Физики из Бразилии и США создали устройство на основе акустической левитации для переноса маленьких объектов. Благодаря тому, что манипулируемый предмет левитирует на расстоянии нескольких микрон от генератора, аппарат не может повредить или загрязнить его. Это первый программируемый станок, способный перемещать объекты с помощью эффекта притягивающей левитации. Статья с описанием новации опубликована в Applied Physics Letters.
Отметим, что контролируемое перемещение объектов малого размера имеет решающее значение в микроэлектронике, физике и биологии. Вместе с тем, манипулировать ими не так просто, как большими деталями, которые, как правило, не боятся физического контакта, поскольку маленькие элементы обычно весьма хрупки, подвержены загрязнению или повреждению.
Для того, чтобы избежать этих проблем, группа физиков из Бразилии и США разработала станок для бесконтактного перемещения миллиметровых деталей, который работает на основе эффекта притягивающей ультразвуковой акустической левитации.
Сперва исследователи построили компьютерную модель, которая помогла определить необходимые параметры генератора ультразвука для будущего манипулятора. Для этого физики рассчитали давление акустического излучения, а из него — силу, которая действует на контролируемый объект. В результате ученые выяснили, что при разном отношении размера генератора R к длине звуковой волны λ возникающая сила может как отталкивать объект, так и притягивать. Притягивающая сила возникает из-за того, что давление излучения положительно в центральной области объекта и отрицательно на краях, а отталкивающая — наоборот. Выбрав R/λ=0,3, исследователям удалось достичь максимального эффекта притяжения.
На следующем этапе физики занялись разработкой самого генератора акустических волн и в итоге создали устройство, представляющее собой пьезоэлектрический преобразователь Ланжевена, способное через миниатюрный конический наконечник генерировать акустические волны на частоте 21 килогерц для создания удерживающей силы в 0,15 миллиньютон. Эксперименты показали, что манипулируемые с помощью получившегося решения небольшие объекты постоянно находятся на расстоянии в несколько микрон от наконечника, не сдвигаются в процессе перемещения, не меняют свою ориентацию со временем и не подвергаются воздействию электростатических сил. Любопытно, что это первый раз, когда ученым удалось экспериментально продемонстрировать достаточно сильные и стабильные эффекты притяжения при воздействии притягивающей акустической левитации.
На последнем этапе был спроектирован полноценный станок с ЧПУ для переноса небольших предметов, работающий на эффекте акустической левитации, оснащенный вышеупомянутыми пьезоэлектрическим преобразователем Ланжевена и наконечником-генератором. По утверждению инженеров, инновационный аппарат способен бесконтактно захватывать и перемещать очень хрупкие объекты размером от нескольких микрон до нескольких сантиметров, такие как электромеханические устройства, кремниевые матрицы, микрооптические устройства и так далее.Видеоплеер00:0000:31
Демонстрация бесконтактной транспортировки элементов на микросхему при помощи станка с ЧПУ, манипулирующего предметами посредством акустической левитации.
Источник: N+1