COMSOL Molecular Flow Module 6.3
DESCRIPCIÓN
Molecular Flow Module es una herramienta de COMSOL Multiphysics que capacita al usuario para poder realizar diseños y simulación de flujo de gas de baja presión en sistemas de vacío.
CARACTERÍSTICAS
Los efectos cinéticos se hacen importantes a medida que el camino libre medio de las moléculas de gas se hacen comparables a la escala de longitud del fluido. Bajo esas condiciones, las herramientas de dinámica de fluidos convencionales no pueden producir un modelo preciso. Los regímenes de flujo se categorizan cuantitativamente por medio del número de Knudsen number (Kn) que representa la relación entre el camino libre molecular medio y el tamaño de geometría del fluido para los gases:
| Tipo de flujo | Número de Knudsen |
|---|---|
| Flujo continuo | Kn < 0.01 |
| Flujo deslizante | 0.01 < Kn < 0.1 |
| Flujo transicional | 0.1 < Kn < 10 |
| Flujo molecular libre | Kn > 10 |
Mientras el Microfluidics Module se utiliza para modelar flujos deslizantes y continuos, el módulo Molecular Flow Module está diseñado para simular con precisión flujos en los regímenes de flujo molecular libre y flujo trasicional.
Molecular Flow Module utiliza un método de coeficiente angular para simular flujos moleculares libres en régimen permanente. Los flujos moleculares isotérmicos y no isotérmicos se pueden modelar y la contribución del flujo de calor de las moléculas de gas se calculan automáticamente. El método de la velocidad discreta también viene incluido para la simulación de flujos transicionales.
Molecular Flow Module es ideal para la simulación de sistemas de vacío incluyendo los utilizados en el procesado de semiconductores, aceleradores de partículas y espectrómetros de masas. Las aplicaciones con pequeño canal (p. ej. exploración de gas de esquisito y flujo en materiales nanoporosos) también pueden ser tratadas.
Se han realizado una serie de mejoras en la interfaz Molecular Flow. Los procesos como la cámara de bombeo de vacío y el crecimiento de películas pueden ser diseñados y optimizados a través de simulación utilizando las funcionalidades para definir adsorción/desorción y deposición. La interfaz ha sido modificada para permitir el mallado únicamente de las superficies de la geometría, simplificando en gran medida la generación de la malla para geometrías CAD complejas. Finalmente se ha implementado funcionalidad para recuperar la densidad de número en cualquier punto dentro de la geometría del flujo.
SECTORES
Algunas de las principales aplicaciones del módulo pueden ser:
- Equipos de procesado de materiales
- Espectrómetros de masas
- Flujo nanoporoso
- Aceleradores de partículas
- Equipos de procesado de semiconductores
- Exploración de gas de esquisito
- Sistemas de vacío
VERSIONES
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 ofrece una nueva funcionalidad para identificar la simetría de planos de reflexión y aplicar simetría de sectores.
Condicion de simetría mejorada para flujo molecular libre
Una nueva condición global Symmetry para la interfaz Free Molecular Flow amplía la capacidad del nodo Plane Symmetry que ya estaba disponible en versiones anteriores. En 2D, ahora es posible especificar un plano de simetría simple o dos planos ortogonales. En 3D, ahora se puede especificar uno, dos o tres planos de geometría siempre que todos los planos sean mutuamente ortogonales.
Con esta funcionalidad, ahora puede también aplicarse simetría sectorial a los modelos. Esto se puede hace de dos maneras diferentes: seleccionando los contornos en el plano de inicio y el plano final de un sector único (o celda unidad) de la geometría simétrica, o, cuando la geometría del modelo se considera la mitad de un único sector, seleccionando el plano de inicio y un plano de reflexión.
Ejemplo de simetría de sector de 6 pliegues, modelado utilizando la interfaz Free Molecular Flow. Los sectores transparente no forman parte explícitamente de la geometría del modelo.
5.3
NOVEDADES
Esta nueva versión incluye una nueva condición de contorno de Simetría de plano para modelar geometrías simétricas y un nuevo modelo tutorial de bomba turbomolecular.
Condición de Simetría de plano para Flujo molecular libre
La nueva condición de contorno Simetría de plano se ha añadido para permitir la especificación de un plano de simetría en modelos 2D, 2D axisimétricos y 3D. Cuando existe simetría, esta funcionalidad permite mallar y resolver tan solo la mitad de la geometría, lo que reduce significativamente los requisitos de memoria y CPU para grandes modelos.
Densidad de número (1/m3) dentro de una cámara de vacío alimentada con un pequeño tubo capilar, modelado utilizando la mitad de la geometría con una Simetría de plano.
Nuevo tutorial: Bomba turbomolecular
La interfaz de Flujo de moléculas libres disponible en el módulo Molecular Flow es una herramienta eficiente para modelar gases extremadamente raros cuando las moléculas de gas se mueven mucho más rápidas que cualquier entidad geométrica en el dominio. Para bombas turbomoleculares, en las que las palas se muevan a velocidades comparables con la velocidad térmica de las moléculas de gas, se necesita una aproximación de Monte Carlo.
En este ejemplo, se calculan las trayectorias de las moléculas de gas en el espacio vacío entre dos palas rotatorias de una bomba turbomolecular. El modelo utiliza la nueva funcionalidad de Marco rotativo, que aplica fuerzas centrífugas y de Coriolis a las partículas, permitiendo calcular las trayectorias en un marco de referencia no inercial que se mueve con las palas rotatorias. El efecto de la velocidad de las palas en el factor de compresión se muestra utilizando un Barrido paramétrico.
Nota: El modelo del ejemplo también requiere Particle Tracing Module.
Pantallazo del modelo tutorialo Turbomolecular Pump. A medida que la velocidad de las palas crece, las moléculas tienen una mayor probabilidad de transmitirse hacia adelante a través de la bomba y menor probabilidad de transmitirse hacia atrás, como se muestra en la tasa de compresión creciente.
5.2
Nueva app: Simulador de célula de intercambio de carga
Una célula de intercambio de carga consta de una región de gas a una elevada presión dentro de una cámara de vacío. Cuando un haz de iones interactúa con el gas de más alta densidad, los iones experimentan reacciones de intercambio de carga con el gas, creando partículas energéticamente neutras. Es probable que únicamente una fracción de los iones del haz se verán sometidos a reacciones de intercambio de carga. Por lo tanto, para neutralizar el haz, se posicionan fuera de la célula un par de placas deflectoras cargadas. De esta manera puede producirse una fuente energéticamente neutra.
La app Charge Exchange Cell Simulator simula la interacción de un haz de protones con una célula de intercambio de carga que contiene argón neutro. Las entradas del usuario incluyen varios parámetros geométricos para la célula de gas y la cámara de vacío, propiedades del haz, y las propiedades de las placas cargadas que se utilizan para deflectar los iones remanentes.
La app de simulación calcula la eficiencia de la célula de intercambio de carga, medida como la fracción de iones que son neutralizados, y registra las estadísticas sobre la diferencia de tipos de colisiones que ocurren.
Interfaz de usuario para la app Charge Exchange Cell Simulator.
5.1
NOVEDADES
Nueva app: Evaluación de implantador de iones
| Esta app examina la densidad de número, presión y flujo molecular dentro de un dispositivo de implantación de iones. Como entradas están el ángulo de la oblea, la composición química, temperatura, tasa de liberación de gases y velocidad de bombeo. Los resultados visuales incluyen gráficos 3D de la densidad de número, mientras que los resultados analíticos dan la densidad de número medio a lo largo de la línea de haz. |  Pantallazo de la app de un evaluador de la implantacion de iones que muestra la distribucion de densidad de número, a través del dispositivo, y su media a lo largo de la línea de haz. |
Mejoras numéricas para cálculos de flujo molecular libre más rápidos
La interfaz de flujo molecular libre se ha paralelizado de forma más eficiente, permitiendo que se utilicen eficientemente más núcleos durante el cálculo. La tabla inferior muestra la mejora de velocidad en tres modelos tutoriales que se corrieron en COMSOL Multiphysics 5.1, en comparación a la versión previa. Para correr las simulaciones se utilizó una máquina con 10 núcleos.
Mejoras del rendimiento en modelos seleccionados de la Librería de Aplicaciones
| Tutorial | Tiempo de CPU (5.0) | Tiempo de CPU (5.1) | Mejora de velocidad |
|---|---|---|---|
| Evaporator | 2h 24m 4s | 18m 31s | 7.8 |
| Outgassing Pipes | 2m 57s | 45s | 3.9 |
| Ion Implanter | 5m 15s | 2m 1s | 2.6 |
Múltiples especies para flujo molecular
Ahora es posible modelar múltiples especies en la interfaz de flujo molecular libre.
Nueva opción para especificar la tasa de liberación de gases
La tasa de liberación de gases ahora puede ser especificada en unidades de [(torr*l)/cm^2/s] o [(mbar*l)/(cm^2/s)] (La unidad SI equivalente es W/m2). Ahora se puede utilizar estas unidades en la nueva funcionalidad de tasa de desorción térmica cuando se escoge la opción de pared Outgassing en la condición de contorno de Pared.
Nuevo tutorial: Deposición de vapor químico con vacío ultra alto
La deposición de vapor químico (CVD) es un proceso utilizado a menudo en la industria de semiconductores para hacer crecer capas de material sólido de alta pureza sobre un sustrato de oblea. CVD se obtiene utilizando muchas técnicas diferentes y un rango de presiones, desde atmosférica hasta vacío ultra alto (UHV/CVD). Como que la UHV/CVD se realiza a presiones por debajo de 10-6 Pa (10-8 Torr), el transporte del gas se alcanza por flujo molecular y carece de cualquier efecto hidrodinámico como capas límite. Además, al carecer de química de fase gaseosa (debido a la baja frecuencia de las colisiones moleculares), la tasa de crecimiento será determinada por la densidad de número de especies y los procesos de descomposición molecular de superficie.
Este tutorial utiliza múltiples especies en la interfaz Free Molecular Flow para modelar el crecimiento de las obleas de silicio a partir de CVD. Se explora el efecto de diferentes curvas de bombeo después de correr un barrido auxiliar.
El gráfico muestra la fracción de flujo molecular de SiH4 en la cinta de oblea durante la deposición química de vapor a vacío ultra alto.
5.0
Reconstrucción de densidad de número
Ahora es posible reconstruir la densidad de número en contornos con simetría axial.
Nuevo modelo tutorial: Celda de intercambio de cargas
Las celdas de gas tienen varias aplicaciones en diseño de instrumentos científicos. Una celda de gas se utiliza para definir una región de alta presión dentro del principal sistema de vacío de la instrumentación. Por ejemplo, en esta nota de aplicación se diseña una región de alta presión de longitud de 100 mm con una presión operativa de 1e-3 Torr dentro de la celda de colisión y una presión del sistema de vacío principal de 1e-5 Torr. En espectrometría de masa, las aplicaciones típicas son la eliminación de interferencias espectrales de masa en Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICPMS) o como una celda de colisión que promueve reacciones ion molécula o fragmentación en espectrometría de masa en tándem (MS-MS). Este modelo requiere el módulo Particle Tracing Module.
Celda de Intercambio de Carga: Una celda de gas es utilizada para definir una región de alta presión dentro del sistema de vacío principal de un instrumento. En espectrometría de masa las aplicaciones más típicas son eliminar interferencias espectrales de masa en Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICPMS) o como una celda de colisión promover reacciones ion molécula o la fragmentación en espectrometría de masa en tándem (MS-MS).
