Effektive Abscheidung dünner Isolationsschichten für Sensoren in der Wasserstofftechnik

Oberflächen 08. 10. 2018
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Im Rahmen des Verbundprojekts NaFuSS (BMBF 13N13171) haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP neue Ansätze zur Abscheidung von defektarmen Isolationsschichten untersucht. Ziel ist es, betriebssichere und langlebige Drucksensoren für die zunehmend an Bedeutung gewinnende Wasserstofftechnik zu ermöglichen. Die neuen Ansätze und Ergebnisse wurden während der 16. International Conference on Plasma Surface Engineering PSE, vom 17. bis 21. September 2018 in Garmisch-Partenkirchen, und werden zur electronica 2018, vom 13. bis 16. November 2018 in München, am Messestand Nr. 426 in Halle C5, präsentiert.

In den letzten Jahren erfuhren Elektroautos einen wahren Boom. Durch ein zunehmendes Umdenken hin zu umweltfreundlicherem Verhalten im Alltag kaufen immer mehr Menschen Elektroautos oder nutzen Carsharing-Angebote in den Städten, die auch zunehmend auf Elektroautoflotten setzen. Allerdings haben Elektroautos bisher noch ein großes Manko. Aufgrund der langen Ladezeiten sind sie für Vielfahrer, Menschen mit einem hohen Bedürfnis nach Flexibilität zum Beispiel durch Bereitschaftsdienste, für den öffentlichen Personennahverkehr oder auch Lastkraftfahrzeuge noch keine erwägbare Alternative. Diese gibt es aber an anderer Stelle. Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb benötigen weniger als fünf Minuten, um betankt zu werden und stellen damit eine echte Alternative zu den vorherrschenden Antrieben dar.

Es gibt aber auch hier noch Hürden. Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff äußerst leicht entzündlich und stellt damit schnell eine Gefahrenquelle dar. Dessen Speicherung in Wasserstofftanks erfolgt zudem mit Drücken von teils über 700 bar. Deshalb sind zur genauen Überwachung hochpräzise, leistungsstarke Sensoren notwendig. Da Wasserstoff aufgrund seines atomaren Aufbaus extrem flüchtig ist und sogar durch Stahl diffundiert, ergeben sich besonders hohe Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Temperaturstabilität, Protonenbarriere, Isolationsfestigkeit und Explosionsschutz der Komponenten.

Um zuverlässige Sensoren für die Wasserstofftechnik realisieren zu können, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP nun mittels reaktiven Magnetronsputterns eine Technologie zur Abscheidung von defektarmen Isolationsschichten mit minimaler Protonendiffusion und sehr guter Isolationsfestigkeit entwickelt. Diese greift auf nanofunktionale Materialien zurück.

Es können nun Isolationsschichtsysteme auf rauen Stahloberflächen abgeschieden werden, die mit einer Spannungsfestigkeit von über 2000 V und einem spezifischen Widerstand von mehr als 1 × 1015 cm die Anforderungen der Explosionsprävention in der Wasserstofftechnik erfüllen. Gleichzeitig wurde eine sehr wirksame Protonenbarriere nachgewiesen, die selbst bisher eingesetzte Goldschichten übertrifft. Die so erzeugte Isolationsschicht ist nach Auskunft des Projektleiters Jan Hildisch mit ihren Eigenschaften einzigartig. Eine vergleichbare Schicht ist in der Praxis bislang noch nicht ökonomisch realisiert worden. Durch das neue Verfahren ist es jetzt möglich, mit einer Abscheiderate von etwa 2 nm/s Sensoren zu beschichten und industriell herzustellen.

Der neue Ansatz zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit besteht in der Abscheidung von Isolationsschichten mit glättender Wirkung. Auf diesem Weg lassen sich auch raue Oberflächen sowie Strukturen und Gräben bis zu einem Aspekt-Verhältnis von 1:1 bedecken beziehungsweise auffüllen. Die Kombination aus Magnetronsputtern und anderen Verfahren der Schichtabscheidung im Vakuum, insbesondere der Atomlagenabscheidung (ALD), trägt außerdem maßgeblich zur Entwicklung bei. Dadurch lassen sich Defekte in der Schicht vollständig einhüllen und die Spannungsfestigkeit zusätzlich verbessern.

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.

  • www.fep.fraunhofer.de

REM-Aufnahme einer stationären Abscheidung von 5 µm Siliziumdioxid (SiO2) auf 3 µm tiefen Siliziumstrukturen im Querschnitt (© Fraunhofer FEP)

 
Text zum Titelbild: Schema einer Wasserstofftankstelle als Anwendungsszenario für Drucksensoren mit Isolationsschichten (©metamorworks / Shutterstock)

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