超聲輻射致顆粒懸浮效應的研究

王廣歡

聲懸浮技術(shù)是一種基于超聲駐波場聲輻射致的非接觸式支撐技術(shù)。通過這種非接觸操作，可以真正實現(xiàn)杜絕接觸污染，表面刮劃等問題。近年來隨著我國凝聚態(tài)物理學的蓬勃發(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用。首先由駐波聲場媒質(zhì)的壓強分布給出了顆粒懸浮的位置條件;而后結(jié)合Gor'kov時間平均勢概念討論了物質(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，應用于厘米級輕小材料的聲懸浮實驗已在實驗室得到實現(xiàn)，距離工業(yè)應用只有一步之遙。

1 引言

近年來，隨著材料科學、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，對于晶元的生產(chǎn)與輸送：由于晶元表面高度機械敏感，直接的機械接觸及操作將會對晶元表面產(chǎn)生微小形變;此外，表面刮劃又將會產(chǎn)生細小粉粒，附在表面產(chǎn)生污染。此外，對于超純材料制備及儲存，盛裝在容器中的材料與容器壁接觸后滲透作用會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容器接觸的理想懸浮環(huán)境，但畢竟存在資源的有限、實驗代價高昂等諸多現(xiàn)實因素，不適合大范圍應用，為此，能夠在費失重引力環(huán)境下模擬太空失重環(huán)境實驗條件的懸浮技術(shù)就應運而生。

目前實現(xiàn)非接觸操作的物理方法主要有氣動懸浮、靜電懸浮、磁懸浮、光懸浮及聲懸浮等。其中，氣動懸浮穩(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交換動量產(chǎn)生光壓，但由此能產(chǎn)生的懸浮力只有納牛頓級別，被懸浮物體的幾何尺寸僅為μm級別。由于以上懸浮技術(shù)的原理極大地限制了其工業(yè)應用的范圍，較而言聲懸浮技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1）對于被懸浮材料沒有要求，特別是電磁學性質(zhì);

（2）懸浮裝置結(jié)構(gòu)簡單，且無需額外供氣源。

（3）駐波聲場中懸浮穩(wěn)定性好，能提供精密度較高的機械操作。