Die schärfer werdenden gesetzlichen Grenzwerte für den Ausstoß von Schadstoffen für Benzin- und Dieselmotoren führen zu einem zunehmend steigenden Interesse an neuartigen Abgassensoren. Benötigt werden selektive Sensoren zum Nachweis von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NO und NO2) in zukünftigen Abgasnachbehandlungssystemen. Diese Arbeit behandelt Halbleiter-Feldeffekt-Gassensoren mit katalytisch aktiven Platin (Pt)-Elektroden und deren Anwendung in Abgasnachbehandlungssystemen. Um einen kontinuierlichen Betrieb bei hohen Temperaturen zu ermöglichen, wurden Siliziumkarbid (SiC) und Gruppe III-Nitride wie Galliumnitrid (GaN) und Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) als Halbleitermaterialien verwendet. Insgesamt drei unterschiedliche Sensoren wurden realisiert: MOS-Kondensatoren auf der Basis von SiC (MOSiC), GaN-Schottky-Dioden sowie AlGaN/GaN-High Electron Mobility-Transistoren. Die sensitiven Eigenschaften dieser Feldeffekt-Gassensoren wurden unter Laborbedingungen mit Hilfe von synthetischen Gasgemischen untersucht. Als Testgase wurden Abgasbestandteile wie CO, NO, NOz, verschiedene gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe sowie Wasserdampf, Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) in charakteristischen Konzentrationen verwendet. Als Betriebstemperatur der Sensoren wurden Temperaturen bis zu 600 deg C gewählt. Für MOSiC-Sensoren wurde eine Korrelation zwischen der Gassensitivität und der Elektrodenmorphologie bestimmt. Bauelemente mit einer dichten Pt-Elektrode zeigten eine Sensitivität lediglich auf H2 und ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Im Gegensatz dazu konnten im Falle einer porösen Pt-Elektrode auch andere Gase delektiert werden. Mit Hilfe einer Spezialmessanordnung wurden zusätzlich Ansprech- und Abklingzeiten von MOSiCs bestimmt. Für H2, CO, Ethen und Propan ergaben sich Werte von weniger als 50 ms für Betriebstemperaturen über 400 deg C. Im Gegensatz dazu waren die Zeiten im Falle von NO2 wesentlich höher. Bei 500 deg C wurden für NO2 Ansprechzeiten von einigen Sekunden sowie Abklingzeiten von mehreren Minuten gemessen.
Feldeffekt-Gassensoren und ihre Anwendung in Abgasnachbehandlungssystemen
2002
145 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
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