MEMS-basiertes differentielles Schweregradiometer (MBDG)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Karla Hiller; Dr. Christian Rothleitner
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562637951

Häufig sind für Untersuchungen von sehr empfindlichen Schwerewertmessungen (z.B. für die Bestimmung von Dichteverteilungen) nur örtliche oder zeitliche Gravitationsänderungen relevant, nicht aber die absolute Schwerebeschleunigung. Da jedoch diese Kraft extrem klein ist und sich außerdem nicht abschirmen lässt, stellen sich besondere Anforderungen an die Messsensoren. Im Projekt soll ein neuartiges MEMS-Gradiometer zur Bestimmung von relativen Schwereänderungen, basierend auf einem neuartigen differentiellen Gradiometerkonzept, entwickelt und als Demonstrator hergestellt sowie hinsichtlich der erreichbaren Auflösung untersucht werden. Durch dieses neuartige Konzept (Patentanmeldung dazu ist bereits erfolgt) soll die absolute (Erd)beschleunigung aus dem Messsignal eliminiert und somit eine hochsensitive Detektion der relativen Schwereänderungen ermöglicht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik in Bezug auf MEMS wird dabei eine Verbesserung um mindestens eine Größenordnung angestrebt (Ziel: Auflösung des Schweregradienten mit 0,1 E/√Hz). Im Bereich der MEMS-Entwicklung werden dafür geeignete Feder-Masse-Anordnungen entworfen und analysiert sowie eine Erweiterung der bereits patentierten BDRIE-HS*-Technologie erforscht, um noch deutlich größere seismische Massen herstellen zu können, aber dennoch eine sehr sensitive kapazitive Detektion der winzig kleinen Bewegungen im pm-Bereich zu erzielen. Eine Validierung der Messergebnisse kann durch bekannte Schwereinhomogenitäten (mit definierten Körpern, sogenannten Feldmassen) erfolgen. Ein Vorgehen zur Validierung wird sein, das Gradiometer auf einer Koordinatenmessmaschine (KMM) an einer festen Position zu installieren. Weiterhin wird auf der KMM der die Dichteinhomogenität erzeugende Körper (Bsp. Kugel oder Zylinder) an verschiedenen Positionen angebracht und mittels KMM jeweils die relative Position zur Testmasse des Gradiometers bestimmt. Die genauen Formen und Dichten, bzw. Massen der Feldmassen können auf nationale Normale rückgeführt werden, ebenso wie die Distanzmessungen über das KMM. Im Zuge der Digitalisierung und zur Evaluierung der Messunsicherheiten wird für das Gradiometer ein Digitaler Zwilling erstellt. Dieser ermöglicht es ebenfalls, die Parameter zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen