei mit dem Element verbundenen Elektroden. Ferner betrifft die Erfindung eki Vt/fahren zum Herstellen eines solchen Gasfühlers.

Der vorliegende Gasfühler ist insbesondere zum Nachweis von Wasserstoff, Propan, Butan sowie zum Nachweis von Rauch geeignet. .

Es sind Gasfühler der obengenannten Art bekannt, deren gasadsorbierender Halbleiterkörper durch Sintern eines Metalloxidhalbleitermaterials, das vorher in die gewünschte Form gebracht worden ist, hergestellt wurde. Das Sintern des Metalloxidhalbleitermaterials nach Formgebung soil dabei die mechanische Festigkeit erhöhen. Beim Sintern des vorgeformten Metalloxidhalbleitcrmaterials schmilzt dieses jedoch teilweise, wodurch die Luftdurchlässigkeit und die gasadsorbierende Oberfläche beträchtlich verringert werden. Dies hat wiederum eine unerwünschte Herabsetzung der Empfindlichkeit für die Wahrnehmung von Gas und Rauch zur Folge.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Gasfühler mit einem Metalloxidhalbleiter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gasfühlers zu schaffen, der genügend gasdurchlässig ist, um Gase ein- und durchtreten zu lassen, und der eine hohe Empfindlichkeit für das aufzuspürende Gas sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.

Bei dem Gasfühler gemäß Erfindung enthält nun das gasempfindliche Element Teilchen einer anorganischen Substanz mit einer Teilchengroße die großer als die der Teilchen des Halbleitermaterials ist.

An getrennten Stellen des Halbleiterblockes sind mindestens zwei Elektroden angebracht, die den Halbleiterblock elektrisch kontaktieren.

Bei dem Verfahren zum Herstellen des Gasfuhlers, wobei ein pulverförmiges Metalloxidhalbleitermaterial das seine elektrische Leitfähigkeit bei Adsorption von Gasen verändert, zur Herstellung des gasempfindlichen Elementes der Vorrichtung preßverforml wird, geht man erfindungsgemäß so vor, daß man Teilchen aus anorganischer Substanz mit einer Teilchengröße, die ürößer als die der Teilchen des Halbleitermaterials ist, mit dem Material vor der Preßverformung mischt.

Nach einer bevorzugten Auslührungsform des Gasfuhlers bzw. gemäß einem bevorzugten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die anorganische Substanz Aluminiumoxid und/oder Quarz.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt eines ersten Ausfuhrungsbeispieles des Gasfühlers,

Fig. 2 eine 5eitenansicht eines zweiten Ausfüh rungsbeispieles des Gasfühlers,

F i g. 3 einen Schnitt in einer Ebene 3-3 der F i g. 2,

F i g. 4 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispieles des Gasfühlers,

F i g. 5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der F i g. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispieies des Gasfühlers,

F i g. 7 einen Schnitt in einer Ebene 7-7 der F i g. 6.

Fig. 8 eine Seitenansicht eines fünften Ausführungsbeispieles des Gasfuhlers,

F i g. 9 einen Schnitt in einer Ebene 9-9 der F i g. 8 und

Fig. 10 ein Schaltbild einer Überwachungs- und Alarmeinrichtung, die einen Gasfühler enthält.

Der in Fig. 1 dargestellte Gasfühler enthält ein zylindrisches Metallgehäuse 2, das als die eine Elektrode des Gasfuhlers dient und einen gepreßten Block enthält, der aus Metalloxidhalbleitermaterial 4 sowie in diesem dispergierten Quarzteilchen 6 besteht. Das Metalloxidhalbleitermaterial 4 kann entweder ein sogenannter Reduktionshalbleiter, wie SnO₂, ZnO, Fc₁O₃ oder TiO₂ sein, dt ssen elektrische Leitfähigkeit bei" Adsorption "von reduzierenden Gasen der obenerwähnten Art erhöht, oder ein sogenannter Oxydationshalbleiter, wie NiO, CoO oder Cr₂O₃, dessen Leitfälligkeit durch ein reduzierendes Gas verringert wird. Die im Halbleiter dispergierten Teilchen 6 können anstatt aus Quarz auch aus Aluminiumoxid oder einer anderen geeigneten anorganischen Substanz bestehen. Die Teilchen 6 sind gröber als der pulverförmige Metalloxidhalbleiter 4, und außerdem haben sie vorzugsweise eine rauhe Qberfläche, Die beiden Enden des Gehäuses 2 sind .durch Deckel 8 und 10 verschlossen, die aus einem gasdurchlässigen Material bestehen. In dem' Block aus dem Halbleitermaterial 4 und den dispergierten Teilchen 6 ist ein Heizelement 12 eingebettet, das aus einem Widerstandsdraht besteht, der auf einen Isolator gewickelt ist und dessen Enden 1.4 durch den durchlässigen Deckel 10 herausgeführt sind. Das Heizelement 12 dient gleichzeitig als die andere Elektrode des Gasfuhlers.

Wenn es sich bei dem halbleitenden Metalloxid um einen Halbleiter vom Reduktionstyp handelt, kann

der Gasfühler in einer Schaltung der in Fig. 10 dargestellten Art betrieben werden. Diese Schaltung enthält einen Netztransformator 18 mit einer Sekundärwicklung, die drei Anschlüsse aufweist, von denen die Anschlüsse 20 und 22 mit den herausgeführten Enden 14 des Heizelementes verbunden sind, während die dritte Klemme 24 über einen Summer 26 an einen mit dem Gehäuse 2 des Gasfühlers 1 verbundenen Anschlußdraht 16 angeschlossen ist. Wenn die Primärwicklung des Netztransformators 18 an eine Wechselspannungsquelle, z. B. das Wechselstromnetz, angeschlossen ist, fließt ein Strom durch das Heizelement 12, und dieses erwärmt das Metalloxidhalbleitermaterial 4 auf z. B. 100 bis 200° C. Diese Erwärmung hat den Zweck, den Arbeitswiderstand des Gasfühlers zu stabilisieren und die bei der Adsorption von Gasen auftretende Widerstandsänderung zu vergrößern.

Wenn die Umgebung des Gasfühlers 1 keine reduzierenden Gase enthält, fließt nur ein kleiner Strom durch den Summer 26, und es .vird dementsprechend auch kein Alarm gegeben, da das Metalloxidhalbleitermaterial 4 einen hohen Widerstand hat. Wenn jedoch der Gasfühler 1 einem reduzierenden G^-As ausgesetzt wird, nimmt der Widerstand des Metalloxidhalbleiters 4 ab, und der den Summer 26 durchfließende Strom steigt dann auf einen solchen Wert an, daß der Summer anspricht und Alarm gegeben wird.

Wenn das Metalloxidhalbleitermatenal 4 dem Oxydationstyp angehört, nimmt sein Widerstand bei Einwirkung eines reduzierenden Gases zu. In diesem Fall kann dann ein Relais mit einem Ruhekontakt, der bei kleinem Relaisstrom geschlossen ist, zwischen die Klemme 24 des Transformators 18 und dem An-Schlußleiter 16 des Gasfühlers 1 geschaltet werden und der Summer 26 mit dem Arbeitskontakt des Re-',ais und einer geeigneten Stromquelle verbunden sein. Das Metalloxidhalbleitermaterial nimmt unabhängig von seinem Typ beim Verschwinden des die Wider-Standsänderung bewirkenden Gases wieder seinen ursprünglichen Widerstandswert an.

Da bei dem vorliegenden Gasfühler im Metalloxidhalbleitermaterial 4 Teilchen 6 mit einer rauhen Oberfläche dispergiert sind, ist die effektive Oberfläche des Halbleitermaterials, die Gase ab- oder adsorbieren kann, wesentlich größer als bei vergleichbaren bekannten Gasfühlern, und der vorliegende Gasfühler zeichnet sich daher durch eine besonders hohe Gasempfindlichkeit aus. 5u

Das, in den F i g. 2 und 3 dargestellte zwe^:te Ausführuiigsbeispiel des Gasfühlers enthält einen Basisoder Trägerkörper 30, der z. B. aus Keramik bestehen kann und an seinen Enden Elektroden 32 und 34 trägt. Die ganze Oberfläche des Trägerkörpers 30 und ein Teil der Elektroden 32 und 34 sind mit einer porösen Metalloxidhalbleiterschicht 36 überzogen.

Mit den Elektroden 32 und 34 sind Anschlußleiter 42 bzw. 44 verbunden.

Bei dem Gasfühler gemäß dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel tritt bei Absorption von Gas oder Rauch zwischen den Elektroden 32 und 34 eine sehr große Widerstandsänderung auf, und die Empfindlichkeit für das aufzuspürende Gas ist dementsprechend groß, da die Metalloxidhalbleiterschicht 36 sehr porös ist und eine sehr große effektive absorptionsfähige Oberfläche aufweist. Die Metalloxidhalbleiterschicht 36 hat trotzdem eine ausreichend.· mechanische Festigkeit, da sie auf dem Trägerkörptr 30 gebildet ist. In Fig. 2 und 3 ist zwar kein Heizelement zum Erwärmen der Halbleiterschicht 36 dar gestellt, gewünschtenfalls kann selbstverständlich cm solches Heizelement an der Halbleiterschicht oder h, Trägerkörper vorgesehen sein.

Das in Fig. 4 und 5 dargestellte dritte Ausfir, rungsbeispiel des Gasfühlers enthält ein Metallgehalt; 50, in dem sich ein b:ock 56 aus einem halbleitend. _: Metalloxid befindet. Das Metallgehäuse 50 gewä'v leistet die erforderliche mechanische Festigkeit. Au. I₁ bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine nicht d;r gestellte Heizung zur Erwärmung des Halbleil·.· blockes 56 vorgesehen sein.

Das in Fig. 6 und 7 dargestellte vierte AusftΛ rungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel ;. maß Fig. 4 und 5 mi* der Ausnahme, daß die ei·-. der Elektroden 52 oder 54 des dritten Ausführum:'-beispiels fehlt und das Metallgehäuse als Elektn.■'.. verwendet wird. Das Gehäuse 60 bildet bei dem Al. führungsbeispiel gemäß F i g. 6 und 7 also auch c eine Elektrode, und in den geformten Metalloxid halbleiterblock 64 ist nur eine weitere Elektrode f-2 eingebettet.

Das in Fig. 8 und 9 dargestellte fünfte Ausfiii, rungsbeispiel des vorliegende!; Gasfühlers enthai. einen durch Pressen geformten Metalloxidhalbleiteiblock 74, der in ein zylindrisches Gehäuse eingc klemmt ist, welches aus zwei halbzylinderförmigcn Metallelektroden 66 und 68 sowie Isolatoren 70 und 72, die die Elektroden voneinander isolieren, besteht.

Die beiden letzterwähnten Ausführängsbeispiele entsprechen in Arbeitsweise und Wirkung im wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel.

Selbstverständlich lassen sich die oben beispielsweise beschriebenen Ausführungsbeispiele in der verschiedensten Weise abwandeln. So kann z. B. die Elektrode 62 des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 6 und 7 durch einen einzigen, durcngehenden Heizdraht ersetzt werden, der auch die Funktion der Elektrode 62 übernimmt. An Stelle eines zylindrischen Gehäuses kann auch ein becherförmiges Gehäuse verwendet werden. In allen Fällen wird die Alarmgabe durch die bei Einwirkung eines aktiven Gases auftretende Widerstandsänderung des Metalloxidhalbleitermateriais bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   J. Gasfühler, enthaltend ein gasempfindliches Element, bestehend aus einem Metalloxidhalbleitermaterial, dessen elektrische Leitfähigkeit sich bei Adsorption von Gasen ändert, und mindestens zwei mit dem Element verbundenen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das gasempfindliche Element Teilchen einer anorganischen Substanz mit einer Teilchengröße, die größer als die der Teilchen des Halbleitormaterials ist, enthält.
2. 2. Gasfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Substanz Aluminiumoxid und/oder Quarz ist.
3. 3. Verfahren zur Herstellung eines Gasfühlers, wobti ein pulverförmiges Metalloxidhalbleitermaterial, das seine elektrische Leitfähigkeit bei Adsorption von Gasen verändert, zur Herstellung ao des gasempfindlichen Elementes der Vorrichtung preßv'vfformt wird, dadurch gekennzeichnev, daß man Teilchen aus anorganischer Substanz mit einer Teilchengröße, die größer als die der Teilchen des Halbleitermaterials ist, mit dem Material vor der Preßverformung mischt.
4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Gasfühlers nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Substanz Aluminiumoxid und/ oder Quarz ist.