08.10.2018

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

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