ISS-Sauerstoff-Sensor für den
Beschichtungs-Anlagenbau – IS4BA

Sauerstoffsensor für Beschichtungslagen

Laufzeit des Vorhabens: 01.03.2016 – 30.06.2018

Geschichte und Anwendung auf der ISS

Um existierende Modelle der Erdatmosphäre zu verifizieren, musste ein Sensor zur Detektion von O2 und O-Partialdruck im Erdorbit entwickelt werden. Hierbei waren raumfahrtspezifische Anforderungen wie eine geringe Masse, eine geringe Energieaufnahme sowie der Verzicht auf ein Referenzgas entscheidend. Der Einsatz erfolgte später auf dem Columbus-Modul der ISS.

Terrestrische Anwendung: Beschichtungsanlagen

In Vakuumbeschichtungsanlagen werden auf großem Maßstab dünne Schichten für Energiesparverglasung, Photovoltaik, Solarthermie etc. hergestellt. Für die Abscheidung von oxidischen Schichten ist die genaue Kontrolle des O2-Partialdrucks äußerst wichtig. Wesentliche potentielle Vorteile des ISS-Sensors im Vergleich zu alternativen Technologien:

  • Kostengünstige Herstellung
  • Keine Referenzatmosphäre notwendig => beliebige Platzierung in Kammer
  • Hohe Auflösung im relevanten Bereich

Aufbau und Funktionsprinzip des ISS-Sensors

Das Sensorfunktionsprinzip basiert auf der O2-Ionenleitfähigkeit eines Festkörperelektrolyten (YSZ). Der ISS-Sensor wird amperometrisch betrieben, d.h. der Stromfluss wird bei einer definierten Betriebsspannung gemessen. Zusätzlich muss dieses System aufgrund der temperaturabhängigen Ionenleitfähigkeit des YSZ stabil aufgeheizt werden.

Herausforderungen beim Transfer

Bestehende Sensoren weisen eine erhebliche Produktionsstreuung sowie eine deutliche Langzeitdrift auf. So sind z.B. auf dem Mikroskopbild des gealterten Sensors Risse im Elektrolyten sowie eine Verfärbung der Elektroden erkennbar. Weiterhin ist die Geometrie der Elektroden nicht ausreichend definiert. Notwendig für den erfolgreichen Transfer sind demnach:

  • Verbesserung der Reproduzierbarkeit in der Sensor-Herstellung für größere Los-Größen
  • Minimierung der Langzeitdrift
  • Lösungsansatz:
  • Einsatz von Sputtern und Inkjet statt Siebdruck zur reproduzierbaren Abscheidung des Festkörperelektrolyten YSZ
  • Herstellung der Elektroden in wohldefinierter Kamm-Struktur mittels Inkjet, Sputtern und Lithographie

Erste Ergebnisse

Die photolithographische Strukturierung von gesputterten Pt-Schichten wurde untersucht. Nach Fertigung der Photomaske wurden die Parameter für den Lithographieprozess eingestellt und eine erste Platin-Schicht auf einem Aluminiumoxid-Substrat erfolgreich strukturiert.

Beim Inkjet-Druck wurde eine systematische Untersuchung der Druckparameter durchgeführt. Erste Ergebnisse zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit bei der Druckqualität und Druckkopfhaltbarkeit. Darüber hinaus wurden Limitierungen hinsichtlich Druckauflösung und Druckgeschwindigkeit identifiziert. Die Nutzung der ersten Erkenntnisse hat bereits zu einer signifikanten Verbesserung des Inkjet-Druckbilds geführt.

Assozierte Bilder

Terrestrische Anwendung: Beschichtungsanlagen
Herausforderungen beim Transfer
Erste Ergebnisse

Weitere Sensor-Bilder

Institutionen/ Verbundpartner

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

Ansprechpartner:

Dr. Thomas Kroyer
Tel.: +49 761 4588 5968
thomas.kroyer@ise.fraunhofer.de
www.ise.fraunhofer.de

Universität Stuttgart, Institut für Raumfahrtsysteme (IRS)
Pfaffenwaldring 29
70569 Stuttgart

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Stefanos Fasoulas
Tel.: +49 711 685 62417
fasoulas@irs.uni-stuttgart.de
http://www.irs.uni-stuttgart.de