Nâng lơ lửng bằng siêu âm và các ứng dụng trong công nghiệp

Nâng lơ lửng bằng siêu âm / âm thanh là một phương án đã được kiểm chứng trong công nghiệp để nâng đỡ không tiếp xúc các vật liệu nhẹ, nhạy cảm cũng như thao tác mẫu không tiếp xúc. Tìm hiểu thêm về nâng lơ lửng bằng siêu âm và các ứng dụng trong công nghiệp và khoa học!

Các ứng dụng của nâng lơ lửng bằng siêu âm

Nâng lơ lửng bằng âm thanh là một phương pháp đã được kiểm chứng khoa học và ứng dụng trong công nghiệp để thao tác vật liệu và định vị mẫu không tiếp xúc. Là một phương pháp thao tác không tiếp xúc, nâng lơ lửng bằng siêu âm được sử dụng để thao tác các phôi có bề mặt nhạy cảm và dễ vỡ, ví dụ như phiến bán dẫn, vi mạch hoặc tấm kính mỏng, mà không gây tác động cơ học. Nhờ khả năng thao tác vật liệu và mẫu không tiếp xúc, nâng lơ lửng bằng siêu âm đã được triển khai trong các ứng dụng công nghiệp, khoa học và phân tích.
Trong công nghiệp, nâng lơ lửng bằng siêu âm được sử dụng như một phương pháp đáng tin cậy để xử lý vi mạch và các vật thể nhỏ, mỏng manh khác mà không tiếp xúc và không cần vật chứa; những vật thể này dễ bị hư hại ngay cả khi chỉ tiếp xúc vật lý nhẹ. Một lĩnh vực ứng dụng khác là thao tác các vật liệu có độ tinh khiết rất cao hoặc các chất phản ứng hóa học vốn sẽ bị ảnh hưởng bởi vật chứa.

Trong hóa học, các giọt được giữ lơ lửng có thể đóng vai trò là những bình phản ứng thu nhỏ, cho phép các nhà nghiên cứu kết hợp thuốc thử và quan sát phản ứng đồng thời giảm nhiễm bẩn từ thành bình.
Các nhà khoa học vật liệu sử dụng mẫu được nâng lơ lửng để nghiên cứu sự bay hơi, kết tinh và hình thành hạt, trong khi các nhà nghiên cứu phân tích có thể khảo sát mẫu được giữ lơ lửng bằng các kỹ thuật quang học và quang phổ.
Các hệ thống thao tác bằng âm thanh chuyên dụng cũng hỗ trợ vận chuyển các linh kiện dễ vỡ, bao gồm phiến silic, vi mạch và kính mỏng, với nguy cơ hư hại cơ học thấp hơn.
Đối với robot chất lỏng có lớp giáp hạt (PBs), nâng lơ lửng bằng âm thanh mang lại một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn: vận chuyển thuốc thử được bao bọc, đưa các giọt lại gần nhau để thực hiện phản ứng có kiểm soát và chuyển robot giữa các trạm xử lý đồng thời giảm thiểu tiếp xúc với các bề mặt xung quanh. Đọc thêm về nâng lơ lửng bằng âm thanh đối với robot chất lỏng có lớp giáp hạt!
 

Nguyên lý hoạt động của nâng lơ lửng bằng siêu âm

Nâng lơ lửng bằng âm thanh mô tả việc áp dụng sóng siêu âm vào một lưu chất, thường là chất khí (ví dụ: không khí). Khi sóng siêu âm truyền qua chất khí, sóng âm cân bằng trọng lực – nhờ đó các vật thể có thể lơ lửng trong không khí mà không cần giá đỡ. Hiệu ứng vật thể nổi tự do trong sóng âm này đòi hỏi hiện tượng sóng dừng. Sóng dừng được hình thành khi hai sóng giống hệt nhau truyền từ hai hướng đối diện chồng lên nhau. Vì vậy, trong một hệ thống nâng lơ lửng bằng âm thanh, bộ chuyển đổi siêu âm được sử dụng để tạo ra các sóng áp suất dọc và một bộ phản xạ ở phía đối diện phản xạ các sóng, để các sóng giống hệt nhau truyền từ hai phía có thể chồng lên nhau và tạo thành sóng dừng.

Nút và bụng sóng: Sóng áp suất dọc của siêu âm cường độ cao cho phép vật thể lơ lửng không tiếp xúc trong không khí. Những sóng siêu âm dừng này có các nút xác định. Nút sóng là vùng có áp suất nhỏ nhất, trong khi bụng sóng được định nghĩa là vùng có áp suất lớn nhất. Các nút của sóng dừng đóng vai trò trung tâm trong việc nâng lơ lửng bằng âm thanh.
Thiết bị nâng lơ lửng bằng siêu âm hoạt động bằng cách bố trí trường sóng dừng phía trên đầu dò siêu âm (tức là đầu sonotrode) và sử dụng bộ phản xạ.

Thiết bị nâng lơ lửng bằng siêu âm

Hielscher Ultrasonics có bề dày kinh nghiệm trong thiết kế, sản xuất và phân phối thiết bị siêu âm chất lượng cao, hiệu năng cao. Đối với nâng lơ lửng bằng âm thanh, Hielscher cung cấp hai loại thiết bị nâng lơ lửng tiêu chuẩn:
 

• UP100H – thiết bị nâng lơ lửng 30kHz, 100 W
• UP400ST – thiết bị nâng lơ lửng 24kHz, 400W
• UIP500hdT – thiết bị nâng lơ lửng 20kHz, 500W

Thiết bị xử lý siêu âm UP400St là một hệ thống nhỏ gọn, trong đó bộ chuyển đổi và bộ phát được tích hợp trong một vỏ máy chắc chắn. Thiết bị nâng lơ lửng UIP500hdT có công suất 500 oát được trang bị bộ chuyển đổi và bộ phát riêng biệt. Với bộ chuyển đổi đạt cấp bảo vệ IP64, UIP500hdT lý tưởng để lắp đặt trong những môi trường có yêu cầu khắt khe.
Các thiết bị nâng lơ lửng bằng siêu âm có thể được lắp đặt riêng lẻ hoặc song song và có khả năng hoạt động trong các dây chuyền xử lý tốc độ cao, năng suất cao.
Đối với các yêu cầu cụ thể, Hielscher Ultrasonics cũng thiết kế và sản xuất các thiết bị nâng lơ lửng tùy chỉnh và độc quyền.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.