Ultraljudslevitation och dess industriella tillämpningar
Ultraljudslevitation / akustisk levitation är ett industriellt beprövat alternativ för beröringsfri uppbärning av lätta, känsliga material samt för beröringsfri provhantering. Läs mer om ultraljudslevitation och dess tillämpningar inom industri och vetenskap!
Tillämpningar av ultraljudslevitation
Akustisk levitation är en vetenskapligt beprövad metod som används industriellt för beröringsfri materialhantering och provpositionering. Ultraljudslevitation används som en beröringsfri hanteringsmetod för att manipulera arbetsstycken med känsliga ytor och ömtåliga arbetsstycken, t.ex. wafers, mikrochips eller tunna glasplattor, utan mekanisk påverkan. Tack vare den beröringsfria hanteringen av material och prover har ultraljudslevitation införts i industriella, vetenskapliga och analytiska tillämpningar.
Inom industrin används ultraljudslevitation som en tillförlitlig metod för beröringsfri bearbetning utan behållare av mikrochips och andra små, ömtåliga föremål som lätt skadas även vid lätt fysisk kontakt. Ett annat tillämpningsområde är hantering av material med mycket hög renhet eller kemiska reaktanter som skulle påverkas av en behållare.
Levitationspositioner för polypropensfärer i en enaxlig akustisk levitator. Levitator / sonotrod upptill, reflektor nedtill (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(studie och bilder: © Andrade et al. 2018)
Inom kemin kan svävande droppar fungera som reaktionskärl i miniatyr, vilket gör det möjligt för forskare att kombinera reagenser och observera reaktioner samtidigt som kontamineringen från kärlväggarna minskar.
Materialforskare använder leviterade prover för att undersöka avdunstning, kristallisation och partikelbildning, medan forskare inom analytisk kemi kan undersöka svävande prover med optiska och spektroskopiska tekniker.
Specialiserade akustiska hanteringssystem stöder även transport av ömtåliga komponenter, däribland kiselwafers, mikrochips och tunt glas, med mindre risk för mekaniska skador.
För partikelarmerade vätskerobotar (PBs) erbjuder akustisk levitation en lovande forskningsinriktning: att transportera inkapslade reagenser, föra samman droppar för kontrollerade reaktioner och överföra robotar mellan bearbetningsstationer samtidigt som kontakten med omgivande ytor minimeras. Läs mer om akustisk levitation av partikelarmerade vätskerobotar!
- föremål som är känsliga för fysiska krafter (t.ex. mikrochips)
- elektriskt icke-ledande material
- material med hög renhet
- kemiska reaktanter
- biologiska, analytiska prover
- proteiner för kristallografi
Funktionsprincip för ultraljudslevitation
Akustisk levitation innebär att ultraljudsvågor appliceras på en fluid, vanligen en gas (t.ex. luft). När ultraljudsvågen färdas genom gasen motverkar ljudvågen tyngdkraften – vilket gör att föremål kan sväva fritt i luften utan stöd. Denna effekt, där ett föremål svävar fritt i en ljudvåg, kräver fenomenet stående våg. En stående våg bildas när två identiska vågor som kommer från motsatta riktningar överlagras. I en uppställning för akustisk levitation används därför en ultraljudsomvandlare för att skapa longitudinella tryckvågor, och en reflektor på den andra sidan reflekterar vågorna så att de identiska vågorna från båda sidor kan överlagras och bilda en stående våg.
Akustisk levitation av en liten styv sfär vid trycknoden i en plan stående våg som skapas mellan en omvandlare/levitator och en reflektor.
(studie och bilder: © Andrade et al. 2018)
Noder och bukar: Den longitudinella tryckvågen från intensivt ultraljud gör det möjligt för föremål att sväva beröringsfritt i luften. Sådana stående ultraljudsvågor har väldefinierade noder. En nod är området med lägst tryck, medan en buk definieras som området med högst tryck. Noderna i en stående våg är centrala för akustisk levitation.
Ultraljudslevitatorer fungerar genom att det stående vågfältet placeras ovanför en ultraljudssond (dvs. sonotrod) och en reflektor används.
Utrustning för ultraljudslevitation
Hielscher Ultrasonics har lång och gedigen erfarenhet av konstruktion, tillverkning och distribution av högkvalitativ ultraljudsutrustning med hög prestanda. För akustisk levitation erbjuder Hielscher två standardtyper av levitatorer:
- UP100H – en levitator på 30kHz, 100 W
- UP400ST – en levitator på 24kHz, 400W
- UIP500hdT – en levitator på 20kHz, 500W
Ultraljudsprocessorn UP400St är ett kompakt system där omvandlare och generator är integrerade i ett robust hölje. Den kraftfulla levitatorn UIP500hdT på 500 watt har separat omvandlare och generator. Med sin omvandlare med kapslingsklass IP64 är UIP500hdT idealisk för installation i krävande miljöer.
Ultraljudslevitatorer kan installeras som enskilda enheter eller parallellt och kan användas i bearbetningslinjer med hög hastighet och hög genomströmning.
För specifika krav konstruerar och tillverkar Hielscher Ultrasonics även kundanpassade och proprietära levitatorer.
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- 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 akustiska levitator UP100H håller en vätskedroppe svävande i luften mellan sonotroden och reflektorn.
Hielscher Ultrasonics tillverkar ultraljudshomogenisatorer med hög prestanda från laboratoriestorlek till industriell storlek.