Module Molecular Flow

Comprendre et prédire les écoulements moléculaires libres

Le module Molecular Flow est un add-on de la suite logicielle COMSOL Multiphysics® dédié à la conception de systèmes sous vide et à la compréhension et la prédiction d'écoulements gazeux basse pression dans le régime moléculaire libre. Historiquement, les écoulements dans ces régimes ont été modélisés à l'aide de la méthode de simulation numérique directe de Monte Carlo (DSMC). La méthode DSMC calcule les trajectoires d'un grand nombre de particules aléatoires à travers le système, mais a l'inconvénient d'introduire un bruit statistique dans le processus de modélisation. Pour des écoulements à basse vitesse, comme ceux que l'on rencontre dans les systèmes sous vide, le bruit introduit par la DSMC rend les simulations irréalisables. Le module Molécular Flow utilise une approche déterministe complètement exempte de ce bruit statistique et fournit une méthode rapide et pratique pour simuler des écoulements à faibles vitesses.

Contacter COMSOL
Un système sous vide montrant la fraction de flux moléculaire dans la palette de couleurs Prisme.

Modélisation précise d'écoulements de gaz à basse pression et basse vitesse

Le module Molecular Flow est idéal pour simuler des systèmes sous vide, incluant ceux utilisés dans les procédés de fabrication des semiconducteurs, les accélérateurs de particules, et les spectromètres de masse. Les applications impliquant des petits canaux, comme l'exploitation du gaz de schiste ou des écoulements dans des matériaux nanoporeux, peuvent également être adressées.

La méthode du coefficient angulaire est utilisée dans le module pour simuler des écoulements moléculaires libres en régime stationnaire, permettant de calculer les flux moléculaires, la pression et les flux de chaleur au niveau des surfaces. La densité de population peut être reconstruite au sein des domaines, surfaces, arêtes ou points à partir des flux moléculaires des surfaces alentour. Il est également possible de modéliser des écoulements moléculaires isothermes et non isothermes et de calculer les contributions des molécules de gaz aux flux de chaleur.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Molecular Flow

Concevez des systèmes sous vide et prédisez les écoulements de gaz à basse pression.

Une vue rapprochée d'un modèle de chambre à vide dans la palette de couleurs Disco.

Systèmes de vide

Etudier des systèmes de vide à pompage différentiel.

Une vue rapprochée d'un modèle de vide dans la palette de couleurs Disco.

Dépôt chimique en phase vapeur sous ultra vide (UHVCVD)

Modéliser la croissance de wafers de silicium en utilisant plusieurs espèces.

Une vue rapprochée d'un modèle de cellule à transfert de charges dans la palette de couleurs Aurora Borealis.

Cellules à transfert de charges

Simuler l'interaction d'un faisceau de protons avec une cellule à transfert de charges.

Une vue rapprochée d'un modèle d'implanteur d'ions avec un wafer.

Implantation d'ions

Optimiser les procédés d'implantation d'ions pour doper les wafers de semiconducteurs.

Une vue rapprochée d'un modèle d'évaporateur thermique montrant l'épaisseur du film.

Evaporation thermique

Calculer l'épaisseur d'un film d'or déposé par évaporation thermique.

Une vue rapprochée d'un modèle de chambre à vide dans la palette de couleurs Thermal wave.

Adsorption et désorption

Etudier l'adsorption et la désorption dans des systèmes sous vide à basses pressions.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Molecular Flow

Le module Molecular Flow fournit des fonctionnalités pour simuler de façon précise des écoulements dans le régime moléculaire libre.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Ecoulement moléculaire libre en surbrillance, et un modèle d'implanteur d'ions dans la fenêtre graphique.

Ecoulement moléculaire libre

L'interface Ecoulement moléculaire libre est disponible pour une simulation précise des écoulements de gaz hautement raréfiés. Cette interface résout les flux moléculaires au niveau des frontières de la géométrie et inclut des options pour calculer la densité de population, la pression ainsi que les flux de chaleur aux frontières. Cette interface permet de réaliser une simulation à partir d'un maillage uniquement surfacique. Pour reconstruire la densité de population au sein du domaine, un maillage volumique peut aisément être ajouté. Avec l'interface Ecoulement moléculaire libre, les simulations d'écoulements moléculaires peuvent être réalisées à partir de modèles CAO réels.

Une vue rapprochée des réglages de l'Ecoulement moléculaire libre et un modèle benchmark de coude en S dans la fenêtre graphique.

Méthode du coefficient angulaire

Pour des écoulements très raréfiés, l'interface Ecoulement moléculaire libre utilise la méthode du coefficient angulaire, une approche déterministe et plus rapide que les méthodes basées sur des particules. Cette méthode est bien plus précise que les méthodes de conductance approchée pour le calcul de la pression et de la densité de population. Elle permet également de gérer facilement plusieurs espèces de gaz simultanément.

Une vue rapprochée des réglage d'Electrostatique et un modèle de cellule à transfert de charges dans la fenêtre graphique.

Analyses multiphysiques étendues

Le module Molecular Flow peut être combiné à d'autres modules de la suite COMSOL pour étendre les fonctionnalités permettant d'effectuer des simulations multiphysiques. En combinant les modules, les données d'autres modules, des champs de variables et des paramètres par exemple, peuvent être utilisées dans le module Molecular Flow via des couplages d'interfaces. En combinant le module Molecular Flow au module Particle Tracing par exemple, l'interface Ecoulement moléculaire libre — utilisée pour calculer la densité de population d'arrière-plan — peut être couplée à l'interface Suivi de particules chargées pour simuler les collisions enre les particules et les atomes neutres ambiants.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Paroi en surbrillance et un modèle d'évaporateur dans la fenêtre graphique.

Conditions aux limites

Le module Molecular Flow propose une grande variété de conditions aux limites pouvant être appliquées à un modèle. Des fonctionnalités prédéfinies permettent d'imposer la pression due à un grand réservoir adjacent, ou le vide total, sur une frontière. Il est également possible de préciser directement la température de surface pour des écoulements moléculaires non isothermes. Le module permet en outre de spécifier des paramètres tels que le débit de pompage et la fraction de molécules adsorbées ou d'imposer directement le taux d'adsorption sur n'importe quelle surface. Le module propose également des fonctionnalités pour modéliser des sources d'évaporation et pour spécifier un flux émis depuis une surface en utilisant des valeurs numériques ou bien des expressions arbitraires.

Le module Molecular Flow comprend en outre diverses conditions aux limites pour la modélisation de différents types de surfaces solides dans des systèmes sous vide. Une frontière peut par exemple être définie à l'aide de la fonctionnalité Paroi, avec laquelle des molécules incidentes sont réfléchies de façon diffuse depuis la surface. On peut aussi utiliser la fonctionnalité Paroi de dégazage, grâce à laquelle les molécules incidentes sont réfléchies de façon diffuse et les molécules additionnelles sont dégazées de façon diffuse. L'option Adsorption/Désorption peut être utilisée de façon à ce qu'une fraction des molécules incidentes soit absorbée tandis que le reste des molécules sont réfléchies de façon diffuse. Enfin, l'option du type de paroi Déposition peut être utilisée pour modéliser une surface sur laquelle les molécules s'accumulent.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Ecoulement transitionnel en surbrillance et une géométrie de coude en S dans la fenêtre graphique.

Ecoulement transitionnel

Le module Molecular Flow peut être utilisé pour simuler des écoulements moins raréfiés que des écoulements moléculaires libres, mais plus raréfiés que des écoulements de glissement. Il s'agit généralement d'écoulements raréfiés allant de la limite de Navier-Stokes à la limite de l'écoulement moléculaire. L'interface Ecoulement transitionnel, spécialement conçue pour ce type d'écoulement raréfié, est basée sur une méthode à vitesses discrètes. Avec cette approche, un ensemble fini de vitesses est choisi pour représenter toutes les vitesses potentielles des molécules. Les atomes sont ensuite attribués à ces intervalles de vitesse, et l'interface calcule la densité de population dans chaque intervalle. Une équation de convection est résolue dans les domaines, complétée par un terme de dispersion qui repositionne les molécules entre les intervalles. Le module propose également une gamme de conditions aux limites pour faciliter la mise en place du modèle. Les simulations d'écoulements transitionnels étant exigeantes en termes de ressources de calcul et nécessitant une puissance de traitement et un temps considérables, elles sont plus efficaces lorsque la géométrie du modèle peut être simplifiée.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

Il vous suffit de cliquer sur le bouton "Contacter COMSOL", d'indiquer vos coordonnées et tout commentaire ou question spécifique, avant de soumettre votre demande. Vous recevrez une réponse d'un représentant de COMSOL très rapidement.

Prochaine étape:

Demander une démonstration du logiciel