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"Verfahren zur Herstellung eines Gas fühlers Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gasfühlers, wobei ein pulverförmiges
Metalloxidhalbleitermaterial, das seine elektrische Leitfähigkeit bei Adsorption
von Gasen verändert, zur Herstellung des gas empfindlichen Elementes der Vorrichtung
preßverSormt wird.
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Der erfindungsgemäß hergestellte Gas fühler ist insbesondere zum Nachweis
von Wasserstoff, Propan, Butan, sowie zum Nachweis von Rauch geeignet.
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Es sind Verfahren zur Herstellung von Gas fühlern der oben genannten
Art bekannt, deren gasabsorbierender Halbleiterkörper durch Sintern eines Metalloxidhalbleitermaterials,
das vorher in die gewünschte Form gebracht worden ist, hergestellt wurde. Das Sintern
des Metalloxidhalbleitermaterials nach der Formgebung soll dabei die mechanische
Festigkeit
erhöhen. Beim Sintern des vorgeformten Metalloxidhalbleitermaterials
schmilzt dieses jedoch teilweise, wodurch die Luftdurchlässigkeit und die gasabsorbierende
Oberfläche beträchtlich verringert werden. Dies hat wiederum eine unerwünschte Herabsetzung
der Empfindlichkeit für die Wahrnehmung von Gas und Rauch zur -Folge.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Herstellung eines Gasfühlers mit einem Metalloxidhalbleiter anzugeben,
der genügend luftdurchlässig'ist, um Gas ein- und durchtreten zu lassen, und der
eine hohe Empfindlichkeit für das auRzuspürende Gas sowie eine ausreichende mechanische
Festigkeit aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gasfühlers mit
den oben geschilderten Eigenschaften besteht nun darin, daß man ein zweites Material,
das durch Verdampfen, Sublimieren oder Verbrennen beim Erhitzen auf eine Temperatur
unterhalb der Sintertemperatur des pulverförmigen Materials beseitigt werden kann,
mit dem pulverförmigen Material vor dem Preßverformen mischt und das preßverformte
Material anschließend auf die zur Beseitigung des zweiten Materials erforderliche
Temperatur bringt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zweite
Material Stärke, Stearinsäure, Wachs, Zucker, Polyvinylalkohol und/oder Acrylharz.
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Anschließend werden mindestens zwei getrennte Stellen des Preßlings
oder Blockes mit jeweils einer Elektrode elektrisch kontaktiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der
Zeichnungen näher erläutert; es zeigen: Fig.i einen Vertikalschnitt eines ersten
Ausführungsbeispieles des Gaskühlers gemäß Erfindung; Fig.2 eine Seitenansicht eines
zweiten Ausführungsbeispieles des Gas fühlers gemäß Erfindung; Fig.3 einen Schnitt
in einer Ebene 3-3 der Fig.2; Fig.4 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispieles
des Gas fühlers gemäß Erfindung; Fig.5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der Fig.4;
Fig.6 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispieles des Gasfühlers gemäß
Erfindung; Fig.7 einen Schnitt in einer Ebene 7-7 der Fig.6; Fig.8 eine Seitenansicht
eines fünften Ausführungsbeispieles des Gas fühlers gemäß Erfindung; Fig.9 einen
Schnitt in einer Ebene 9-9 der Fig.8, und Fig. 10 ein Schaltbild einer Uberwachungs-
und Alarmeinrichtung,
die einen Gasfühler gemäß Erfindung enthält.
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Der in Fig.l dargestellte Gasfühler enthält ein zyllndrisches Metallgehäuse
2, das als die eine Elektrode des Gasfühlers dient und einen gepreßten Block enthält,
der aus Metalloxidhalbieitermaterial 4 sowie in diesem befindlichen Leerstellen
6 besteht. Das Metalloxidhalbleitermaterial 4 kann entweder ein sogenannter Reduktionshalbleiter,
wie SnO2, ZnO, Fe203 oder TiO2 sein, dessen elektrische Leitfähigkeit bei Adsorption
von reduzierenden Gasen der oben erwähnten Art erhöht, oder ein sogenannter Oxydationshalbleiter,
wie NiO, CoO oder Cr203, dessen Leitfähigkeit durch ein reduzierendes Gas verringert
wird. Die beiden Enden des Gehäuses ? sind durch Deckel 8 und 10 verschlossen, die
aus einem gasdurchlässigen Material bestehen. In den Block aus dem Halbleitermaterial
4 und den Leerstellen 6 ist ein Heizelement 12 eingebettet, das aus einem Widerstandsdraht
besteht, der auf einen Isolator gewickelt ist und dessen Enden 14 durch den durchlässigen
Deckel 10 herausgeführt sind. Das Heizelement 12 dient gleichzeitig als die eine
Elektrode des Gasfühlers.
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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.
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Diese Schaltung enthält einen Netztransformator 18 mit einer
Sekundärwicklung,
die drei Anschlüsse aufweist, von denen die Anschlüsse 20 und 22 mit den herausgefUhrten
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 2000C, Diese Erwärmung hat den Zweck, den Arbeitswiderstand des
Gasfühlers zu stabilisieren und die bei der. Adsorption von Gasen auftretende Widerstandsänderung
zu vergrößern.
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Wenn die Umgebung des Gas fühlers 1 keine reduzierenden Gase enthält,
fließt nur ein kleiner Strom durch den Summer 26 und es wird dementsprechend auch
kein Alarm gegeben, da das Metalloxidhalbleitermaterial 4 einen hohen Widerstand
hat.
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Wenn jedoch der Gasfühler 1 einem reduzierenden Gas 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.
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Wenn das Metalloxidhalbleitermaterial 4 dem Oxydationstyp
angehört,
nimmt sein Widerstand bei der Einwirkung eines reduzierenden Gases zu. In diesem
Fall kann dann ein Relais mit einem Ruhekontakt, der bei kleinem Relais strom geschlossen
ist, zwischen die Klemme 24 des Transformators 18 und den Anschlußleiter 16 des
Gasfühlers 1 geschaltet werden und der Summer 26 mit dem Arbeitskontakt des Relais
und eine geeigneten Stromquelle verbunden sein. Das Metalloxidhalbleitermaterial
nimmt unabhängig von seinem Typ beim Verschwinden des die Widerstandsänderung bewirkenden
Gases wieder seinen ursprünglichen Widerstandswert an.
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Da bei dem vorliegenden Gasfühler im Metalloxidhalbleiter--material
-4 Leerstellen 6 dispergiert sind, ist die effektive Oberfläche des Halbleitermaterials,
die Gase ab- oder adsorbieren kann, wesentlich größer als bei vergleichbaren bekannten
Gas fühlern und der vorliegende Gas fühler zeichnet sich daher durch besonders hohe
Gasempfindlichkeit aus.
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Zur Herstellung eines solchen Gasfühlers setzt man'dem Metalloxidhalbleiterpulver
beispielsweise entfernbare Teilchen, wie Stärketeilchen, z. B. Mehl, gebrochenen
Reis oder Veilchenstärke (dog-tooth violet starch) zu, bringt-die Mischung durch
Pressen in die gewünschte Form und erhitzt den Preßling auf eine so hohe Temperatur,
daßdie Stärketeilchen völlig verbrennen oder sich verflüchtigen, der
Metalloxidhalbleiter
jedoch noch nicht sintert. Auf diese Weise werden in dem Metalloxidhalbleiterblock
eine Anzahl von Poren oder Leerstellen gebildet, durch die die wirksame absorptionsfähige
Oberfläche des Halbleiterkörpers und damit die Gasempfindlichkeit erhöht werden.
-Darin Fig.2 und Fig.3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des Gas fühlers gemäß
Erfindung enthält einen Basis-oder 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 Anschlußleiter42 bzw. 44 verbunden.
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Die Herstellung der porösen Metalloxidhalbleiterschicht 36 soll nun
für den Fall erläutert werden, daß das halbleitende Metalloxid SnO2 ist. Zu einem
Gramm SnC12 werden 8 Grarm Stearinsäure als Bindemittel zugesetzt. Dieses Gewichtsverhältnis
ist nicht kritisch, wenn jedoch zu wenig Stearinsäure zugesetzt wird, können SnCl4-Dämpfe
auftreten, die gesundheitsschädlich sind. Die Mischung wird solange erhitzt, bis
man eine dunkelbraune Flüssigkeit erhält, mit der die ganze Oberfläche des Trägerkörpers
30 und ein Teil der Elektroden 32 und 34 überzogen wird. Diese Anordnung wird dann
in Luft
erhitzt, um die Metalloxidhalbleiterschicht 36 aus SnO2
auf dem Trägerkörper 30 zu erhalten, wie es in Fig.2 und Fig.3 dargestellt ist.
Die Flüssigkeitsmischung kann auch auf den Trägerkörper 30 aufgespritzt werden.
Die in der beschriebenen Weise erhaltene Metalloxidhalbleiterschicht 36 aus SnO2
hat eine große Anzahl von Poren, die durch die Stearinsäure, die ein verhältnismäßig
hohes Molekulargewicht hat, entstehen, wenn sich SnO2-Kristalle bilden. Anstelle
von oder zusätzlich zur Stearinsäure kann als Bindemittel eine andere durch Erhitzen
entfernbare Substanz mit verhältnismäßig hohem Molekulargewicht verwendet werden,
wie z.B. Wachs, Zucker, Polyvinylalkohol oder Acrylharz. Bei dem Gasfühler gemäß
dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung 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
absorpt4onsfähige Oberfläche aufweist. Die Metalloxidhalbleiterschicht 36 hat trotzdem
eine ausreichende mechanische Festigkeit, da sie auf dem Trägerkörper 30 gebildet
ist. In Fig.2 und Fig.3 ist zwar kein Heizelement zum Erwärmen der Halbleiterschicht
36 dargestellt, es kann aber gewünschtenfalls selbstverständlich ein solches Heizelement
an der Halbleiterschicht oder im Trägerkörper vorgesehen sein.
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Das in Fig.4 und Fig.5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel des
Gas fühlers gemäß Erfindung enthält ein Metallgehäuse 50, in dem sich ein Block
56 aus einem, gemäß Erfindung hergestellten halbleitenden Metalloxid befindet.
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Das Metallgehäuse 50 gewährleistet die erforderliche mechanische Festigkeit.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine nicht dargestellte Heizung zur Erwärmung
des Halbleiterblockes 56 vorgesehen sein.
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Das in Fig.6 und Fig.7 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der
Erfindung entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 und Fig.5 mit der Ausnahme,
daß die eine der Elektroden 52 oder 54 des dritten Ausführungsbeispieles fehlt und
das Metallgehäuse als Elektrode verwendet wird.
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Das Gehäuse 60 bildet bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.6 und
Fig.7 also auch die eine Elektrode und in den durch Pressen geformten Metalloxidhalbleiterblock
64 ist nur eine weitere Elektrode 62 eingebettet.
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Das in Fig.8 und Fig.9 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäß hergestellten Gas fühlers enthält einen durch Pressen geformten
Metalloxidhalbleiterblock 74, der in ein zylindrisches Gehäuse eingeklemmt ist,
welohes aus zwei halbzylinderförmigen Metallelektroden 66 und 68 sowie Isolatoren
70 und 72, die die Elektroden voneinander
isolieren, besteht.
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Die beiden letzterwähnten Ausführungsbeispiele entsprechen in qrbeitsweise
und Wirkung im wesentlichen dem dritten-Ausführungsbeipiel.
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Selbstverständlich lassen sich die oben beispielsweise beschriebenen
Ausführungsbeispiele in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen'der
Erfindung zu überschreiten. &o kann z. B. die Elektrode 62 des Ausführungsbeispieles
gemäß Fig.6 und Fig.7 durch einen einzigen, durchgehenden Heizdraht ersetzt werden,
der auch die Funktion der Elektrode 62 übernimmt. Anstelle eines zylindrischen Gehäuses
kann auch ein becherförmies Gehäuse verwendet werden. In allen Fällen wird die Alarmgabe
durch die bei Einwirkung eines aktiven Gases auftretende Widerstandsänderung des
erfindungsgemäß hergestellten Metalloxidhalbleitermaterials bewirkt.