Projekt Perses: Gasselektive Membranen für Helium- und Wasserstoffsensorik

Im Projekt Perses entwickelt das Fraunhofer IMM hochselektive Dünnschichtmembranen zur Trennung von Helium und Wasserstoff für Anwendungen in der Gassensorik. Die Technologien sind industriell etabliert und werden in modernen Leckdetektionssystemen eingesetzt.


Membranprozesse sind ein etablierter Ansatz zur Trennung einzelner Gase aus einem Gemisch. Ziel des Projekts Perses ist die Abtrennung niedermolekularer Gase wie Helium (He) und Wasserstoff (H₂) durch Entwicklung robuster, miniaturisierter Membranen mit hoher Selektivität bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität für den Einsatz in Sensorsystemen zur Dichtheitsprüfung.

Im Fokus steht die Kombination aus hoher Permeabilität, Druckstabilität und Integrationsfähigkeit in kompakte Messsysteme, sowie eine besonders hohe Fertigungsqualität.

Die am IMM entwickelten Quarz- und Palladium-Dünnschichtmembranen basieren auf einer mikrostrukturierten Trägerplatte aus Silizium, die für die notwendige mechanische Stabilität sorgt.

Die Membranen können hinsichtlich Geometrie und funktionaler Eigenschaften kundenspezifisch angepasst und in Sensorsysteme integriert werden.

Die im Projekt Perses entwickelten Membranen sind speziell auf Anwendungen in der Gassensorik ausgelegt und industriell validiert.



Helium-Sensorsystem
© Fraunhofer IMM
Helium-Sensorsystem WISE(TM) der Leckdetektoren Inficon Protec P3000 und Inficon T-Guard
REM-Aufnahme des Silizium-Trägers
© Fraunhofer IMM
REM-Aufnahme des Silizium-Trägers für die Quarzmembran

Einsatzfelder:

  • Industrielle Leckdetektion (Dichtheitsprüfung)
  • Helium-Schnüffelverfahren
  • Wasserstoffsensorik
  • Inline-Qualitätssicherung in Produktionsprozessen

 

Technische Merkmale:

  • Hohe Selektivität für He und H2
  • Hohe Druckstabilität durch Stützstruktur aus Silizium
  • Integrierbare Heizelemente für stabile Betriebsbedingungen
  • Miniaturisierte Bauweise für Sensorsysteme

 

Fertigungstechnologien:

  • Thermische Oxidation
  • Vorder- und Rückseiten-Lithographie
  • Dünnschichtabscheidung (Sputtern)



Quarzmembran für Helium

Die heliumselektive Quarzmembran ist das zentrale Element des modernen Helium-Leckdetektionssystems. Sie kombiniert höchste Selektivität mit großer Druckstabilität und ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb in industriellen Anwendungen.

Das Sensorprinzip basiert auf einer Filtermembran. Wenn über eine Schnüffelsonde ein höherer Helium-Anteil eingesaugt wird, kann dieser durch die Membran diffundieren und sorgt in der evakuierten Messzelle für ein Ansteigen des Druckes, welcher direkt gemessen wird. Mit diesem Verfahren kann auf die sonst üblichen Massenspektrometer inklusive aufwändiger Vakuumtechnik verzichtet werden. Durch die Robustheit und Präzision der Geräte, die auf der WISETM-Detektionstechnik basieren, können neue Einsatzgebiete erschlossen werden, die für Geräte auf Massenspektrometer-Basis nicht erreichbar sind.

Eigenschaften:

  • Durchlässigkeit (He): 1,0 × 10⁻⁶ mbar·l·s⁻¹
  • Druckstabilität: > 1 bar (bis zu 2 bar in Systemintegration)
  • Integrierter Platin-Heizmäander für Betrieb bei erhöhten Temperaturen
  • Chipgröße: 23 × 50 mm²
  • Aktive Membranfläche: 175 mm²
  • Silizium-Träger mit 4895 Mikroöffnungen

 

Industrielle Anwendung:

Die Membran ist das Kernelement im Helium-Sensorsystem WISE(TM) der Leckdetektoren Inficon Protec P3000 und Inficon T-Guard. Die Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der Inficon GmbH.

WISE-Funktionsprinzip
© INFICON GmbH
WISE(TM) Sensorprinzip: das aus dem Prüfling austretende Testgas (Helium) wird über eine Schnüffelsonde eingesaugt und führt zu einer Druckerhöhung auf der Vakuumseite der Membran

Palladium-Membran für Wasserstoff

Die Palladium-basierte Membran ermöglicht eine selektive Detektion bzw. Abtrennung von Wasserstoff und kann ebenfalls in Sensorsystemen eingesetzt werden.

Eigenschaften:

  • Durchlässigkeit (H₂): 1,0 × 10⁰ mbar·l·s⁻¹ (bei 300 °C)
  • Druckstabilität: > 3 bar
  • Legierbar mit Silber (Ag) und Kupfer (Cu)
  • Optional integrierbarer Heizmäander
  • Chipgröße: 23 × 50 mm²
  • Aktive Membranfläche: 175 mm²
  • Silizium-Träger mit 4895 Mikroöffnungen

Projektpartner:

  • Inficon GmbH
  • Technische Universität Kaiserslautern