Herstellung eines Niedertemperatur-Sauerstoff-Sensors auf der Basis von dotierten Zirkonoxid-Dünnschichten

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Herstellung eines Niedertemperatur-Sauerstoff-Sensors auf der Basis von dotierten Zirkonoxid-Dünnschichten
Projektleitung Marion Wienecke , Prof. Dr. rer. nat. habil.
Kürzel
Projektbeginn 01. September 2000
Projektabschluss 28. Februar 2002
Projektpartner
Projektbeteiligte Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik ,
Projektmittel 102000 €
Mittelgeber BMBF-Projekt (aFuE)
Fakultät(en) Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Forschungsschwerpunkte(e) Neue Materialien
Hyperlink http://www.hs-wismar.de/ifod

Inhalt

Konventionelle Sauerstoffsensoren auf der Basis keramischer ZrO2-Schichten haben erst bei Temperaturen oberhalb 700°C eine ausreichende Ionenleitfähigkeit. Ziel dieses Projektes war es, Dünnschichtsyteme herzustellen, die bereits bei tieferen Temperaturen sensitiv für Sauerstoff sind. Dabei ging es insbesondere um den Einsatz neuer Technologien, wie der Dünnschichttechnik, die zugleich auch den Weg eröffnet, Sensorstrukturen in planarer Geometrie herzustellen und weiter zu miniaturisieren. Mittels reaktivem RF-Plasmasputtern sowie mittels atmosphärischen Plasmaspritzens wurden Schichtsysteme aus Pt-Elektroden und Elektrolyten aus Y-stabilisiertem ZrO2 hergestellt mit einigen mm Abmessungen und Schichtdicken von ca. 1-2μm (Sputtern) bzw. mehrere 100μm (Plasmaspritzen). Die strukturellen, chemischen und elektrischen Eigenschaften wurden mittels Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie und Impedanzspektroskopie untersucht. Im Ergebnis des Projektes konnten wir reproduzierbar Dünnschichtsensorstrukturen herstellen, die bereits bei Temperaturen von 400°C bzw. 500°C eine Sensitivität auf Sauerstoff aufweisen. Dies führen wir insbesondere auf die nanoskaligen Abmessungen der Körner in den polykristallinen Schichten zurück. Der ZrO2-Elektrolyt kristallisiert in der kubischen Phase, dies konnte durch XRD-Messungen nachgewiesen werden. Am vielversprechendsten erwiesen sich plasmagespritzte Schichten mit Schichtdicken zwischen 50 und 200μm. Diese Funktionsmuster müssen hinsichtlich einer Diffusionsbarriere weiter optimiert werden. Dazu streben wir ein Kooperationsprojekt mit Partnern aus der Industrie an, um die Ergebnisse zu verwerten.