Thermomechanische und optische Simulation monolithischer Polymer-Sensorsysteme

Komplexe optische Sensorsysteme werden zunehmend monolithisch aus Polymeren hergestellt, da diese Materialklasse kostengünstig und leicht zu prozessieren ist. Für technische Anwendungen sollen diese Systeme in Zukunft idealerweise großflächig hergestellt und zur Bestimmung von Messgrößen wie etwa Temperatur, Druck oder auch Dehnung beispielsweise in der Prozessüberwachung eingesetzt werden. Darüber hinaus sind viele Polymere biokompatibel und bieten ein breites Einsatzspektrum in der Medizin und in den Lebenswissenschaften. Polymere weisen allerdings im Gegensatz zu klassischen Materialien wie Quarzglas oder Silizium eine höhere Empfindlichkeit gegenüber thermischer und mechanischer Beanspruchung auf. Dies kann einerseits gezielt für sensorische Anwendung genutzt, muss aber ander-seits als ungewünschter Störeinfluss bei der optischen Auslegung berücksichtigt werden. Klassische Optikdesignprogramme bieten aktuell keine Simulationswerkzeuge, die über eine reine Optiksimulation hinausgehen und sind somit speziell für Polymeroptiken und polymerbasierte optische Messsysteme ungeeignet.

Ziel dieses Teilprojekts ist die erstmalige Kombination unterschiedlicher optischer Simulations-methoden zur Auslegung von optischen und mikrooptischen Sensorstrukturen mit Finite-Elemente-Methoden zur Simulation der thermischen und mechanischen Sensoreigenschaften. Durch die Kombination dieser Methoden wird ein neues Werkzeug geschaffen, mit dessen Hilfe erstmals polymerbasierte Sensorstrukturen unter Berücksichtigung relevanter physikalischer Parameter wie der thermischen Ausdehnung oder dem rheologischen Materialverhalten vollständig simuliert und optimiert werden können. Das Simulationswerkzeug soll ein tieferes Verständnis der relevanten optischen und thermomechanischen Eigenschaften komplexer sensorischer Systeme ermöglichen und dadurch das Anwendungspotential besser ausschöpfen. Zur Berechnung der Lichtpropagation werden neben klassischer Strahlenoptik auch mathematische Ansätze wie Coupled-Wave Methoden oder Finite-Difference-Time-Domain Methoden eingesetzt, um Sensorstrukturen auf unterschiedlichen Größenskalen zu erfassen. Konkret soll der Fokus der Simulation auf dem Design von polymeroptischen Sensorstrukturen und komplexen Sensornetzwerken etwa zur sensitiven Erfassung von Größen wie Druck, Deh-nung und Temperatur sowie von adaptiven Mikrooptiken für die Mikroskopie liegen. Diese Systeme werden zur experimentellen Validierung der Simulationsansätze herangezogen.