Sensoren für die Sauerstoff-Messung

Anlagen für die Halbleiterindustrie
Crystec Technology Trading GmbH

Sauerstoffmessung mittels Zirkoniumdioxidsensor

Zirkonoxid ist die häufigste Verbindung des Elements Zirkonium. ZrO2 ist eine Oxidkeramik, die in 3 verschiedenen Modifikationen vorkommt. Durch die Dotierung von Zirkoniumdioxid mit Yttriumoxid werden Defekte bzw. Leerstellen in das Kristallgitter eingebracht. Im festen Zirkoniumoxid werden dabei Zr4+ Ionen durch Y3+ Ionen ersetzt, so dass Sauerstoffleerstellen entstehen, die wiederum insbesondere bei höheren Temperaturen über 650°C Sauerstoffanionen erlauben schnell durch das Kristallgitter zu diffundieren. Yttrium-dotiertes Zirkondioxid ist ein fester Elektrolyt. Die Beweglichkeit der Sauerstoffionen kann für die Messung von Sauerstoff in beheizten, elektrochemischen ZrO2-Sensoren genutzt werden.

Sauerstoffsensor

Die Sauerstoffmesssonde
In der Messzelle trennt eine Zirkonoxidmembran ein Referenzgas (z.B. Luft) von dem Probengas. Beide Seiten der Membran sind mit dünnen Platinfilmen beschichtet, die als Elektroden dienen, so dass eine feste, elektrochemische Zelle gebildet wird. Solange der Sauerstoffpartialdruck auf beiden Seiten gleich hoch ist, ist die Bewegungsrichtung der Sauerstoffionen rein zufällig. Sobald sich jedoch ein Unterschied in der Sauerstoffkonzentration der beiden Seiten einstellt, beginnen die Sauerstoffionen von der Seite des höheren Sauerstoffpartialdrucks zur Seite des niedrigeren Partialdrucks zu wandern. Es stellt sich ein Sauerstoffionengradient über die Dicke der ZrO2-Membran ein, der entsprechend der Nernstschen Gleichung zu einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den beiden Platin-Elektroden führt. Die Beziehung zwischen Sauerstoffpartialdruckdifferenz und Spannungsabfall an den Elektroden ist logarithmisch. Die Methode eignet sich für Messungen im Prozentbereich ebenso wie im Spurenbereich (ppm). Der Zirkoniumoxidsensor reagiert sehr schnell. Bei Messungen im Spurenbereich ist zu beachten, dass schon geringe Mengen reduzierender Gase die Messung stören.
Aufgrund der ohnehin hohen Messtemperatur können Zirkoniumdioxidsensoren gut für die Messung von Sauerstoff O2 in einem Ofen / in Öfen wie Vertikalöfen, Horizontalöfen, Durchlauföfen, Schranköfen und Industrieöfen eingesetzt werden.

Stange O2-Sensor zur Leckratenbestimmung und Prozessüberwachung
Bei vielen Prozessen wie z.B. Vakuumprozessen, der Polyimidhärtung oder der Entbinderung von Keramiken ist es wichtig zu wissen, ob noch Restsauerstoff in der Anlage vorhanden ist. Mit dem Sauerstoffsensor kann der Nachweis erbracht werden, dass der Prozess sicher ablaufen kann. Das Signal des Sauerstoffsensors bietet die Möglichkeit prozessspezifische Grenzwerte zu setzen, mit denen Aktionen eingeleitet werden können wie z.B. der Abbruch des Wärmebehandlungsvorganges oder das Einleiten einer Notbegasung.
Als Auswerteinheit für die Sauerstoffmessung kann eine Stange-Steuerung dienen, aber auch entsprechende, andere Anzeigegeräte. Durch die Chargenvergleichsfunktion der Stange Software ECS-2000 ist eine einfache Überprüfung der Kontinuität des Sensorsignals bei unverändertem Prozess gewährleistet. Das Signal des Sauerstoffsensors ist druckunabhängig!

Sauerstoffsensor


Neues, revolutionäres Messverfahren mit einer online am Reaktor angebrachten, modifizierten Zirkon Messzelle (beheizt), die mit einer Sauerstoffpumpe ausgerüstet ist und permanent für einen Austausch der Atmosphäre an der Messzelle sorgt. Die Sauerstoffpumpe arbeitet nach einem physikalischen Prinzip ähnlich der Wärme-Konvektion.
  • kein Verschleiss
  • unempfindlich gegen Verschmutzung
  • vakuumfest
  • kein Abgas über den Sensor
  • druckunempfindliches Messprinzip
  • Max. zul. Messdruck am Sensor 10bar (ü)
  • Min. Messdruck am Sensor: 10-7 mbar
  • Reaktion, je nach Einbausituation < 20s
  • Messbereiche: 0 bis 100 Vol% O2 oder 0 bis <= 100ppm O2

Sauerstoffmessung