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Kohlenmonoxid-Sensor
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Für die Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden japanischen
Anmeldung, eingereicht in Japan am 18.7.1977 unter NOe 85918/1977 beansprucht.
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Die Erfindung betrifft einen Kohlenmonoxid-Sensor mit mehreren halbleitenden
Schichten.
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Ein herkömmlicher Gassensor bestehend aus halbleitenden Schichten
ist z.B. aus der amerikanischen Patentschrift 3,479,257 bekannt.
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Dieser herkömmliche Sensor ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt.
In der herkömmlichen Vorrichtung ist ein Paar Kontakte 2 und 3 auf der einen Seite
eines Substrats 1 vorgesehen, während eine Schicht 4 aus leitendem Material, die
als Heizwiderstand dient, auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats 1
durch
Vakuumverdampfung aufgebracht ist. Eine Metalloxidschicht
5 ist zwischen den Kontakten 2 und 3 gebildet und ein Katalysator 6 ist in Form
von kleinen Inseln auf der Schicht 5 durch Vakuumverdampfung niedergeschlagen. Die
Kontakte 2 und 3 sind an die Leiter 7 und 8 angeschlossen.
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Die Schicht 5 besteht aus einem Metalloxid,ausgewählt aus der Gruppe
Wolfram (W), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Niob (Nb), Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Titan
(Ti) oder deren Mischungen.
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Der Katalysator 6 ist ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe Platin
(Pt), Iridium (Ir), Rhodium (Rh), Gold (Au) und Palladium und deren Mischungen.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, in welcher die Wasserstoffkonzentration
gegen den Schichtwiderstand für einen herkömmlichen Gassensor in einer Kurve veranschaulicht
ist. Wie Fig. 3 zeigt, nimmt bei steigender Wasserstoffkonzentration der Widerstand
R der Metalloxidschicht gleichmäßig und allmählich ab.
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Im allgemeinen ist ein Gassensor mit einer Alarmanlage versehen, welche
betätigt wird, wenn die ermittelte Gaskonzentration beispielsweise 100 bis 300 ppm
erreicht.
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Wenn der Schichtwiderstand (R) gleichmäßig abgenommen hat, ist die
Abweichungsrate des Widerstandes im Hinblick auf die Gaskonzentrationsänderung gering
und deshalb ist die Festlegung des Schichtwiderstandes, bei dem die Alarmanlage
arbeitet, ziemlich schwierig. Weiter ist in dem oben angegebenen Patent nicht beschrieben,
daß ein solcher herkömmlicher Gassensor sehr empfindlich gegen Kohlenmonoxid ist.
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Wenn in einem Brenner eine unvollständige Verbrennung zu
Kohlenmonoxid
stattfindet, entstehen gleichzeitig auch Stickoxide (NOx). In Übereinstimmung mit
Versuchen, welche die Erfinder durchgeführt haben, wird die Sensoreigenschaft durch
Stickoxide beeinflußt. Die Leistung des Kohlenmonoxid-Sensors, dessen charakteristischer
Widerstand gleichförmig abnimmt, wird durch Stickoxide geringer. Deswegen war es
sehr schwierig, Kohlenmonoxid selbst mit dem Kohlenmonoxid-Sensor zu ermitteln.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Kohlenmonoxid-Sensor, in welchem ein
Widerstandswert für seine Alarmanlage leicht eingestellt werden kann und die spezielle
Bestimmung leicht neben anderen gleichzeitig vorhandenen Gasen ausgeführt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen KoBle.amonoxid-Sensor
bestehend aus einem isolierenden Substrat 11 einer ersten Schicht 13 aus im wesentlichen
Zinnoxid (Sn02), die auf das isolierende Substrat 11 aufgebracht ist und einer zweiten
Schicht 15 von Platin und Gold, die auf der ersten Schicht gebildet ist. Die zweite
Schicht enthält durchschnittlich 0,3 bis 30 Atomlagen Platin und die Menge Gold
beträgt ungefähr 0 bis 50 Atome der Platinmenge. Bei einem Kohlenmonoxid-Sensor
gemäß der Erfindung ändert sich bei Erreichen einer bestimmten Konzentration an
Kohlenmonoxid der Schichtwiderstand schrittweise.- Deshalb kann der Widerstandswert
für das Einstellen der Alarmanlage leicht durch Nutzbarmachen eines Bereiches, in
welchem sich der Schichtwiderstand schrittweise ändert, festgelegt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind Donatoren wie
z.B. Antimon (Sb) oder Wismut (Bi) der ersten Schicht zugefügt. Hierdurch-sollen
Produkte mit gleichem Grundwiderstand erhalten werden. Dieser ist der
Widerstand
der Schicht bei der Kohlenmonoxidkonzentration 0 im Arbeitsprozeß des Sensors.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält
die erste Schicht eine dritte Schicht, der als Donator im Zinnoxid wirkende Stoffe
zugefügt sind und eine vierte Schicht, der Stoffe zugefügt sind, die als Akzeptor
im Zinnoxid wirken. Die zweite Schicht ist auf die vierte Schicht aufgebracht.
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Die der vierten Schicht zugefügten Verunreinigungen sind z.B. Platin
(Pt), Aluminium (Al) oder Bor (B).
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Die Schichten können z.B. durch reaktives Sputtern hergestellt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht eines herkömmlichen Sensors, Fig.
2 einen Querschnitt einer schematischen Darstellung eines herkömmlichen Sensors
entlang der Linie X-X in Fig. 1, Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wasserstoffkonzentration
gegen den Schichtwiderstand des herkömmlichen Gassensors, Fig. 4 eine Draufsicht
auf einen Kohlenmonoxid-Sensor gemäß der Erfindung, Fig. 5 einen Querschnitt entlang
der Linie Y-Y in Fig. 4, Fig. 6 einen schematischen elektrischen Schaltplan des
Kohlenmonoxid-Sensors gemäß der Erfindung, Fig. 7 eine graphische Darstellung der
Kohlenmonoxidkonzentration in Abhängigkeit vom Schichtwiderstand im obigen Gerät,
Fig.
8 eine graphische Darstellung der Kohlenmonoxidkonzentration CM in Abhängigkeit
vom Schichtstrom IS bei Variierung der zur Schicht 15 zugefügten Goldmenge, Fig.
9 eine graphische Darstellung der Kohlenmonoxidkonzentration CM gegen den Schichtstrom
IS bei variierender Erhitzungstemperatur, Fig. 10 eine graphische Darstellung der
Beziehungen zwischen den Erhitzungstemperaturen und dem Schwellwert der Kohlenmonoxidkonzentration
bei Variierung der der Schicht zugefügten Goldmenge, Fig. 11 eine graphische Darstellung
von Versuchsergebnis sen unter den in Tabelle 2 angeführten Bedingungen, Fig. 12
eine graphische Darstellung von Versuchsergebnissen mit verschiedenen Gasen in dem
obigen Gerät, Fig. 13, 14 und 15 Querschnitte von weiteren Ausfuhrungsformen eines
Kohlenmonoxid-Sensors gemäß der Erfindung.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen eine bevorzugte Ausführung der Erfindung
in Draufsicht und einen Querschnitt entlang der Linie Y-Y in Fig. 4. Mit 11 ist
ein Substrat aus Silicium bezeichnet. Eine Isolierschicht 12 aus Siliciumdioxid
ist auf einer Oberfläche des Substrats 11 aufgebracht. Eine erste Schicht 13 ist
auf der Isolierschicht 12 angebracht. Die erste Schicht 13 besteht vorwiegend aus
Zinndioxid (Sn02) und kann als Donator Antimon (Sb) oder Wismut (Bi) enthalten.
Weiterhin kann eine Schicht 14, erhalten durch Zufügen von Platin (Pt) zu Zinnoxid,
auf der Schicht 13 gebildet werden und eine Schicht 15 aus Platin (Pt) und Gold
(Au) wird auf die Schicht 14 angeformt. Die Schichten 13, 14 und 15 sind z.B. durch
reaktives Sputtern aufgebracht. Zur Bildung einer jeden der Schichten 13 und 14
wird eine
Scheibe aus Zinn hergestellt und es werden mehrere Minuten
lang dünne Stücke Antimon oder Platin auf die Scheibe gelegt. Zur Bildung der Schicht
15 wird eine Scheibe aus Platin hergestellt und mehrere Minuten werden dünne Stücke
Gold auf die Scheibe gelegt. Das Platin, das die Schicht 15 bildet, wird zusammen
mit dem Gold auf der Schicht 14 so angebracht, daß sie im Durchschnitt ungefähr
0,3 bis 30 Platinatomlagen dick ist und keine metallisch elektrische Leitfähigkeit
zeigt.
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Die gleiche Wirkung kann erreicht werden durch Behandlung der Scheibe
mit Platin enthaltend Gold in geeigneter Konzentration und durch reaktives Sputtern
der Scheibe.
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Weiter enthält die oben beschriebene Vorrichtung ein erstes Paar Kontakte
16 und 19, das an die Isolierschicht 12 angeformt ist. Ein Teii der Kontakte 16
und 19 ist zwischen der Schicht 13 und der Schicht 14. Ein zweites Paar Kontakte
17 und 20 ist auf den ersten Kontakten 16 und 19 vorgesehen und ein Teil von jedem
der zweiten Kontakte überlappt die Schicht 14. Die Schichten 18 und 21 aus Gold
sind an die Kontakte 17 und 20 angeformt, um die Zuleitungen 22 und 23 mit den Kontakten
17 und 20 zu verbinden.
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Der Teil 11 dient als Substrat und als Heizwiderstand zum Heizen des
Kohlenmonoxid-Sensors. Hierzu werden die Heizkontakte 25 und 27 auf der anderen
Oberfläche des Substrats 11 angebracht und mit den Zuleitungen 29 und 30 durch die
Schichten 26 und 28 aus Gold verbunden.
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Eine Schicht 24 bildet eine isolierende Oberflächenschutzschicht ähnlich
der Schicht 12. Die Schicht 24 kann jedoch auch entfallen.
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Die Dicke der verschiedenen Elemente der in den Figuren 4 und 5 gezeigten
Vorrichtung sind beispielsweise in der
folgenden Tabelle 1 angeführt.
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Tabelle 1 Substrat 11 200 pm Isolierschicht 12 0,7 pm erste Schicht
13 0,06 m Zwischenschicht 14 0,07-0,15 Wm zweite Schicht 15 im Durchschnitt 0,0001-0,012pm
erste Kontakte 16, 19 0,2 pm zweite Kontakte 17, 20 0,2 pm Fig. 6 zeigt einen Schaltplan
für einen Kohlenmonoxid-Sensor gemäß der Erfindung. In diesem Schaltplan kennzeichnet
U1 die Versorgungsspannung für den Meßkreis.
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Die Spannung von U1 beträgt ungefähr 1 Volt. Die Betriebsspannung
UA liegt an den Zuleitungen 22 und 23 über einen Serienwiderstand R,, Die Heizspannung
U2 zur Heizung des Sensors beträgt etwa 4 Volt und liegt an den Zuleitungen 29 und
30.
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Der Widerstand Ro ist ein Festwiderstand von 1. Das Voltmeter M liegt
parallel zum Serienwiderstand Ro und mißt den Spannungsabfall, der dem Strom durch
den Sensor proportional ist. R5 bezeichnet den elektrischen Widerstand der Schicht
zwischen den Zuleitungen 22 und 23; IS bezeichnet den elektrischen Strom, der in
der Schicht fließt (Schichtstrom) und RH bezeichnet den Widerstand des Heizkreises
(Heizwiderstand) zwischen den Zuleitungen 29 und 30. Gemäß den unten angeführten
experimentellen Ergebnissen wurden der Schichtwiderstand Rs und der Strom durch
die Dünnschicht (Schichtstrom) IS aus dem Spannungsabfall an Ro der auf dem Voltmeter
abgelesen werden kann, erhalten. Die Temperatur des Substrats 11 kann durch Veränderung
der Heizspannung U2 gesteuert werden.
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung von experimentell ermittelten
Kurven des Schichtwiderstandes R5 bei einer Kohlenmonoxidkonzentration CM unter
Verwendung eines elektrischen Schaltplanes gemäß Fig. 6. Die Umgebungstemperatur
ist 25 OC und die umgebende Feuchtigkeit 60 %. Das Substrat 11 und die Schichten
13 und 14 werden auf ungefähr 210°C erhitzt. Wie aus der Kurve a ersichtlich ist,
ist gemäß der Erfindung, wenn die Kohlenmonoxidkonzentration CM geringer ist als
ungefähr 200 ppm, der Schichtwiderstand im wesentlichen gleich dem Grundwiderstand,
aber er nimmt schrittweise ab, wenn die Kohlenmonoxidkonzentration CM in einem Bereich
von ungefähr 200 bis 300 ppm ist und er ändert sich kaum, wenn die Konzentration
CM höher ist als ungefähr 300 ppm.
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Demnach wird ein Kohlenmonoxid-Sensor erhalten, dessen Schichtwiderstand
bis zu einer bestimmten CO-Konzentration nahezu unverändert bleibt. Bei dieser bestimmten
Konzentration ändert sich das Verhalten abrupt. Bis zu einer weiteren, höheren Konzentration
nimmt der Schichtwiderstand schrittweise stark ab und bleibt oberhalb dieser zweiten
höheren Konzentration nahezu konstant.
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Es ist ferner sicher, daß der Grundwiderstand des Schichtwiderstandes
R5 durch Änderung der zugefügten kntimonmenge oder durch Änderung der Dicke der
Schicht 13 geändert werden kann.
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Die Kurve b in Fig. 7 zeigt einen Schichtwiderstand, wie er erhalten
wird, wenn die Kohlenmonoxidkonzentration CM durch weitere Zugabe von Stickoxiden
(NOx) 20 ppm geändert wird. Aus Kurve b ist eindeutig ersichtlich, daß der Sensoreffekt
der Erfindung kaum durch Stickoxide beeinflußt wird.
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Um die Wirkungen der Schicht 15 zu untersuchen, wurde ein weiterer
Versuch durchgeführt unter Verwendung eines
in Fig. 5 gezeigten
Kohlenmonoxid-Sensors, bei welchem die Schicht 15 entfernt war. Das Versuchsergebnis
zeigt Kurve ad t Fig. 8. Es hat sich gezeigt, vergleiche Kurve a, /sofern keine
Schicht 15 aus Platin und Gold vorhanden ist, der Schichtstrom IS (oder der Schichtwiderstand
Rs) keine schrittweise Widerstandsänderung zeigt.
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Ein weiterer Sensor wurde untersucht. In der Schicht 15 wurde die
Menge Gold geändert bei gleichbleibender Menge Platin. In diesem Fall ist die Menge
Gold in bezug auf jene von Platin durch das Flächenverhältnis definiert. Der Ausdruck
"Gold-Flächenverhältnis" bedeutet den Prozentsatz der gesamten Fläche von dünnen
Stücken Gold, bezogen auf die gesamte Fläche einer Scheibe aus Platin, wobei die
Schicht 15 durch reaktives Sputtern hergestellt ist. Die charakteristischen Kurven
b, d und e in Fig. 8 zeigen experimentelle Ergebnisse für ein Gold-Flächenverhältnis
von 0 %, 3,3 Sd, 5 % und 9,3 56.
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Die Kurven b, c, d und e zeigen, daß bei zunehmender Menge an Gold
der Bereich der Kohlenmonoxidkonzentration CM, in welcher der Schichtstrom IS (oder
der Schichtwiderstand Rs) sich schrittweise ändert, sich in einen niedrigeren Konzentrationsbereich
verschiebt. In diesem Fall ist auch die schrittweise Abweichung der Größe des Schichtwiderstandes
verkleinert. Weitere Versuche haben bestätigt, daß der Schichtwiderstand R5 sich
schrittweise ändert, was wirklich brauchbar ist mit dem Gold-Flächenverhältnis bis
zu ungefähr 50 56. Weiterhin wurde auch bestätigt, daß selbst wenn die durchschnittliche
Platin atomlage im Bereich von 0,3 bis 0,30 variiert, der Bereich der Kohlenmonoxidkonzentration
CM, in dem der Schichtwiderstand RS sich schrittweise ändert, kaum geändert wird.
Weiter wurde ein Gerät, dessen Schicht 15 nur aus Gold bestand (Gold-Flächenverhältnis
100 %), getestet. Das erhaltene Ergebnis ähnelt im wesentlichen
der
Charakteristik der Kurve a in Fig. 8 und der Schichtstrom zeigt keine schrittweise
Wanderung. Durch die Erfindung ist jedoch nicht die Versuche für die schrittweise
Änderung des Schichtwiderstandes durch die Schicht 15 aus Platin oder Platin und
Gold aufgebracht auf den Schichten 13 und 14 gelöst.
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Weiter wurden Versuche durchgeführt, um den Einfluß der Erhitzungstemperatur
auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zu untersuchen. In Fig. 9 ist in graphischer
Darstellung der Einfluß der Heiztemperatur veranschaulicht. In den Kurven a, b,
c, d und e sind die Kohlenmonoxidkonzentration CM gegen den Schichtstrom IS bei
Erhitzungstemperaturen von 220 OC, 210 OC, 200 °C, 190°C und 170 OC aufgetragen.
In den Versuchen war die Umgebungstemperatur ungefähr 25 OC und die umgebende Feuchtigkeit
ungefähr 60 %. Aus der Figur ist ersichtlich, daß der Kohlenmonoxidkonzentrationsbereich,der
den Schichtstrom IS schrittweise ändert, mit der Erhitzungstemperatur zunimmt, wenn
die Erhitzungstemperatur T ansteigt. Der Schichtstrom IS zeigt jedoch nicht die
schrittweise Wanderung, wenn die Erhitzungstemperatur niedriger als 170 0C ist.
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Wie Kurve b in Fig. 8 zeigt, variiert der Schichtwiderstand schrittweise
sogar in dem Falle, daß die Schicht 15 nur aus Platin besteht. Es wurde gefunden,
daß der Wert der Kohlenmonoxidkonzentration, der eine schrittweise Anderung des
Schichtwiderstandes verursacht, von der Temperatur des Substrats 11 abhängig ist.
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Fig. 10, eine graphische Darstellung des Versuches, zeigt Beziehungen
zwischen den Erhitzungstemperaturen T und den Kohlenmonoxidkonzentrationen, welche
eine schrittweise Änderung des Schichtwiderstandes verursachen. Die charakteristischen
Kurven a-1 und a-2 wurden erhalten, wenn mehrere Sensoren, deren Schichten 15 nur
aus
Platin hergestellt waren, erprobt wurden und Erhitzungstemperaturen von 185 OC,
210 OC und 225 OC unterworfen wurden. Schwankungen sind in Betracht zu ziehen. Die
charakteristischen Kurven b-1 und b-2 wurden erhalten, wenn mehrere Vorrichtungen,
deren Schichten 15 mit dem Gold-Flächenverhältnis 5 56 gebildet waren, erprobt wurden
bei Erhitzungstemperaturen von 185 °C, 210 OC und 225 OC. Es sind Schwankungen in
Betracht zu ziehen. In dieser Ausführung liegen die CO-Konzentrationen, die die
starke Änderung des elektrischen Stromes durch die Schicht oder des Schichtwiderstandes
(s. Fig. 9) auslösen, im Bereich zwischen den Kurven b-1 und b-2, die in Fig. 10
aufgetragen sind.
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Die charakteristischen Kurven a-1 und a-2 werden mit den charakteristischen
Kurven b-1 und b-2 verglichen. Wenn die Erhitzungstemperatur T um 40 OC geändert
wird, d.h.
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von 185 OC auf 225 °C, wird die Kohlenmonoxidkonzentration CM zur
Änderung des Schichtstromes oder des Schichtwiderstandes schrittweise um ungefähr
600 ppm geändert; in den charakteristischen Kurven a1 und a2 ist das von ungefähr
250 ppm auf ungefähr 850 ppm.
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Werden in den charakteristischen Kurven b1 und b2 die Konzentration
CM bloß um ungefähr 250 ppm geändert, ist das von ungefähr 100 ppm auf ungefähr
350 ppm.
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Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß durch die Verwendung
von Platin und Gold statt Platin allein für die Schicht 15 die Temperaturabhängigkeit
der Kohlenmonoxidkonzentration zur Auslösung starker Widerstandsänderungen (Änderungen
des Schichtstromes oder Schichtwiderstandes) verringert werden kann.
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Die Ergebnisse von Versuchen, in welchen die Beziehungen zwischen
den Mengen an Antimonzugabe (Sb) zur Schicht 13 und die schrittweisen Änderungen
des Schicht-
widerstandes R5 untersucht wurden, werden nachfolgend
beschrieben. In den Versuchen wurde die Menge Antimon, die der ersten Schicht 13
zugefügt wurde, variiert im Bereich von 0 bis 20 56 Flächenverhältnis bezogen auf
Zinn, das zur Herstellung der Scheibe durch Sputtern verwendet wurde. Die schrittweise
Schichtwiderstandsänderung wurde aber kaum beeinflußt. Der Ausdruck "Flächenverhältnis
von Atimon zu Zinn" besagt, daß eine Anzahl dünner Antimonstücke auf eine Zinnscheibe
gelegt werden und eine erste Schicht 13 durch reaktives Sputtern gebildet wird.
Die mit Antimon besetzte Fläche, bezogen auf die gesamte Fläche der Zinnscheibe
ist in Prozent ausgedrückt.
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Die Versuchsergebnisse, in welchen der Einfluß der Platinmenge in
der Schicht 14 auf den Schichtstrom oder -widerstand ermittelt wurde, wird nun beschrieben.
Die Versuche wurden ausgeführt unter den in Tabelle 2 angeführten Bedingungen. Die
Erhitzungstemperatur des Substrats war 210 OC.
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Tabelle 2
| Ver-tSchicht 13 Schicht 14 Schicht 15 |
| Sb-Flächen-Dicke Pt-Fläche Dicke Au-Flä-durch- |
| verhältnis verhältnis chenver-schnittl. |
| hältnis Dicke |
| A 4 % 0,06µm 4,6 % 0,06µm 5% 0,0003µm |
| B 4 % 0,06µm 1,6 % 0,06µm 5% 0,0003µm |
| C 4 % 0,06µm - - 5% 0,0003µm |
In Tabelle 2 bedeutet der Ausdruck "Sb-Flächenverhältnis" das Verhältnis der durch
Antimon besetzten Fläche zur ganzen Fläche der Zinnscheibe ähnlich wie im oben beschriebenen
Fall. Analog bedeutet der Ausdruck "Pt-Flächenverhältnis", wo eine Anzahl dünner
Stücke
Platin auf einer Scheibe aus Zinn und einer Schicht 14 durch
reaktives Sputtern aufgebracht wurde, den prozentualen Anteil der durch Platin besetzten
Fläche im Hinblick auf die ganze Fläche der Scheibe.
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Fig. 11 ist eine graphische Darstellung von Versuchsergebnissen ausgeführt
mit den in Tabelle 2 angeführten Bedingungen. Die in Tabelle 2 angeführten Werte
wurden auch in Fig. 11 eingesetzt. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, wird bei Erniedrigung
der Platinzugabe in Schicht 14 die Kohlenmonoxidkonzentration, die sich im Schichtwiderstand
zeigt, schrittweise erniedrigt. Die charakteristische Kurve in Fig. 11 zeigt weiter,
daß die schrittweise Änderung der Schicht ohne die Verwendung der Schicht 14 erreicht
werden kann.
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Fig. 12 zeigt in einer graphischen Darstellung Kurven von Versuchsergebnissen,
in welchen die Wirkungen von verschiedenen Gasen mit einem Kohlenmonoxid-Sensor
mit der Schicht 15 mit einer Goldoberfläche von 5 56 untersucht wurden.
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Die Erhitzungstemperatur des Substrats 11 war ungefähr 110 OC. Die
Kurven a, b, c, d und e in Fig. 12 zeigen die Schichtströme IS mit Kohlenmonoxid
(CO), Äthylalkohol (C2H5OH), Wasserstoff (H2), Äthylen (C:2H4) und Isobutan (iso-C4H10).
Wie aus Fig. 12 ersichtlich, ist mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung die Änderung
des Schichtstromes beachtlich für Kohlenmonoxid, aber sie ist gering für Äthylalkohol,
Äthylen, Wasserstoff, Methan und Isobutan.
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Fig. 13 zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt.
In dieser Vorrichtung sind die zweiten Kontakte 17 und 20 und die Schichten 18 und
21 gemäß Fig. 5 entfernt und in die Zuleitungen 22 und 23
sind
direkt mit den Kontakten 16 und 19 verbunden. Mit dieser Vorrichtung haben die Erfinder
die oben erwähnten verschiedenen Versuche mit dem in Fig. 6 gezeigten elektrischen
Schaltplan durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß sich der Schichtwiderstand oder
der Schichtstrom schrittweise in einem bestimmten Bereich der Kohlenmonoxidkonzentration
ändern.
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Weiter wurden verschiedene Versuche mit den oben beschriebenen Vorrichtungen
und der Vorrichtung gemäß Fig. 13 durchgeführt, bei der die Schicht 14 entfernt
war. Auch diese Versuche haben bestätigt, daß der Schichtwiderstand RS oder der
Schichtstrom sich schrittweise in einem bestimmten Bereich der Kohlenmonoxidkonzentration
ändern.
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In den Figuren 14 und 15 sind im Querschnitt weitere Vorrichtungen
gemäß der Erfindung dargestellt. Fig.14 ist ein Querschnitt eines Gerätes, in welchem
der Abstand L0 zwischen den ersten Kontakten 16 und 19 gleich ist dem Abstand L1
zwischen den zweiten Kontakten 17 und 20, während Fig. 15 einen Querschnitt eines
Gerätes zeigt, in welchem der Abstand L0 zwischen den ersten Kontakten 16 und 19
kleiner ist als der Abstand L1 zwischen den zweiten Kontakten 17 und 20. Mit den
in den Figuren 14 und 15 gezeigten Geräten wurden unter den Bedingungen, daß die
Kontakt- und die Schichtdicken gleich sind mit denen gezeigt in Fig. 3 die Versuche
nur für Kohlenmonoxid (CO) durchgeführt und für eine Gasmischung von Kohlenmonoxid
und Stickoxiden (NOx). Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angeführt.
Tabelle
3
| atmosphär.Gas i Schichtstrom IS t>A) |
| Versuche X |
| reine Luft CO: 300 ppmiC0: 300 ppm |
| I iN0: 10 ppm |
| (A) L,: 0,7 mm 5,06 508 1 408 |
| L1: 0,7 mm |
| (B) Lo 0,7 mm 3,25 450 446 |
| L1 : 1,1 mm |
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, ist für den Fall, daß der Abstand so zwischen den
ersten Kontakten 16 und 19 gleich ist dem Abstand L1 zwischen den zweiten Kontakten
17 und 20, die Störung durch Stickoxid beachtlich. Eine solche Störung durch Stickoxid
ist nicht erwünscht. Es ist anzunehmen, daß der Unterschied bedingt ist durch die
Verunreinigungen, die während der Bildung der Kontakte zugemischt werden.
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Wie die Ausführungen zeigen, ist gemäß der Erfindung die Platinschicht,
welche keine metallisch elektrische Leitfähigkeit zeigt, auf die Schicht, die im
wesentlichen Zinnoxid enthält, aufgebracht. Deshalb kann ein Kohlenmonoxid-Sensor
erhalten werden, in welchem bei Erreichen einer bestimmten Kohlenmonoxidkonzentration
sich der Schichtwiderstand oder der Schichtstrom schrittweise ändert. Die schrittweise
Änderung des Schichtwiderstandes ist ziemlich hoch. Daher kann bereits gemäß der
Erfindung der Sensor in einem Warngerät eingesetzt werden, das vor CO-Konzentrationen
warnt, die in dem Konzentrationsbereich liegen, in welchem der Schichtwiderstand
sich mit der CO-Konzentration schrittweise ändert. Weiter ist zu beachten, daß der
erfindungsgemäße Sensor kaum auf andere gleichzeitig vorhandene Gase
anspricht.
Die Temperaturabhängigkeit der Kohlenmonoxidkonzentration, bei der die schrittweise
Änderung des Schichtwiderstandes mit der CO-Konzentration einsetzt, kann durch eine
Dünnschicht aus Platin und Gold verringert werden.
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7 Patentansprüche 15 Figuren