Ein Schwerpunkt am Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik ist die Systemanalyse mittels Simulationsmethoden. Hierbei wird die Simulation als Werkzeug zur Ergänzung realer Experimente genutzt. Durch den Einsatz verschiedener Methoden können neben einer Kosten- und Zeitersparnis vor allem experimentell nicht zugängliche Bereiche erforscht werden.
Das Spektrum der eingesetzten Methoden und Programme reicht von der Netzwerk- und Regelungssimulation bis hin zur Multiphysik-Simulation gekoppelter Probleme auf Basis der FEM (Finite Elemente Methode) und CFD (Computational Fluid Dynamics).
Es werden hierbei folgende Programme eingesetzt:
- Matlab und Simulink
- Fluent (CFD)
- Comsol Multiphysics (FEM)
Die numerischen Berechnungen werden auf lokalen Computern am Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik und an den PC-Clustern des HLRS (Höchstleistungsrechenzentrum) Stuttgart durchgeführt.
Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild der Simulation eines kapazitiven Beschleunigungssensors mit Matlab und Simulink. Die grünen Blöcke beschreiben ein zu detektierendes, also vorgegebenes, Beschleunigungssignal. Im Zentrum des Bildes 1 ist ein Block zu sehen, welcher die zu Grunde liegende DGL einer erzwungenen, gedämpften Schwingung löst. Die roten Blöcke geben die resultierende Auslenkung der seismischen Masse im Sensor und die Kapazitätsdifferenz aus.
Im Bild 2 ist das Ergebnis einer CFD-Simulation zur kontinuierlichen Erzeugung mikroskopischer Tropfen zu sehen. An der Kreuzung der 400 µm breiten Mikrokanäle treffen Öl und Wasser aufeinander. Die Wechselwirkung der beiden strömenden Flüssigkeiten führt unter bestimmten Randbedingungen zur Einschnürung des Wassers und Bildung von Wassertropfen im Öl. Die dabei in Folge erzeugten Wassertropfen haben unter diesen Bedingungen einen Durchmesser von ca. 400 µm. Dadurch lassen sich unter Anderem frei definierbare, homogene Emulsionen mit einfachen Mitteln herstellen.
In den Bildern 3 und 4 ist die FEM-Simulation eines Tesla Ventils bei Vorwärts- und Rückwärtsströmung zu sehen. Bei der Rückwärtsströmung (Bild 3) fließt ein großer Teil über den Bogen und hat damit einen größeren fluiden Widerstand. Als Resultat ist der Druckabfall bei der Rückwärtsströmung größer als bei der Vorwärtsströmung. Daraus ergibt sich die Wirkungsweise eines Ventils.
Im Bild 5 ist die FEM-Simulation von einem fallenden Mikrotropfen zu sehen. Der Tropfen mit einem Durchmesser von 200 µm fällt auf ein Substrat mit unterschiedlich funktionalisierten Bereichen auf der Oberfläche. Aus den unterschiedlichen Benetzungseigenschaften und Kontaktwinkeln der Oberfläche resultiert eine bewegende Kraft, welche den Tropfen, unter Ausführung einer gedämpften Schwingung mit einer Frequenz von ca. 1 kHz, in den hydrophilen Bereich zentriert. Diese Simulation zeigt die dominierende Wirkung der Oberflächenspannung in der Mikrofluidik. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einen Mikrotropfen innerhalb einer sehr kurzen Zeit lokal zu adressieren.