Ultralydslevitation og dens industrielle anvendelser
Ultralydslevitation / akustisk levitation er en industrielt gennemprøvet mulighed for berøringsfri understøttelse af lette, følsomme materialer samt berøringsfri prøvehåndtering. Læs mere om ultralydslevitation og dens anvendelser i industri og videnskab!
Anvendelser af ultralydslevitation
Akustisk levitation er en videnskabeligt dokumenteret metode, der anvendes i industrien til berøringsfri materialehåndtering og prøvepositionering. Ultralydslevitation anvendes som en berøringsfri håndteringsmetode til at manipulere emner med følsomme overflader og skrøbelige emner, f.eks. wafere, mikrochips eller tynde glasplader, uden mekanisk påvirkning. På grund af den berøringsfri håndtering af materialer og prøver er ultralydslevitation blevet implementeret i industrielle, videnskabelige og analytiske anvendelser.
I industrien anvendes ultralydslevitation som en pålidelig metode til berøringsfri behandling uden beholdere af mikrochips og andre små, sarte genstande, der kan beskadiges selv ved let fysisk kontakt. Et andet anvendelsesområde er håndtering af materialer med meget høj renhed eller kemiske reaktanter, som ville blive påvirket af en beholder.
Levitationspositioner for polypropylenkugler i en enkeltakset akustisk levitator. Levitator / sonotrode øverst, reflektor nederst (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(undersøgelse og billeder: © Andrade et al. 2018)
Inden for kemi kan svævende dråber fungere som reaktionsbeholdere i miniatureformat, så forskere kan kombinere reagenser og observere reaktioner, samtidig med at kontaminering fra beholdervæggene reduceres.
Materialeforskere bruger leviterede prøver til at undersøge fordampning, krystallisation og partikeldannelse, mens forskere inden for analytisk forskning kan undersøge svævende prøver med optiske og spektroskopiske teknikker.
Specialiserede akustiske håndteringssystemer understøtter også transport af skrøbelige komponenter, herunder siliciumwafere, mikrochips og tyndt glas, med mindre risiko for mekaniske skader.
For væskerobotter med partikelpanser (PBs) tilbyder akustisk levitation en lovende forskningsretning: transport af indkapslede reagenser, sammenføring af dråber til kontrollerede reaktioner og overførsel af robotter mellem behandlingsstationer, samtidig med at kontakten med omgivende overflader minimeres. Læs mere om akustisk levitation af væskerobotter med partikelpanser!
- genstande, der er følsomme over for fysiske kræfter (f.eks. mikrochips)
- ikke-ledende materialer
- materialer med høj renhed
- kemiske reaktanter
- biologiske, analytiske prøver
- proteiner til krystallografi
Funktionsprincippet for ultralydslevitation
Akustisk levitation beskriver anvendelsen af ultralydsbølger i et fluid, sædvanligvis en gas (f.eks. luft). Når ultralydsbølgen bevæger sig gennem gassen, modvirker lydbølgen tyngdekraften – med det resultat, at genstande kan svæve frit i luften uden understøttelse. Denne effekt, hvor en genstand svæver frit i en lydbølge, kræver fænomenet en stående bølge. En stående bølge dannes, når to identiske bølger fra modsatte retninger superponeres. Derfor bruges en ultralydstransducer i en opstilling til akustisk levitation til at skabe longitudinale trykbølger, og en reflektor på den modsatte side reflekterer bølgerne, så de identiske bølger fra begge sider kan overlappe og danne en stående bølge.
Akustisk levitation af en lille, stiv kugle ved trykknuden i en plan stående bølge, der er etableret mellem en transducer/levitator og en reflektor.
(undersøgelse og billeder: © Andrade et al. 2018)
Knuder og buge: Den longitudinale trykbølge fra intens ultralyd gør det muligt at svæve berøringsfrit i luften. Sådanne stående ultralydsbølger har veldefinerede knuder. En knude er området med det laveste tryk, mens en bug defineres som området med det højeste tryk. Knuderne i en stående bølge spiller en central rolle i akustisk levitation.
Ultralydslevitatorer fungerer ved at placere det stående bølgefelt over en ultralydssonde (dvs. en sonotrode) og bruge en reflektor.
Udstyr til ultralydslevitation
Hielscher Ultrasonics har mange års omfattende erfaring med konstruktion, fremstilling og distribution af ultralydsudstyr af høj kvalitet og med høj ydeevne. Til akustisk levitation tilbyder Hielscher to standardtyper af levitatorer:
- UP100H – en levitator på 30kHz, 100 W
- UP400ST – en levitator på 24kHz, 400W
- UIP500hdT – en levitator på 20kHz, 500W
Ultralydsprocessoren UP400St er et kompakt system, hvor transducer og generator er samlet i et robust kabinet. Den kraftige levitator UIP500hdT på 500 watt har separat transducer og generator. Med sin transducer med kapslingsklasse IP64 er UIP500hdT ideel til installation i krævende miljøer.
Ultralydslevitatorer kan installeres som en enkelt enhed eller parallelt og kan anvendes i proceslinjer med høj hastighed og høj behandlingskapacitet.
Til specifikke krav konstruerer og fremstiller Hielscher Ultrasonics også kundetilpassede og proprietære levitatorer.
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur / Referencer
- Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
- Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
- Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
- Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.
Hielschers akustiske levitator UP100H holder en væskedråbe svævende frit i luften mellem sonotroden og reflektoren.
Hielscher Ultrasonics fremstiller ultralydshomogenisatorer med høj ydeevne fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.