Betriebssichere und langlebige Drucksensoren in der Wasserstofftechnik
Neues Sputterverfahren für Schichten mit minimaler Protonendiffusion und sehr guter Isolationsfestigkeit.
In den letzten Jahren haben Elektroautos einen wahren Boom erfahren. Aufgrund der langen Ladezeiten sind sie für Vielfahrer, Menschen mit einem hohen Bedürfnis nach Flexibilität z.B. durch Bereitschaftsdienste, für den öffentlichen Personennahverkehr oder auch Lastkraftfahrzeuge noch keine erwägbare Alternative. Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb hingegen benötigen weniger als fünf Minuten, um betankt zu werden, und stellen damit eine echte Alternative zu den vorherrschenden Antrieben dar.
Abb.: Erstmals ökonomisch sinnvoll realisierbare Isolationsschichten abgeschieden: Die REM-Aufnahme zeigt den Querschnitt einer 5 μm dicken SiO-Schicht, sputtertechnologisch aufgebracht auf 3 μm tiefe Silizium-Strukturen. (Bild: Fh.-FEP)
Aber auch hier gibt es noch Hürden: Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff äußerst leicht entzündlich und seine Speicherung in Tanks erfolgt zudem mit Drücken von teils über 700 bar. Zur Überwachung müssen hochpräzise, leistungsstarke Sensoren eingesetzt werden. Die besonders hohe Flüchtigkeit des Wasserstoffs erfordert besonders hohe Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Temperaturstabilität, Protonenbarriere, Isolationsfestigkeit und Explosionsschutz der Komponenten.
Mittels eines neuen reaktiven Magnetron-Sputter-Verfahrens gelang den Wissenschaftlern des Fraunhofer FEP im Rahmen des Verbundprojekts NaFuSS (BMBF 13N13171) die Abscheidung defektarmer Isolationsschichten mit minimaler Protonendiffusion und sehr guter Isolationsfestigkeit. Mit dem neuen, auf nanofunktionale Materialen zurückgreifenden Verfahren können nun Isolationsschichtsysteme auf rauen Stahloberflächen abgeschieden werden. Die Schichten erfüllen mit einer Spannungsfestigkeit von über 2000 V und einem spezifischen Widerstand von mehr als 1·1015 cm die Anforderungen der Explosionsprävention in der Wasserstofftechnik. Gleichzeitig wurde eine sehr wirksame Protonenbarriere nachgewiesen, die selbst die bisher eingesetzten Gold-Schichten übertrifft. „Die so erzeugte Isolationsschicht ist mit ihren Eigenschaften einzigartig. Eine vergleichbare Schicht ist in der Praxis bislang noch nicht ökonomisch realisiert worden. Durch das neue Verfahren ist es nun möglich, mit einer Abscheiderate von ca. zwei Nanometer pro Sekunde Sensoren zu beschichten und industriell herzustellen.“, erklärt Projektleiter Jan Hildisch.
Die erfreulichen Ergebnisse sollen nun die Grundlage für weiterführende Kooperationen mit Industriepartnern bieten, um gemeinsam Sensoren für die Wasserstofftechnik zu entwickeln und ökonomisch in Serie herzustellen. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, die Technologie weiter zu optimieren und auch auf andere Anwendungsgebiete zu übertragen. Im November stehen die Wissenschaftler auf der electronica 2018 für weiterführende Diskussionen zur Entwicklung bereit.
FEP / LK
