La lévitation par ultrasons et ses applications industrielles
La lévitation par ultrasons / acoustique est une solution éprouvée dans l’industrie pour le support sans contact de matériaux légers et sensibles ainsi que pour la manipulation d’échantillons sans contact. Découvrez-en plus sur la lévitation par ultrasons et ses applications dans l’industrie et la science !
Applications de la lévitation par ultrasons
La lévitation acoustique est une méthode scientifiquement éprouvée et adoptée dans l’industrie pour la manipulation de matériaux et le positionnement d’échantillons sans contact. En tant que méthode de manipulation sans contact, la lévitation par ultrasons sert à manipuler des pièces fragiles et à surface sensible, p. ex. des wafers, des micropuces ou de fines plaques de verre, sans impact mécanique. Grâce à la manipulation sans contact des matériaux et des échantillons, la lévitation par ultrasons a été mise en œuvre dans des applications industrielles, scientifiques et analytiques.
Dans l’industrie, la lévitation par ultrasons est utilisée comme méthode fiable pour le traitement sans contact et sans récipient de micropuces et d’autres petits objets délicats, susceptibles d’être endommagés au moindre contact physique. Un autre domaine d’application est la manipulation de matériaux de très haute pureté ou de réactifs chimiques, qui seraient influencés par un récipient.
Positions de lévitation de sphères en polypropylène dans un lévitateur acoustique à axe unique. Lévitateur / sonotrode en haut, réflecteur en bas (b) H1 = 7,45 mm ; (d) H3 = 21,55 mm
(étude et images : © Andrade et al. 2018)
En chimie, des gouttelettes en suspension peuvent servir de récipients de réaction miniatures, permettant aux chercheurs de combiner des réactifs et d’observer des réactions tout en réduisant la contamination due aux parois des récipients.
Les spécialistes des matériaux utilisent des échantillons en lévitation pour étudier l’évaporation, la cristallisation et la formation de particules, tandis que les chercheurs en analyse peuvent examiner des échantillons en suspension à l’aide de techniques optiques et spectroscopiques.
Des systèmes de manipulation acoustique spécialisés permettent également le transport de composants fragiles, notamment des wafers de silicium, des micropuces et du verre mince, avec un risque réduit de dommages mécaniques.
Pour les robots liquides blindés de particules (Particle-armored liquid roBots, PBs), la lévitation acoustique ouvre une piste de recherche prometteuse : transporter des réactifs encapsulés, réunir des gouttelettes pour des réactions contrôlées et transférer les robots entre des postes de traitement tout en minimisant le contact avec les surfaces environnantes. En savoir plus sur la lévitation acoustique des robots liquides blindés de particules !
- objets sensibles aux forces physiques (p. ex. micropuces)
- matériaux non conducteurs
- matériaux de haute pureté
- réactifs chimiques
- échantillons biologiques et analytiques
- protéines pour la cristallographie
Principe de fonctionnement de la lévitation par ultrasons
La lévitation acoustique désigne l’application d’ondes ultrasonores à un fluide, généralement un gaz (p. ex. l’air). Lorsque l’onde ultrasonore traverse le gaz, l’onde sonore contrebalance la force de gravité – de sorte que des objets peuvent flotter dans l’air sans support. Cet effet d’un objet flottant librement dans une onde sonore requiert le phénomène d’une onde stationnaire. Une onde stationnaire se forme lorsque deux ondes identiques venant de directions opposées se superposent. C’est pourquoi, dans un montage de lévitation acoustique, un transducteur à ultrasons est utilisé pour générer des ondes de pression longitudinales et un réflecteur placé de l’autre côté réfléchit les ondes, de sorte que les ondes identiques venant des deux côtés peuvent se superposer et former une onde stationnaire.
Lévitation acoustique d’une petite sphère rigide au nœud de pression d’une onde stationnaire plane établie entre un transducteur/lévitateur et un réflecteur.
(étude et images : © Andrade et al. 2018)
Nœuds et ventres : L’onde de pression longitudinale d’ultrasons intenses permet de faire flotter sans contact dans l’air. De telles ondes ultrasonores stationnaires présentent des nœuds définis. Un nœud est la zone de pression minimale, tandis qu’un ventre est défini comme la zone de pression maximale. Les nœuds d’une onde stationnaire sont au cœur de la lévitation acoustique.
Les lévitateurs à ultrasons fonctionnent en positionnant le champ d’ondes stationnaires au-dessus d’une sonde à ultrasons (c.-à-d. une sonotrode) et en utilisant un réflecteur.
Équipements de lévitation par ultrasons
Hielscher Ultrasonics possède une longue et solide expérience dans la conception, la fabrication et la distribution d’équipements à ultrasons de haute qualité et de haute performance. Pour la lévitation acoustique, Hielscher propose deux types standard de lévitateurs :
- UP100H – un lévitateur de 30kHz, 100 W
- UP400ST – un lévitateur de 24kHz, 400W
- UIP500hdT – un lévitateur de 20kHz, 500W
Le processeur à ultrasons UP400St est un système compact, dans lequel le transducteur et le générateur sont réunis dans un boîtier robuste. Le puissant lévitateur UIP500hdT de 500 watts dispose d’un transducteur et d’un générateur séparés. Grâce à son transducteur de classe IP64, le UIP500hdT est idéal pour une installation dans des environnements exigeants.
Les lévitateurs à ultrasons peuvent être installés en unité individuelle ou en parallèle et sont capables de fonctionner dans des lignes de traitement à grande vitesse et à haute cadence.
Pour des exigences spécifiques, Hielscher Ultrasonics conçoit et fabrique également des lévitateurs personnalisés et propriétaires.
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Bibliographie / Références
- 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.
Le lévitateur acoustique Hielscher UP100H maintenant une gouttelette de liquide en suspension dans l’air entre la sonotrode et le réflecteur.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.