Das Projekt

Bitumen

Bitumen ist eines der schwersten Produkte bei der Raffination von Rohölen und damit ein organisches Material mit komplexer chemischer Zusammensetzung. Von den rund 100 Mt (metrischen Megatonnen) Bitumen, die weltweit pro Jahr eingesetzt werden, gehen etwa 85 % in Asphaltstraßen, 10 % in Dachplatten und 5 % in sonstige Anwendungen. In Europa bestehen 95 % aller befestigten Straßen aus bituminös gebundenen Belägen. Bitumen ist daher ein Baustoff von entscheidender Bedeutung für Verkehrsinfrastruktur und andere Ingenieurbauwerke.

Bitumenalterung und PiezoMEMS

Da sich die Bitumenalterung in ausgeprägten Viskositätsänderungen äußert, können neueste Entwicklungen im Bereich MEMS-Sensoren zur Charakterisierung herangezogen werden. Bisher wurden für die Charakterisierung von Bitumen meist Geräte im Labormaßstab eingesetzt. Für eine kontinuierliche in-situ-Überwachung wichtiger Materialparameter werden jedoch in Mikrofabrikation hergestellte low-power Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und hoher Robustheit benötigt, die das Potenzial zur drahtlosen Auslesung der Ausgangssignale bieten.

Herausforderungen an den Sensor

Für hohe elektrische Ausgangssignale in einer solchen hochviskosen Umgebung werden MEMS Sensoren in Resonanz betrieben, während sie mit der fluidischen Umgebung interagieren, und ihr charakteristisches mechanisches Verhalten wird erfasst. Die Kopplung zwischen mechanischer Bewegung und elektrischen Signalen erfolgt über integrierte Piezowandler. Die viskose Dämpfung in fluidischen Umgebungen wirkt sich direkt auf wichtige Eigenschaften wie Resonanzfrequenz und Qualitätsfaktor aus. Dies ermöglicht die Messung der Dämpfung und damit die Bestimmung physikalischer Fluidparameter wie Viskosität und Dichte.

Ziele

In diesem Projekt soll ein Messaufbau entwickelt werden, um die MEMS-basierten Hochviskositätssensoren bei verschiedenen Temperaturen mit verschiedenen Bitumenproben und anderen hochviskosen Prüfflüssigkeiten zu Kalibrierzwecken zu testen. Dieser Aufbau wird verwendet, um ein tiefes Verständnis der Korrelation zwischen dem mechanischen Verhalten des MEMS-Resonators und den unterschiedlichen viskoelastischen Eigenschaften von Bitumen und anderen Testflüssigkeiten zu erlangen. Darüber hinaus sollte die Modellierung der Resonatoren bei Bitumen-Exposition das Wissen über die Struktur-Fluid-Interaktion in einer so komplexen Flüssigkeit wie Bitumen vertiefen und Richtlinien für zukünftige Verbesserungen von MEMS-Sensoren geben.