H2MEMS - Neuartiger Wasserstoffsensor mit höchster Sensitivität und Selektivität auf der Basis von siliziumbasierten MEMS-Sensorstrukturen



12.03.2021

Ein neuartiger hochsensitiver palladiumbasierter Wasserstoffsensor wird mit zwei Industriepartnern im BMBF-Projekt „H2MEMS“ entwickelt. Das Projekt ist Teil des Konsortiums HYPOS im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ins Leben gerufenen Förderinitiative „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“. Die drei Partner entwickeln die Ideen des zuvor erfolgreich abgeschlossenen Projektes HYPROS weiter. Siliziumbasierte MEMS-Strukturen werden mit Palladium beschichtet und können mit Methoden der Mikrosystemtechnik (Si-Technologien) gefertigt werden. Damit sind diese Sensoren kostengünstiger herstellbar und bieten ein großes Potenzial zur weiteren Miniaturisierung und Senkung des Energieverbrauches.

Das CiS Forschungsinstitut, ausgewiesener Spezialist für die Entwicklung siliziumbasierter Drucksensoren, entwickelt und testet im Projekt mit den Partnern Palladium-beschichtete MEMS-Strukturen, die Si-MEMS-Drucksensoren ähnlich sind. Palladium besitzt die höchste Absorptionsfähigkeit aller Elemente für Wasserstoff. Bei Raumtemperatur kann es das 900-fache des eigenen Volumens binden. Dies führt zu einer Volumenvergrößerung, welche für ein sensorisches Grundelement (MEMS-Bauelement) genutzt werden soll. Wird eine Palladiumschicht auf ein passives Material (Membran) des Grundelementes aufgebracht, entstehen durch die Volumenvergrößerungen erhebliche mechanische Spannungen. Die Größe der mechanischen Spannungen ist ein Maß für den Wasserstoffanteil im Palladium. Mittels einer hochempfindlichen piezoresistiven Messbrücke können diese mechanischen Spannungen messtechnisch ausgewertet werden. Das Signal ist ein Maß für den Wasserstoffanteils im Messgas. Mit dem neuen Sensor sollen zweifelsfrei H2-Konzentrationen im ppm Bereich und bis 100 vol%, gemessen werden können.

In einem ersten Schritt werden im CiS Forschungsinstitut verschiedene Grundstrukturen ausgewählt und mit Palladium durch einen Projektpartner beschichtet. Umfangreiche FEM-Simulationen verfeinern die Materialauswahl für den Sensor. Klassische Halbleitertechnologien zur Fertigung werden durch das CiS Forschungsinstitut an die spezifischen Erfordernisse angepasst und technologische Plattformen entwickelt. Wichtige Parameter sind ein großer Messbereich, die Vermeidung von Querempfindlichkeiten, eine hohe Langzeitstabilität sowie ein schnelles Ansprechverhalten.
Die Beschichtung, der Messaufbau, die Elektronik und der Simulationstest unter realen Bedingungen erfolgt durch die Projektpartner Union Instruments GmbH und Materion GmbH.
Das Projekt leistet einen Beitrag, um Erdgasnetze für die Energiespeicherung und Energietransformation wirtschaftlicher zu gestalten.

 

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03ZZ0757B gefördert.