Technická univerzita Viedeň (TU Wien) publikovala 17. januára 2022 článok, v ktorom informuje o vývoji novej výpočtovej metódy pre mikromechanické senzory.

Vlastnosti kvapalín alebo plynov je možné merať pomocou malých oscilujúcich doštičiek. Na Technickej univerzite vo Viedni (TU Wien)  bola teraz vyvinutá nová metóda výpočtu pre mikromechanické senzory.

„Mikromechanické senzory spájajú dva rozdielne svety – na jednej strane svet elektroniky a digitálnych signálov, na druhej strane fyzicky hmatateľnejší svet mechaniky.“

Opísať spojenie medzi týmito dvomi oblasťami nie je často jednoduché a tak  doteraz absentoval komplexný model, ktorý by sa dal použiť na presný opis malých doštičiek, alebo hranolov, ktoré sú prinútené oscilovať prostredníctvom  elektrickými efektov. Výskumným pracovníkom na Technickej univerzite vo Viedni (TU Wien) sa teraz podarilo vyvinúť takýto model vo vynikajúcej zhode s výsledkami meraní.

„Nový model umožní aplikáciu malých senzorov, ktoré možno použiť na presné a jednoduché meranie vlastností kvapalín alebo plynov.“

Charakterizujte kvapaliny pomocou oscilujúcich mikrodoštičiek

Vibračné správanie mikroštruktúr v podstate závisí od dvoch faktorov, od  ich geometrie a od ich prostredia. Ak sa mikroštruktúra nachádza napríklad vo viskóznej kvapaline, vibrácie sa tlmia a frekvencia vibrácií sa mení.

Ulrich Schmid (TU Wien) vysvetlil: „Takto sa dajú veľmi rýchlo odhaliť zmeny v prostredí. Napríklad pomocou mikroelektromechanického senzora v olejovej nádrži by sa dalo sledovať, či má olej stále správnu viskozitu, alebo či sa jeho vlastnosti vplyvom starnutia zmenili a je potrebné ho vymeniť.“

Ak však chcete vypočítať vibračné správanie týchto drobných štruktúr, narazíte na množstvo ťažkostí: Hoci existujú výpočtové modely na popis vibrácií malých hranolov, alebo doštičiek, tieto vibrácie musia byť vypočítané v súvislosti so správaním sa okolitej kvapaliny, resp. okolitého plynu, takže je potrebné navzájom prepojiť mechaniku vibrácií a dynamiku tekutín.

Ako dodal André Gesing (TU Wien): „Numericky je to značne zložité, aj preto, že pracujete s rôznymi rozmermi. Priemer oscilujúcich štruktúr je v rozsahu milimetrov až mikrometrov, zatiaľ čo amplitúda oscilácií je v rozsahu nanometrov. Tento rozdiel o viac ako tri rády, je dôvodom prečo konvenčné metódy konečných prvkov, aké sa doteraz používajú v mnohých iných oblastiach výskumu na analýzu vibrácií, v tomto prípade rýchlo dosiahnu svoje hranice.“

Nový model je všestranný a presný

André Gesing, Daniel Platz a Ulrich Schmid z Inštitútu pre senzorové a akčné systémy na Technickej univerzite vo Viedni (TU Wien) teraz uspeli vo vývoji metódy, ktorá prekonáva všetky tieto ťažkosti a je tiež oveľa komplexnejšia ako predchádzajúce modely.

Ako komentoval Daniel Platz (TU Wien): „Odteraz je možné analyzovať mikroštruktúry rôznych tvarov a veľkostí pomocou rôznych úrovní tlmenia.“

Teraz je tiež možné predpovedať, ktoré štruktúry sú pre ktorú aplikáciu najsľubnejšie. Experimenty ukazujú, že nový výpočtový model je vo vynikajúcej zhode s nameranými údajmi.

Tieto zistenia sú dôležité nielen pre výrobu senzorov, ale aj pre mikroskopiu atómovej mriežky. Tu sa meria vibrácia extrémne jemných ihiel, aby sa získali informácie o povrchu, ktorý sa má zobrazovať bod po bode. Nový model by mal teraz pomôcť aj pri vývoji nových senzorov pre mikroskopiu síl atómovej mriežky, najmä pri skúmaní biologických vzoriek v kvapalinách. Ďalšou oblasťou využitia je „prediktívna údržba“ (Predictive Maintenance)  hydraulických komponentov. Mikrosenzory môžu byť integrované priamo do takýchto komponentov a tak poskytovať nepretržité údaje o kvalite oleja. Týmto spôsobom je možné predchádzať poruchám systému v počiatočnom štádiu a minimalizovať prestoje súvisiace s údržbou.

Ako dodal na záver Daniel Platz: „Tieto základné zistenia, ktoré sme teraz získali, sú základom pre ďalšie ciele, ktoré ďalej sledujeme. V súčasnosti pracujeme na zlepšení mikromechanických senzorov a zvýšení ich aplikačného potenciálu. Nebudeme sa zaoberať iba interakciou medzi štruktúrou a okolitými tekutinami, ale aj otázkou, ako znížiť ostatné mechanizmy energetických strát na minimum. Na základe týchto výskumov chceme vyvinúť mikromechanické senzory s veľmi kvalitnými faktormi, ako sú tie, ktoré sa používajú v kvantovej senzorike.“

Viac informácií:

A. Gesing, D. Platz, U. Schmid, A numerical method to determine the displacement spectrum of micro-plates in viscous fluids, Computers&Structures, 260, 106716 (2022)., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Mikro-Sensoren überwachen Flüssigkeitseigenschaften, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
Auszeichnung für TU-Mikrosensor, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
Wein, Blut und Motoröl – ein Sensor für viele Flüssigkeiten

Zdroj: https://www.tuwien.at, zverejnené: 28. 1. 2022, autor: Dr. Blanka Hermanová, rpa