Amperometrische Sauerstoffmessung mit Zirkonium-Sensoren

In den vergangenen fünf Jahrzehnten wurden zahlreiche Technologien zur Sauerstoffmessung entwickelt. Zirkonium-Festkörpersensoren und elektrochemische Prinzipien haben sich dabei als am erfolgreichsten herauskristallisiert. Der Einsatz von ionenaustauschender Zirkoniumkeramik zur Messung von Sauerstoffkonzentrationen, von ultraniedrigen Werten bis zu 100 % Volumen, hat zahlreiche erfolgreiche Business Cases in unterschiedlichen Branchen hervorgebracht. Zu den entsprechenden Anwendungen gehören u. a. die Optimierung von Kraftstoff-Luft-Gemischen für Antriebssysteme, die Gewährleistung einer präzisen Sauerstoffzufuhr in medizinischen Geräten sowie Verpackungen mit einer kontrollierten Umgebung für eine Vielzahl von Produkten.
 
In den vergangenen 35 Jahren hat Angst+Pfister Sensors and Power (APSP) Pionierarbeit in der Entwicklung von Sauerstoffsensorlösungen mit erhitztem Zirkoniumoxid geleistet, die sich in zwei verschiedene Ansätze einteilen lassen: Der erste Ansatz nutzt ein hohes elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden, um die Trennung von Ladungen zu erleichtern. Dadurch wird ein Stromfluss innerhalb der Dreifachphasengrenzen erzeugt: Metallelektroden (normalerweise aus Platin), erhitzte Zirkonium-Sauerstoffeinfangstellen und Sauerstoffmoleküle. Der zweite Ansatz hingegen ist statisch und vergleicht den potenziellen Unterschied zwischen zwei isolierten Elektroden, die unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt sind. Der zweite Ansatz weist einen größeren Dynamikbereich auf, da das hohe elektrische Feld im ersten Ansatz eine Obergrenze für die Ladungsentfernungseffizienz setzt und damit die Sauerstoffgasbelastung beeinflusst.
 
In den folgenden Abschnitten wird der erste Ansatz mit Stromfluss genauer betrachtet. Dabei werden die Stärken des Prinzips beleuchtet und Anwendungsfälle aufgezeigt, die einen signifikanten Nutzen für die Prozesse bieten und das Wertversprechen für APSP-Kunden stärken. Im Folgenden wird der Ansatz mit Stromfluss als FCX-amperometrisches Prinzip der Sauerstoffsensorik bezeichnet. Zusätzlich haben alle APSP-Produkte, die mit diesem Ansatz in Verbindung stehen, „FCX-“ im Produktnamen.
 
FCX-amperometrisches Prinzip der Sauerstoffsensorik Die amperometrische Sauerstoffsensorik ist ein relativ einfaches Messprinzip, obwohl die zugrunde liegende Physik etwas komplex ist. In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf eine vereinfachte Erklärung des Prinzips sowie auf die Stärken der Technologie und die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von erhitztem Zirkonium für die amperometrische Sauerstoffmessung.

Eine schematische Schnittdarstellung des Funktionsprinzips für den FCX-amperometrischen Sauerstoffsensor wird in Abbildung 1 dargestellt. Wenn eine erhitzte Zirkoniumscheibe mit zwei Elektroden in eine sauerstoffhaltige, gasförmige Umgebung eingetaucht wird, entsteht ein gleichmäßiger Stromfluss, der mit der über die Elektroden angelegten Spannung ansteigt. Dieser Stromfluss wird aus zwei Gründen erzeugt: erstens aufgrund der Temperatur der Scheibe und zweitens aufgrund des Sauerstoffs. Damit Sauerstoffmoleküle ihre äußeren Elektronen zwischen dem erhitzten Zirkonium und typischerweise einer Platin-Elektrode freisetzen können, muss die Scheibentemperatur mindestens 350 °C betragen.
 
Es ist wichtig zu betonen, dass der Strom, der im Kreislauf fließt, nichts mit der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration der Umgebung zu tun hat. Zusätzlich muss die Elektrode transparent sein, um genügend Auffangstellen für Sauerstoffmoleküle zu bieten. Ein anschauliches Beispiel einer „transparenten“ Elektrode mit einer platinhaltigen Struktur mit offenen Oberflächenstellen (Korngrenzen von 2–5 Mikrometern) wird in Abbildung 2 dargestellt. 

Der Strom, der zwischen den Elektroden auf der erhitzten Zirkoniumscheibe fließt, wird durch die Sauerstoffkonzentration moduliert, indem eine strategische Einschränkung des Gasflusses auf einer Seite der Scheibe angewendet wird. Dies wird üblicherweise durch das Anbringen einer Kappe mit einem mikrometergroßen Bohrloch erreicht (siehe Abbildung 3). Dadurch wird der Gasfluss auf eine der Elektroden unter Beibehaltung des Sauerstoffpartialdrucks der verschiedenen Gaselemente selektiv begrenzt.

Der FCX-amperometrische Sauerstoffsensor ist in vier verschiedenen Messbereichen erhältlich: 0‑1000 ppm, 0–5 Vol% O2, 0‑25 Vol% O2 und 0–95 Vol% O2. Zu den häufigsten Anwendungsbereichen von FCX‑amperometrischen Sauerstoffsensoren gehören unter anderem Sauerstoffkonzentratoren, Beatmungsgeräte, Inkubatoren und Sauerstofftherapiegeräte.