Gas-Sensorsystem auf Basis ionenleitender plasmapolymerisierter Schichten auf nanoporösen Siliziummembranen

Ziel des Projektes ist die Realisierung und Charakterisierung eines selektiven integrierbaren Sensorsystems zur Messung von Gasen wie H2, O2, CO und NOx, wie sie bei der thermischen und biologischen Verbrennung und in Brennstoffzellen als Edukte und Produkte auftreten. Basierend auf dem Funktionsprinzip der Polymer-Brennstoffzelle sollen plasmapolymerisierte ionenleitende Dünnschichten zusammen mit Clustern unterschiedlicher Katalysatoren auf nanoporösen Silizium-Membranen aufgebracht werden (Bild 1). Das Messprinzip beruht entweder auf der Bestimmung der Gaskonzentration direkt als Ionenstrom (H2) oder des zur vollständigen Verbrennung der zu messenden Konzentration am Katalysator benötigten Wasserstoffs. Dazu ist dem jeweils zu bestimmenden Gas der Reaktionspartner im Überschuss an der jeweiligen Reaktorseite zur Verfügung zu stellen, d.h. das System arbeitet entweder mit Sauerstoff oder Wasserstoffüberschuss an Kathode oder Anode. Die nanoporösen Silizium Membranen werden mittels Metal-Assisted-Etching hergestellt. Hierbei werden Gold-Cluster im Nanometerbereich auf das Substrat gesputtert und dann in einer Ätzlösung aus HF, H2O2 und EtOH geätzt. Von der Rückseite wird der Wafer mittels plasmaunterstützten Ätzen gedünnt bis zum Verbleib einer dünnen nanoporösen Siliziummembran definierter Permeabilität. Um die Oberfläche des Trägermaterials noch zu vergrößern, sollen darauf vor der Abscheidung des Katalysators und der Polymerschicht Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgewachsen werden, die auch einen verringerten Serienwiderstand und durch Querdiffusion eine verbesserte Gaszufuhr über die gesamte Grenzfläche ermöglichen. Durch diese Kombination von Nanotechologie, Mikrosystemtechnik und Plasmapolymerisation lassen sich empfindliche, langzeitstabile und feuchtigkeitstolerante selektive Sensoren mit kurzer Reaktionszeit und Dynamik in den Konzentrationen erzielen, die aufgrund des Betriebs bei Raumtemperatur geringen Energiebedarf und eine einfache Aufbau- und Verbindungstechnik gewährleisten.

Stichwörter

• Brennstoffzelle
• Gassensor
• poröses Silizium