יוצרים תובנות אודות חומרים פייזואלקטריים עבור זרימה אקוסטית בעזרת סימולציות נומריות

יוצרים תובנות אודות חומרים פייזואלקטריים עבור זרימה אקוסטית בעזרת סימולציות נומריות ב- ®COMSOL Multiphysics

סימולציות נומריות מסייעות לחוקרים להבין את התגובות ההדדיות בין גלים אקוסטיים על פני השטח לבין זרימה מיקרופלואידית.

התקנים מיקרופלואידיים הינם מפתח ליישומים רבים כגון חיישני מעבדה-על-שבב לאבחונים רפואיים וחיישני זרימה בעלות נמוכה, אך גודלם הקטן הופך את הנושאים של שאיבה אפקטיבית וערבוב נוזלים לאתגרים. ההתנהגות המכאנית בגיאומטריות בגודל של כמה מאות מיקרונים בודדים ופחות מזה עשויה להשתנות משמעותית ביחס להתנהגות ברמת המאקרו. זאת כיוון שבקנה מידה נמוך היחס בין אזור פני השטח של הנוזל לנפח שלו הוא הרבה יותר גבוה, וגורמים כגון מתח פנים, מעבר חום וצמיגות משחקים תפקיד חשוב יותר.
חוקרים במכללת SUNY לננו-מדע והנדסה (CNSE) באולבני, ניו-יורק, חוקרים את השימוש בגלים אקוסטיים על פני השטח (SAWs – surface acoustic waves) בהכללת זרימת נוזל כאפשרות להנעת נוזל. כיוון שקול נע במהירויות שונות בסובסטרטים ובנוזלים, נוצר פיזור בגל המשוגר אל תוך הנוזל בזווית. היחלשות עוצמת הלחץ של הגל גורמת לזרימה אקוסטית. במטרה לעצב התקנים כאלה בצורה יעילה, הבנת המאפיינים האקוסטיים בחומר פייזואלקטרי שנעשה בו שימוש בייצור SAWs הינו שלב ראשון קריטי.

בהקשר הזה, סימולציה נומרית יכולה להיות כלי מאוד עוצמתי לטובת קביעה, לדוגמא, של השפעת מתכות אלקטרודות שונות וגיאומטריות על התפשטות גל אקוסטי. התובנות המושגות יכולות לסייע בעדכון החלטות תכנון.
גרהאם פוטר, חוקר בוגר ב- CNSE, לומד את השימוש במגוון חומרים פייזואלקטריים עבור יישומים המשתמשים בזרימה אקוסטית. CNSE היא חלק משותפות אוניברסיטאית-תעשייתית ייחודית עם SEMATECH, קונסורציום מחקר בינלאומי בתעשיית המוליכים למחצה, שמטרתה לתקוף את האתגרים הקריטיים הקיימים בייצור בטכנולוגיה מתקדמת.
צוותו של פוטר מתכנן התקנים שבנויים עם סובסטרטים פייזואלקטריים כגון ˚128Y-cut lithium niobate (LiNbO3) . “זווית החיתוך נקבעת עם התייחסות לציר הקריסטלוגרפי. כיוון ספציפי זה היה בשימוש מסורתית במסנני bandpass בשל ההימצאות של גל ריילי, סוג של SAW, עם צימוד אלקטרומכני חזק המתפזר בכיוון אחד לאורך פני השטח”, הוא מסביר.

“בשל סיבה זו, מחקרים רבים בנושא זרימה אקוסטית בהם נעשה שימוש בחומר זה, הוגבלו להתקנים ליניאריים בעלי כיוון אחד. אנחנו מעוניינים בבניית ארכיטקטורות התקן מחזוריות או מיקודיות. עקב סיבה זו, ובשל האנאיזוטרופיות של הגביש, נזקקנו להבנה טובה יותר של מאפייני ההתפשטות של הגלים על פני כל השטח”, פוטר המשיך.
במבנה שלו, מערכי אלקטרודות מוזהבות, הידועות כמתמרים משולבים (IDTs – interdigitated transducers), מורכבים על סובסטרט פייזואלקטרי. זרם חלופי מופעל באלקטרודות וגורם לפני השטח לרעוד בהרמוניות בשל האפקט הפייזואלקטרי הנגדי, ונוצרים SAW. “ע”י שינוי הכיוון של התקני ניסוי אלו על פני השטח, תדר התהודה ותגובת הזרם האקוסטי יכולים להיקבע כפונקציה של כיוון התפשטות”, פוטר מסביר.

תאימות גבוהה מאוד בין הסימולציה לניסוי
סימולציות התבצעו עבור נטיות חומר רבות בעזרת ®COMSOL Multiphysics, ונבדקו כנגד התקנים שנבנו ב- CNSE. “מצאנו הסכמה גבוהה בין הסימולציות שלנו והמדידות הניסוייות. הדבר עודד את השימוש הנרחב ב- ®COMSOL Multiphysics בתהליך התכנון שלנו וממש האיץ את ההבנה שלנו אודות הבעיה”, אומר פוטר.
“לדוגמא, רצינו לאשר שגלי שטח עם תזוזות אנכיות גדולות יותר יהיו בעלי מהירויות זרימה גבוהות יותר. בפועל, היה באפשרותנו להתאים את תוצאות הסימולציות למהירויות זרימה שנמדדו בניסויים. פיסות מידע כמו זו עוזרות לשפוך אור על היבטים של הבעיה ומובילות בסופו של דבר להחלטות תכנון מוחשיות”.

פוטר השתמש בממשק ההתקנים הפייזואלקטריים של ®COMSOL Multiphysics לאנליזה במרחב התדר עבור המחקר הספציפי הזה. מהסימולציות שלו הוא יכול היה לקבוע את תדר התהודה ומהירות הפאזה של ה- SAWs, התחשבויות תכנון חשובות באופטימיזציה של גיאומטריית ההתקן עבור זרימה אקוסטית. “הצוות שלנו מעוניין באופטימיזציה של אפקט הזרימה דרך אמצעים רבים, וכיוון שעבודה זו היא מולטידציפלינרית מטבעה, היכולות המולטיפיזיקליות של ®COMSOL שימושיות מאוד. אנו מתכננים להמשיך להשתמש ב- ®COMSOL במחקר שלנו כדי לחקור השפעות של מספר פרמטרים בו זמנית על ביצועי ההתקן שלנו, זאת במטרה לצמצם את הזמן שמתבזבז על יצירת אב-טיפוס”.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL