La lévitation ultrasonique et ses applications industrielles
La lévitation ultrasonique/acoustique est une option éprouvée dans l'industrie pour le support sans contact de matériaux légers et sensibles, ainsi que pour la manipulation d'échantillons sans contact. En savoir plus sur la lévitation ultrasonique et ses applications dans l'industrie et la science !
Applications de la lévitation ultrasonique
La lévitation acoustique est une méthode scientifiquement prouvée et adoptée par l'industrie pour la manipulation sans contact de matériaux et le positionnement d'échantillons. La lévitation ultrasonique, en tant que méthode de manipulation sans contact, est utilisée pour manipuler des pièces fragiles et sensibles à la surface, par exemple des wafers, des micropuces ou de fines plaques de verre, sans impact mécanique. En raison de la manipulation sans contact des matériaux et des échantillons, la lévitation ultrasonique a été mise en œuvre dans des applications industrielles, scientifiques et analytiques.
Dans l'industrie, la lévitation ultrasonique est utilisée comme méthode fiable pour le traitement sans contact et sans conteneur de puces électroniques et d'autres objets petits et délicats, qui sont susceptibles d'être endommagés par un contact physique même léger. Un autre domaine d'application est la manipulation de matériaux de très haute pureté ou de réactifs chimiques, qui seraient influencés par un conteneur.
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 photos : © Andrade et al. 2018)
En chimie, les gouttelettes en suspension peuvent faire office de récipients de réaction miniatures, permettant ainsi aux chercheurs de mélanger des réactifs et d'observer les réactions tout en réduisant la contamination provenant des parois des récipients.
Les scientifiques spécialisés dans les 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 manutention acoustiques spécialisés facilitent également le transport de composants fragiles, notamment les plaquettes de silicium, les micropuces et le verre fin, en réduisant le risque de dommages mécaniques.
Pour les robots liquides à armure particulaire (PBs), la lévitation acoustique offre une piste de recherche prometteuse : le transport de réactifs encapsulés, le rapprochement de gouttelettes pour des réactions contrôlées et le transfert de robots entre les stations de traitement, tout en minimisant le contact avec les surfaces environnantes. Découvrez-en davantage sur la lévitation acoustique des robots liquides blindés de particules !
- les objets sensibles aux forces physiques (par exemple, les puces électroniques)
- matériaux non conducteurs
- matériaux de haute pureté
- réactifs chimiques
- échantillons biologiques et analytiques
- protéines pour la cristallographie
Principe de fonctionnement de la lévitation ultrasonique
La lévitation acoustique décrit l'application d'ondes ultrasonores à un fluide, généralement un gaz (par exemple l'air). Lorsque l'onde ultrasonore traverse le gaz, elle contrebalance la force de gravité. – avec pour conséquence que des objets peuvent flotter dans l'air sans être soutenus. Cet effet d'un objet flottant dans une onde sonore nécessite le phénomène d'onde stationnaire. Une onde stationnaire se forme lorsque deux ondes identiques provenant de directions opposées se superposent. Par conséquent, dans une installation de lévitation acoustique, un transducteur ultrasonique est utilisé pour créer des ondes de pression longitudinales et un réflecteur de l'autre côté réfléchit les ondes, de sorte que les ondes identiques provenant 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/levier et un réflecteur.
(étude et photos : © Andrade et al. 2018)
Nœuds et antinœuds : L'onde de pression longitudinale des ultrasons intenses permet de planer sans contact dans l'air. Ces ondes ultrasonores stationnaires ont des nœuds définis. Un nœud est la zone de pression minimale, tandis qu'un antinœud est défini comme la zone de pression maximale. Les nœuds d'une onde stationnaire se trouvent au centre de la lévitation acoustique.
Les lévitateurs à ultrasons fonctionnent en positionnant le champ d'ondes stationnaires au-dessus d'une sonde à ultrasons (sonotrode) et en utilisant un réflecteur.
Équipement de lévitation ultrasonique
Hielscher Ultrasonics possède une longue expérience dans la conception, la fabrication et la distribution d'appareils à ultrasons de haute qualité et de haute performance. Pour la lévitation acoustique, Hielscher propose deux types de lévitateurs standard :
- UP100H – un lévitateur 30kHz, 100 W
- UP400St – un lévitateur de 24kHz, 400W
- UIP500hdT – un lévitateur de 20kHz, 500W
Le processeur ultrasonique UP400St est un système compact, dans lequel le transducteur et le générateur sont combinés dans un boîtier robuste. Le lévitateur UIP500hdT, d'une puissance de 500 watts, est doté d'un transducteur et d'un générateur séparés. Avec son transducteur de classe IP64, l'UIP500hdT est idéal pour l'installation dans des environnements exigeants.
Les lévitateurs à ultrasons peuvent être installés en tant qu'unité unique ou en parallèle et sont capables de fonctionner dans des lignes de traitement à grande vitesse et à haut débit.
Pour des besoins spécifiques, Hielscher Ultrasonics conçoit et fabrique également des lévitateurs personnalisés et exclusifs.
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Littérature / 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 maintient une gouttelette de liquide en suspension entre la sonotrode et le réflecteur.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.