Simulation mikrofluidischer, auf Electrowetting basierender Assemblierungs-, Depositions- und Positioniersysteme durch Partikelmethoden.

• Antragsteller: Dr. Andreas Greiner, seit 11/2010
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 99066037

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Derzeit kommerziell relevante Applikationen, die den Elektrowetting-Effekt ausnutzen, fokussieren quasi-statische Topfen- Kontaktwinkel und translatorische Bewegungsmuster. Mittels harmonischer Anregungen für Oberflächenenergien bzw. Maxwell-Stress kann der Weg für neuartige Anwendungsszenarien, wie beispielsweise effiziente digitale Mischer, geebnet werden. Die Darstellung und Ausnutzung komplexer, dynamischen Vorgänge macht eine genaue Analyse der Tropfenform, der Geschwindigkeitsverteilung und Wirbeldichten im Inneren notwendig, was mit Hilfe numerischer Methoden erfolgen soll. Die Diskretisierung mittels smoothed particle hydrodynamics (SPH) hat sich dabei in mehrfacher Hinsicht als vorteilhaft für die Durchführung der Abeiten erwiesen, insbesondere in Zusammenhang mit einer genauen Methode zur Berechnung der Oberflächenspannungen. Auf den SPH Diskretisierungspunkten kann nun mit der moving least squares (MLS) Methode die Laplace-Gleichung gelöst und das elektrische Feld berechnet werden. Der Elektrowetting-Effekt läßt sich dann mit der Korteweg-Helmholtz body force oder mit einem vereinfachten, auf veränderliche Oberflächenspannungen basierenden Modell manifestieren. Berechnung von Resonanzfrequenzen mittels Modalanalyse, Simulation von komplexen Flüssen, die genaue Berechnung von zeitabhänginger Tropfendynamik unter die Einkopplung elektrischer Felder waren notwendige Arbeitspakete, die Entwicklung von mode shapes in Zeit und Frequenzbereich, die Entwicklung von Verwirbelung wesentliche Observablen. Im Hinblick auf Mischvorgänge kann das entwickelte System als ein Werkzeugkasten verstanden werden: Maxwell stress, ausgedrückt durch mode shapes und Elektrodengeometry ausgdrückt durch Translationsmuster können maßgeschneidert und auf bestimmte Längenskalen und Transportparameter hin optimiert werden um praxisrelevante Systeme zu konzipieren. Perspektiv sind andere Applikationen denkbar, die dynamische Kontaktwinkeländerungen bedingen und eine genaue Charakterisierung der Transportvorgänge notwendig machen. Eine Fragestellung für mögliche zukünftige Forschung ist die quantitative Verbindung von Tropfenform bzw. shape modes, Tropfen Fluß bzw. Konvektion, Durchmischung bzw. Entropie und eine entdimensionalisierte Erfassung dieser Charakteristika.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Particle dynamic methods for microsystem applications Proceedings of the 4th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, SEMC 2010, 2010
  JG Korvink, D Kauzlaric, D Weiß, J Lienemann, O Liba, Y Hanein, A Greiner
  
• Insight into the micro scale dynamics of a micro fluidic wetting-based conveying system by particle based simulation, Microsyst Technol, 2012; 18 (4): 523-530
  J Lienemann, D Weiß, A Greiner, D Kauzlaric, O Gruenert, JG Korvink
  
• Smoothed particle dynamics based numerical investigation on sessile, oscillating droplets, Philos T R Soc A, 2011; 369 (1945): 2565-2573
  D Weiß, J Lienemann, A Greiner, D Kauzlaric, JG Korvink
  
• Electrowetting droplets investigated with smoothed particle hydrodynamics and moving least squares, 2012 (7th IEEE NEMS 2012, Kyoto), IEEE (Hrsg)
  D Weiß, A Greiner, J Lienemann, JG Korvink