Resonanzverhalten von schwingenden Mikrostrukturen in Flüssigkeiten
Die physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten sind in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens von zentraler Bedeutung. Von der Viskosität des Maschinenöls im Motor hängt ab, ob die Kolben noch richtig geschmiert werden oder ob ein Ölwechsel nötig ist. Die Viskosität des klebrigen Bitumens im Asphalt sagt uns, ob der Asphalt noch stabil ist, oder erneuert werden muss. Aus der Dichteänderung während der Weinfermentation kann man ableiten, ob der Prozess wie gewünscht abläuft, und auch die Viskosität von Blut spielt für medizinische Fragestellungen eine wichtige Rolle. Wir Menschen sind jedoch nicht mit jenen Sinnen ausgestattet, die die Viskosität und die Dichte von Flüssigkeiten präzise bestimmen können. Aus diesem Grund sind wir auf kleine Helferlein angewiesen – sogenannte Sensoren.
Georg Pfusterschmied erforschte im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Sensor und Aktuatorsysteme unter der Leitung von Prof. Ulrich Schmid das Verhalten von resonanten Mikrostrukturen in Flüssigkeiten und deren sensorische Anwendungen. Dafür hat er am 4. Dezember 2019 den Dr. Ernst Fehrer-Preis erhalten.
Resonant schwingende Mikrostrukturen erfahren in Flüssigkeiten hohe viskose Dämpfungen, was die Einsatzmöglichkeit in der Flüssigkeitssensorik stark einschränkt. Im Rahmen seiner Arbeit wurde deshalb an Optimierungsmethoden von piezoelektrisch angeregten Mikroresonatoren für Anwendungen in der Flüssigkeitssensorik geforscht. Das bevorzugte Resonatordesign ermöglicht sowohl eine Anregung der Grundschwingung als auch Schwingungen höherer Ordnung. Es kommt ein maßgeschneiderter Ansatz zur Auslegung der Elektrodenstruktur zum Einsatz, um beim Auslesen der elektrischen Sensorsignale eine möglichst hohe Sensitivität für jede Schwingungsmode zu gewährleisten. Zusätzlich wird die mechanische Aufhängung der Mikroresonatoren an die Knotenlinien der jeweiligen Schwingungsform angepasst, um Ankerverluste ins Substrat zu minimieren und einen minimal von der Aufhängung beeinflussten Schwingungszustand zu erreichen.
Diese Optimierungsansätze sind nicht nur für Sensorikanwendungen in hochviskosen, fluidischen Medien wie Bitumen wichtig, sondern eine Grundvoraussetzung, wenn eine hochgenaue Bestimmung der Viskosität und der Dichte von Flüssigkeiten angestrebt wird.