Sensoren für die Energiewende Sub-10-nm-Strukturen sind direkt in MEMS-Sensoren integriert

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Mikrosysteme (MEMS) sind das Rückgrat der Prozessmesstechnik. Doch für die steigenden Anforderungen, getrieben durch die Energiewende, reicht die Mikrometer-Skala oft nicht aus. Wissenschaftler der Hochschule RheinMain (HSRM) haben nun eine Technologieplattform vorgestellt, die Nanostrukturen direkt in MEMS integriert.

Ob in der Mobilitätstechnik, der vernetzten Fertigung oder der Cybersicherheit werden hochpräzise Sensoren benötigt. Am Campus Rüsselsheim arbeitet das Forschungsteam im Projekt MINIMISE (Mikro-Nano-Interfacing für MEMS-integrierte Sensorik) daran, die Grenzen der Miniaturisierung weiter zu verschieben. Ziel ist es, einen sogenannten Mikro-Nano-Interfacing (MNI) zu etablieren, um Nanostrukturen aus dem Laborstatus in die industrielle Anwendung zu führen.

Sub-10-nm-Lithografie für neue physikalische Effekte

Das Herzstück ist die neu eingeweihte Elektronenstrahl-Lithografie-Anlage mit dem Namen „eLine“. Sie ermöglicht die Herstellung und Manipulation von Strukturen in einem Bereich, der weit unter dem liegt, was herkömmliche Fertigungsverfahren leisten können.

Projektleiter Prof. Dr. Markus Bender erklärt die Motivation hinter dem Schritt in die Nanowelt: „Bei Elektronikkomponenten führt die Verwendung von Nanostrukturen zu größeren Integrationsdichten, also mehr Komponenten auf kleinerem Raum. Aber bei Sensoren kann der Einbau separat hergestellter Nanostrukturen zu ganz neuen physikalischen Effekten führen, wie höherer Empfindlichkeit, schnellerer Ansprechzeit oder Multifunktionalität.“

Dank der Plattform lassen sich Strukturen im Sub-10-nm-Bereich generieren und das mit einer Präzision, die laut Prof. Dr. Bender an deutschen Hochschulen für Angewandte Wissenschaften Seltenheitswert hat.

Wasserstoff-Detektion und IR-Sensorik

Konkret konzentriert sich das Team, zu dem auch Partner vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Archigas gehören, auf zwei Schlüsseltechnologien für die Energiewende: die selektive Wasserstoffmessung und neuartige Infrarotsensoren.

Die Wasserstoffsensorik soll die gesamte Versorgungskette überwachen. Das beginnt von der Erzeugung über die Speicherung bis hin zur Brennstoffzelle. Parallel dazu wird an hocheffizienten IR-Sensoren gearbeitet, die ohne toxische Ausgangsstoffe auskommen. Hier setzt Prof. Dr. Stefan Kontermann, Experte für Ultrakurzpulslaser, auf das sogenannte Hyperdotieren von Silizium mittels Femtosekundenlasern:

„Im Projekt setzen wir auf fortschrittliche Techniken […], um die notwendigen elektronischen Eigenschaften bei den Mikrosystemen und damit den zukünftigen Sensoren zu erzielen. Im Hinblick auf die Infrarotsensoren kann die Umwandlung der Energie aber auch für höchst effiziente Solarzellen zum Einsatz kommen.“

Brückenschlag zur industriellen Anwendung

Ein zentrales Problem der Nanotechnologie war bisher die Anbindung an die makroskopische Welt. Das Projekt MINIMISE adressiert genau diese Schnittstelle. Prof. Dr. Hans-Dieter Bauer betont dabei die Bedeutung des Transfers: „Generell wird das Projekt zeigen, wie die oft als anwendungsfern angesehene Grundlagenforschung aktuelle Entwicklungen beflügeln und industrielle Bedürfnisse befriedigen kann.“

Das wirtschaftliche Potenzial ist beachtlich. Durch die MNI-Technologie sollen Sensoren nicht nur sensitiver und kompakter, sondern auch kostengünstiger in der Herstellung werden. Laut Prof. Dr. Bender könnte dies einen massiven Innovationsschub auslösen: „Die MNI-Technologie hat ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Gasmessung, konkret: im Bereich Wasserstoff, in der Medizin- und Biotechnologie, in Internet-of-Things-Anwendungen und vielem mehr.“

Hintergrund zum Projekt

Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 1,65 Mio. Euro gefördert. Neben der technologischen Entwicklung steht auch die Ausbildung der nächsten Ingenieursgeneration im Fokus: Studierende der Angewandten Physik sind direkt in die Forschungsabläufe eingebunden, um den Transfer von der Theorie in die Praxis von Grund auf zu lernen. (heh)

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