Amperometrischer Sensor
Elektrochemische Sensoren funktionieren so, dass sie mit dem Analyten reagieren und ein elektrisches Signal erzeugen. Die meisten elektrochemischen Gas-Sensoren sind amperometrische Sensoren, die einen Strom generieren, welcher linear proportional zur Gaskonzentration ist. Das Prinzip eines amperometrischen Sensors ist die Messung der Strom-Spannungsbeziehung in einer elektrochemischen Zelle, in der sich das Gleichgewicht nicht einstellt. Der Strom ist quantitativ abhängig von der Umsatzrate des elektrolytischen Prozesses an der Arbeitselektrode (Sensing Elektrode), dessen Potential üblicherweise, mit Hilfe einer weiteren Elektrode (der sogenannten Referenzelektrode), konstant gehalten wird.
Funktionsweise
Ein elektrochemischer Gas-Sensor von MEMBRAPOR funktioniert wie folgt: Die Gasmoleküle des Analyten, welche in Kontakt mit dem Sensor kommen, passieren eine Anti-Kondensation-Membran, welche zugleich als Staubschutz fungiert. Dann diffundieren die Gasmoleküle durch eine Kapillare, eventuell noch durch einen nachfolgenden Filter und anschliessend durch eine hydrophobe Membran zur Oberflächenstruktur der Arbeitselektrode. Dort werden die Moleküle sofort auf katalytisch aktiven Stellen oxidiert oder reduziert, d.h. sie geben Elektronen ab oder nehmen Elektronen auf und generieren so einen elektrischen Strom.
Es ist wichtig festzuhalten, dass mit dieser Methode die Menge der Gasmoleküle, welche in den Sensor eindringen, limitiert ist nur durch die Diffusion durch die Kapillare. Durch Optimierung der Gaswege und in Übereinstimmung mit dem gewünschten Messbereich, wird ein adäquates elektrisches Signal erhalten.
Das Design der Arbeitselektrode ist entscheidend, um eine hohe Reaktivität gegenüber dem Zielgas zu erreichen und unerwünschte Interferenzen von Störgasen zu unterdrücken. Dabei beinhaltet das System drei Phasen: Fest, flüssig und gasförmig; und alle sind involviert in der chemischen Erkennung des Analytgases. MEMBRAPOR widmet sich leidenschaftlich der Optimierung dieses Systems um Höchstleistungen bei Sensoren zu erzielen.
Die elektrochemische Zelle wird vervollständigt durch die sogenannte Gegenelektrode (Counter Elektrode), welche die Reaktion an der Arbeitselektrode ausgleicht. Der Ionenstrom zwischen der Gegen- und Arbeitselektrode läuft im Elektrolyt im Inneren ab, der elektrische Strom hingegen wird über Drähte geführt, welche an den Kontakt-Stiften enden.
Üblicherweise enthält ein elektrochemischer Sensor eine dritte Elektrode (3-Elektroden-Sensor). Die sogenannte Referenzelektrode dient dazu, das Potential der Arbeitselektrode auf einem konstanten Wert zu halten. Aus diesem Grund und zum Betrieb eines elektrochemischen Sensors allgemein, ist eine potentiostatische Schaltung nötig.
Sensor-Signal
Das Ausgangssignal eines MEMBRAPOR Gas-Sensors entspricht eher der Konzentration eines Gases als dessen Partialdruckes. Somit ist es möglich einen MEMBRAPOR Sensor in unterschiedlichen Höhen oder auch unter Tag einzusetzen, unabhängig davon, bei welchem atmosphärischen Druck das Gerät kalibriert wurde.
Eine tiefergehende und wissenschaftliche Erklärung zur Abhängigkeit des Ausgangssignals des Sensors vom Druck findet man im Dokument MEM4.