超声辐射致颗粒悬浮效应的研究

王广欢

聲悬浮技术是一种基于超声驻波场声辐射致的非接触式支撑技术。通过这种非接触操作，可以真正实现杜绝接触污染，表面刮划等问题。近年来随着我国凝聚态物理学的蓬勃发展，在材料领域、微电子芯片领域等高精密制造方面将有着重要的及其广泛的应用。首先由驻波声场媒质的压强分布给出了颗粒悬浮的位置条件;而后结合Gor'kov时间平均势概念讨论了物质悬浮稳定性;最后建立绝热碰撞模型分析了声悬浮的基本原理。目前，应用于厘米级轻小材料的声悬浮实验已在实验室得到实现，距离工业应用只有一步之遥。

1 引言

近年来，随着材料科学、微电子技术的发展题，高纯度材料制备，高精密设备转移，定向表面除尘等在工业上成为难题。如芯片中，对于晶元的生产与输送：由于晶元表面高度机械敏感，直接的机械接触及操作将会对晶元表面产生微小形变;此外，表面刮划又将会产生细小粉粒，附在表面产生污染。此外，对于超纯材料制备及储存，盛装在容器中的材料与容器壁接触后渗透作用会直接影响到材料纯度。太空失重环境尽管能够提供一种与无容器接触的理想悬浮环境，但毕竟存在资源的有限、实验代价高昂等诸多现实因素，不适合大范围应用，为此，能够在费失重引力环境下模拟太空失重环境实验条件的悬浮技术就应运而生。

目前实现非接触操作的物理方法主要有气动悬浮、静电悬浮、磁悬浮、光悬浮及声悬浮等。其中，气动悬浮稳定性较差;静电悬浮不适用于高温环境;磁悬浮技术只作用于感磁材料;而光悬浮中，光子与被悬浮粒子间通过交换动量产生光压，但由此能产生的悬浮力只有纳牛顿级别，被悬浮物体的几何尺寸仅为μm级别。由于以上悬浮技术的原理极大地限制了其工业应用的范围，较而言声悬浮技术具有以下优点：

（1）对于被悬浮材料没有要求，特别是电磁学性质;

（2）悬浮装置结构简单，且无需额外供气源。

（3）驻波声场中悬浮稳定性好，能提供精密度较高的机械操作。