超聲輻射致顆粒懸浮效應(yīng)的研究

王廣歡

聲懸浮技術(shù)是一種基于超聲駐波場(chǎng)聲輻射致的非接觸式支撐技術(shù)。通過(guò)這種非接觸操作，可以真正實(shí)現(xiàn)杜絕接觸污染，表面刮劃等問(wèn)題。近年來(lái)隨著我國(guó)凝聚態(tài)物理學(xué)的蓬勃發(fā)展，在材料領(lǐng)域、微電子芯片領(lǐng)域等高精密制造方面將有著重要的及其廣泛的應(yīng)用。首先由駐波聲場(chǎng)媒質(zhì)的壓強(qiáng)分布給出了顆粒懸浮的位置條件;而后結(jié)合Gor'kov時(shí)間平均勢(shì)概念討論了物質(zhì)懸浮穩(wěn)定性;最后建立絕熱碰撞模型分析了聲懸浮的基本原理。目前，應(yīng)用于厘米級(jí)輕小材料的聲懸浮實(shí)驗(yàn)已在實(shí)驗(yàn)室得到實(shí)現(xiàn)，距離工業(yè)應(yīng)用只有一步之遙。

1 引言

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)、微電子技術(shù)的發(fā)展題，高純度材料制備，高精密設(shè)備轉(zhuǎn)移，定向表面除塵等在工業(yè)上成為難題。如芯片中，對(duì)于晶元的生產(chǎn)與輸送：由于晶元表面高度機(jī)械敏感，直接的機(jī)械接觸及操作將會(huì)對(duì)晶元表面產(chǎn)生微小形變;此外，表面刮劃又將會(huì)產(chǎn)生細(xì)小粉粒，附在表面產(chǎn)生污染。此外，對(duì)于超純材料制備及儲(chǔ)存，盛裝在容器中的材料與容器壁接觸后滲透作用會(huì)直接影響到材料純度。太空失重環(huán)境盡管能夠提供一種與無(wú)容器接觸的理想懸浮環(huán)境，但畢竟存在資源的有限、實(shí)驗(yàn)代價(jià)高昂等諸多現(xiàn)實(shí)因素，不適合大范圍應(yīng)用，為此，能夠在費(fèi)失重引力環(huán)境下模擬太空失重環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件的懸浮技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。

目前實(shí)現(xiàn)非接觸操作的物理方法主要有氣動(dòng)懸浮、靜電懸浮、磁懸浮、光懸浮及聲懸浮等。其中，氣動(dòng)懸浮穩(wěn)定性較差;靜電懸浮不適用于高溫環(huán)境;磁懸浮技術(shù)只作用于感磁材料;而光懸浮中，光子與被懸浮粒子間通過(guò)交換動(dòng)量產(chǎn)生光壓，但由此能產(chǎn)生的懸浮力只有納牛頓級(jí)別，被懸浮物體的幾何尺寸僅為μm級(jí)別。由于以上懸浮技術(shù)的原理極大地限制了其工業(yè)應(yīng)用的范圍，較而言聲懸浮技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)于被懸浮材料沒(méi)有要求，特別是電磁學(xué)性質(zhì);

（2）懸浮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且無(wú)需額外供氣源。

（3）駐波聲場(chǎng)中懸浮穩(wěn)定性好，能提供精密度較高的機(jī)械操作。