Kompetenz - Simulation

Aufgabe der Simulation

Quantitatives Nachbilden des realen Verhaltens eines Systems (z.B. Gassensor, Funktionsprinzip eines Materials) auf der Grundlage von physikalischen oder chemischen Modellen.

Ziel der Simulation

Besseres Verständnis des Systems oder die gezielte Verbesserung des Systems.

Grundlegende Kompetenzen

Komplexen Funktionsmaterialien oder komplexen Sensoren liegen verschiedene physikalische Phänomene zugrunde. Im Bereich der Simulationen beschäftigt sich der Lehrstuhl Funktionsmaterialien hauptsächlich mit folgenden Themengebieten:

• Reaktion, Diffusions- und Konvektionsprobleme (z.B. für Gassensoren oder Abgaskatalysatoren)
• Temperaturprobleme (z.B. Heizer für Gassensoren)
• Elektrische Probleme (z.B. Spannungsverteilung bei nichthomogenen Schichten)
• Kopplungen zwischen den verschiedenen Problemen

Beispiel

Bei Hochtemperaturgassensoren spielt neben der Wechselwirkung des Analyten mit der gassensitiven Schicht (Diffusion, Reaktion) auch die Temperaturverteilung in der gassensitiven Schicht eine entscheidende Rolle. Aufgrund dieser Kopplung verschiedener Phänomene ist eine mathematisch analytische Behandlung nur selten möglich.

Dagegen ist eine numerische Behandlung der Phänomene in vielen Fällen möglich. Dazu sind am Lehrstuhl Funktionsmaterialien sind verschiedene Softwarewerkzeuge vorhanden.

Veranschaulichung

Anschaulich kann man die Kopplung von verschiedenen physikalischen Phänomenen an folgendem Beispiel darstellen:

Ein Gassensor soll auf etwa 400 °C geheizt werden. Dazu wird an eine siebgedruckte Platinschicht eine Spannung angelegt. Aufgrund des resultierenden Stromes wird am Widerstand der Metallschicht Wärme generiert. Diese Wärme verteilt sich über den Sensor. Ziel ist nun, die Temperaturverteilung im und auf dem Gassensor zu bestimmen. Die im Bild dargestellte Simulation der Temperaturverteilung wurde mit der Software ALGOR erstellt. Ein wichtiger Punkt bei der Simulation ist die Überprüfung mit realen Messergebnissen. Die im Bild dargestellte gemessene Temperaturverteilung stimmt sehr gut mit der simulierten Temperaturverteilung überein. Im Bild ist die simulierte und gemessene Temperaturverteilung einer Meso-Hot-Plate dargestellt. Die an den vier keramischen Armen aufgehängte Hot-Plate soll die Temperatur von 400 °C erreichen, der Rahmen soll möglichst auf Raumtemperatur bleiben. Auf der Hot-Plate wird dann eine gassensitive Schicht aufgebracht.

Kontakt:

Dr.-Ing. Jaroslaw Kita, Telefon: +49 921 55 7407 Jaroslaw.Kita@uni-bayreuth.de