Drucksensoren sind im Internet of Things allgegenwärtige Begleiter zur Erfassung von Systemeigenschaften. Herausforderungen für gegenwärtige Technologien sind die Langzeitstabilität und der Betrieb bei erhöhten Temperaturen >250°C. Diesen Herausforderungen stellt sich das BMBF-geförderten Konsortium „QInd – Quantum Sensoren für die industrielle Anwendung in der Prozesstechnik“, welches im Rahmen des Zukunftsclusters QSens agiert. Das CiS Forschungsinstitut kooperiert eng mit dem Industriepartner Endress+Hauser und unterstützt mit den eigenen Kompetenzen in der Aufbau- und Verbindungstechnologie (AVT) sowie der Charakterisierung von diamantbasierten Materialien. Aus der Grundlagenforschung sind Zusammenhängen bei Stickstoff-Leerstellenzentren (NV-Zentren) zwischen mechanischem Stress und den optischen Photolumineszenzeigenschaften bekannt. Attraktiv an diesem Quantenmaterial sind die Stabilität über große Temperatur- und Druckbereiche und die Möglichkeit, eine rein optisch basierte Auslese zu erzielen. Im Projekt wird die Eignung von NV-Zentren in Diamant für die Druckmessung beurteilt hinsichtlich:
- der Signal-Stärke und des Signal-Rauschverhältnisses,
- geeigneter Diamantmaterialien und deren Verfügbarkeit und
- der Prozessführung (Industrialisierung) und der zu erwartenden Kosten.
Dabei soll das Technology Readyness level (TRL) nicht unbedingt erhöht werden, sondern der Kenntnisstand zu Quantensensorik für Druckmessung soll verbessert und parasitäre Einflussgrößen sollen eingegrenzt werden.
Das CiS Forschungsinstitut hat dazu kosteneffiziente Diamantmaterialien verwendet und mit industrietypischen Verfahren auf keramische Messzellen gebondet. Werden diese Messzellen unterschiedlichen Drücken ausgesetzt, verformt sich eine innere Membran. In Folge dieser leichten Verformung werden mechanische Spannungen auf das darauf aufgesetzte Diamantplättchen übertragen. Diese können einerseits rein optisch mit Hilfe spektroskopischer Verfahren, oder mit Hilfe mikrowellenunterstützter Messungen der Photolumineszenzintensität ausgelesen werden. Es konnte nun demonstriert werden, dass sowohl die AVT als auch beide verwendete Ausleseverfahren grundsätzlich für die Druckmesstechnologien geeignet sind. Hervorzuheben ist dabei, dass diese Ergebnisse bei moderaten Drücken von bis zu 5 bar und mit vergleichsweise einfach herzustellenden Diamantmaterialien erzielt wurden.
Die erzielten wissenschaftlichen Ergebnisse werden nun dem Fachpublikum vorgestellt. Dazu wird ein Poster (#5.29) auf dem renommierten 28. Internationalen Hasselt Diamond Workshop präsentiert, der vom 28. Februar bis 1. März 2024, veranstaltet durch die Universität Hasselt (Belgien), stattfinden wird. Parallel dazu wurde eine wissenschaftliche Publikation erstellt, die sich aktuell im Review-Prozess befindet.
