Mikroresonatoren für Anwendungen in Flüssigkeiten und Gasen

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Seidel
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398351153

Für eine Vielzahl von Anwendungen spielt die Beobachtung der Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen eine bedeutende Rolle. Dazu gehören z. B. die Überwachung von Betriebsstoffen und Verbrennungsprozessen, die Erfassung von Emissionen in Umwelt und Raumluft, der Bereich der Lebensmittelanalytik und -kontrolle sowie die Gassensorik allgemein. Physikalisch basierte Sensoren versprechen in Bezug auf Stabilität Verbesserungen gegenüber rein chemischen Sensoren. Von besonderem Interesse sind siliziumbasierte Resonatoren in mikrosystemtechnischer Bauart, die in die Flüssigkeit eingetaucht werden oder vom Gas umgeben sind. Die durch das Fluid verursachte Dämpfung führt zu einer Veränderung der Gütefaktoren sowie der Resonanzfrequenzen. Daraus kann man die Dichte und die Viskosität des Mediums bestimmen sowie auf Verunreinigungseffekte schließen oder sogar Freiheitsgrade von Molekülen detektieren. Bei Flüssigkeiten mit hoher Viskosität (z.B. Öle) kann jedoch die Dämpfung so stark sein, dass die Messung des Gütefaktors schwierig wird. Dort gilt es, höhere Moden ausfindig zu machen und die Geometrie des Resonators so zu optimieren, dass der Energieverlust im Medium minimiert wird. Neben diesen auf technische Anwendung abzielenden Fragestellungen gibt es eine ganze Reihe von wissenschaftlich relevanten Themen, insbesondere die Klärung der Energieverlustmechanismen in verschieden Medien und Druckbereichen. Im besonderen Fokus stehen das Verständnis des Übergangsbereiches von molekularer zu viskoser Dämpfung (Umgebung von Knudsen-Zahl 1) sowie der Einfluss einer begrenzenden Fläche in einem definierten Spaltabstand zum Oszillator (Übergang von Squeeze Film Effekt zu freiem Oszillator). In diesem Zusammenhang soll ein thermomechanischer Resonanzeffekt untersucht werden, der bei übereinstimmender Laufzeit der thermischen Welle mit der Schwingungsperiode des Resonators zu erhöhten Energieverlusten führt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Einfluss der Freiheitsgrade mehratomiger Moleküle auf die Dämpfung. Im Rahmen des bisherigen Projektes wurden hierzu wertvolle neue Erkenntnisse gewonnen und eine theoretische Beschreibung hergeleitet. Weiterführende Untersuchungen mit anderen Resonatorgeometrien und höheren Moden werden zur Fortentwicklung dieser Theorie angestrebt. Im Zuge dieser Arbeiten sind unerwartete interessante Effekte (z. B. nichtlineares Duffing-Verhalten, Peak-Aufspaltung) aufgetreten, welche im Anschlussvorhaben näher untersucht werden sollen. Eine Nutzungsmöglichkeit dieses Effektes zur breitbandigen Druckmessung bis in den nahen Hochvakuumbereich zeichnet sich ab. Zur Untersuchung der Wechselwirkung mit paramagnetischen Fluiden (insbesondere Sauerstoff) planen wir die Einbeziehung von Magnetfeldern mit starken Feldgradienten in den Testaufbau der Resonatoren. Aus der Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragestellungen erhoffen wir uns wertvolle Hinweise zur optimalen Auslegung resonanter Systeme für die jeweilige technische Anwendung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Jordanien
• Kooperationspartner: Dr. Abdallah Ababneh