Projekt H2Safety - Thermospannungsbasierte Sensorik für die Wasserstoffdetektion in Gasen und Werkstoffen

06.04.2023

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Im Projekt werden zwei Sensorvarianten entwickelt - zur Detektion von gasförmigem und zur Detektion von in Konstruktionswerkstoffen eingelagertem Wasserstoff. Beide Sensoren nutzen dabei die Änderung der Thermospannung von metallischen Werkstoffen unter Wasserstoffeinfluss.
Jeder Projektpartner trägt dazu eine Technologie zur Sensorfertigung bei - von der Entwicklung von wasserstoffsensitiven Dünnfilmschichten, über den keramischen Schaltungsträger bis zur Signalverarbeitung im Mikrochip.

Für eine nachhaltige Wasserstoffindustrie sind Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von zentraler Bedeutung, wodurch sich ein zunehmender Marktbedarf an präziser und preiswerter Wasserstoffsensorik ergibt.
Ziel des Projektes H2Safety ist deshalb die Entwicklung von Wasserstoffsensoren für Gase und Konstruktionswerkstoffe, welche insbesondere eine niedrige Querempfindlichkeit bezüglich anderer brennbarer Gase wie bspw. Methan zeigt. Es wird dabei ein neues Sensorprinzip umgesetzt.

Die BAM entwickelt und fertigt im Rahmen des Projektes H2Safety keramische Schaltungsträger in Mehrlagentechnik für den Gassensor. Diese Schaltungsträger müssen eine dünnfilmfähige Oberfläche für die Sensorlage aufweisen und die elektrische Verdrahtung zu passiven Bauteilen sowie zum Chip auf der Rückseite gewährleisten.
Daneben werden Prüfstände zur Messung der Thermospannung unter Wasserstoffeinfluss entwickelt und die abschließende Prüfung der Gassensoren nach ISO26142 durchgeführt.

Projektleitung

FHK Fügetechnik Hochleistungskeramik UG

Konsortium

7 nationale und internationale Partner aus der Wissenschaft und der Industrie

Förderung

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF im Rahmen der Förderlinie KMU-innovativ - Materialforschung (ProMat_KMU) gefördert.

Low-temperature co-fired ceramics (LTCC) werden zur Herstellung von robusten mehrlagigen Schaltungsträgern verwendet. Für die Metallisierung von Leiterplatten und Mikrosystemen ist die Dickschichttechnologie gut etabliert. Für spezielle Sensoranwendungen ist die Kombination von LTCC- und Dünnschichttechnologie vorteilhaft, um höhere Strukturauflösungen sowie Empfindlichkeit bei gleichzeitig verringerter Ansprechzeit zu erreichen. Aufgrund der hohen Rauheit der gebrannten LTCC-Oberflächen im Vergleich zu Silizium-Wafern ist die Abscheidung defektarmer Dünnschichten mit genau definierten Eigenschaften schwierig. Außerdem wird bei einigen LTCC-Materialien die Glasphase durch die bei der Strukturierung der Dünnschicht verwendeten Chemikalien geätzt. Die Kombination von LTCC- und Dünnschichttechnologie erfordert daher die Auswahl kompatibler Materialsysteme und einer passenden Sintertechnologie für eine geeignete Oberflächenqualität. Im Projekt H2Safety wird ein LTCC-Schaltungsträgers für Wasserstoffsensoren entwickelt.
In dem angestrebten Wasserstoffsensor dient der LTCC-Mehrlagenschaltungsträger als Träger für die Dünnfilm-Sensorschichten auf der Vorderseite des Sensors sowie für die SMDs und den ASIC (application-specific ntegrated circuit) zur Auswertung des Messsignals auf der Rückseite des Sensors. Gleichzeitig fungiert er als dreidimensionale Verdrahtung zwischen Sensorschichten und ASIC. Das LTCC-Material sollte folgende Anforderungen erfüllen: kommerzielle Verfügbarkeit, gute Dünnfilm-Beschichtbarkeit, hohe Ebenheit, geringe laterale Schwindungstoleranz und Wasserstoffresistenz.
Mit dem besten Materialsystem werden mehrlagige Schaltungsträger über Stanzen und Füllen von VIAs (vertical interconnect access, vertikale Durchkontaktierung), Siebdruck und druckunterstützter Sinterung (PAS, pressure-assisted sintering) im 12-fach Nutzen gefertigt.

Daneben wird an der BAM eine Prüfkammer zur Bestimmung der Thermospannung an dünnen Schichten und Konstruktionswerkstoffen entwickelt und aufgebaut. Diese Messzelle wird an ein akkreditiertes Gasmischsystem mit bis zu vier Komponentengasen (z.B.: Wasserstoff, Luft, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Methan) angeschlossen. Die Konstruktionswerkstoffe werden zuvor mit Wasserstoff beladen und der genaue Anteil an eingelagertem Wasserstoff über die Heißgasextraktion bestimmt. Ausgehend von den Messdaten wird eine Datenbank zur Korrelation von Wasserstoffgehalten und Thermospannungen in Metallen aufgebaut.
Abschließend erfolgt die Gassensorprüfung in einer speziellen Messzelle in Anlehnung an ISO 26142.

Partner

Projektleitung:
FHK Fügetechnik Hochleistungskeramik UG

Projektpartner:
AMAC ASIC und Mikrosensoranwendung Chemnitz GmbH
TKC technische Keramik GmbH
Quick-Ohm Küper & Co. GmbH
ENAS Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme

Assoziierte Partner:
Siegert Thinfilm Technology GmbH
LCP-A2MC, Université de Lorraine, Frankreich

Förderung

BMBF-Verbundvorhaben
KMU-innovativ: Materialforschung (ProMat_KMU)
Förderkennzeichen: 13XP5130E