Page 136 - 《应用声学》2023年第1期
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Wiesendanger [14] 在 2001 年提出一个简化的
0 引言
模型，如图 2 所示。该模型仅考虑了气体薄膜快
近场超声悬浮是一种利用高强度超声波产生 速的挤压或膨胀，因此固定体积内的总空气质量保
n
的声辐射力来抵消物体重力的物理现象，在精密零 持不变，因此有 ph = const。由于气体的非线性效
件无接触支撑、传输及搬运等领域有着重要的应用 应，压力与悬浮距离之间存在非线性关系。图中p为
潜力。 间隙产生的压力，n 为多变常数 (等温条件时 n = 1；
近场超声悬浮现象最早由 Salbu [1] 在 1963 年 绝热条件时 n = 1.4) const 为常数，h 0 为初始悬浮
发现。此后，很多学者对超声悬浮进行了深入的 距离，a 0 为振幅，压力与悬浮距离随箭头指向的时
理论研究并在工程中进行了应用，取得了许多的 间 t 变化。由于辐射面的简谐运动产生非线性压力
进展 [2−8] 。Yoshiki等 [9] 在1995年用声辐射压理论 变化，一个周期内两表面间隙中平均压力 ¯p 为正值，
研究了纵向振动模态下的近场超声悬浮现象，他 高于环境气压 p b ，悬浮面受力悬浮。图 2 中 p max 为
们发现悬浮距离与单位面积悬浮物质量的平方根 悬浮过程中产生的压力峰值，p min 为压力谷值。图2
成反比，与辐射面的振幅近似成正比。Hashimoto 定性地表示了悬浮力的存在，为了获得悬浮力的定
等 [10−11] 在 1996 年研究了弯曲振动模态下的声悬 量结果，应建立考虑到更多气体物理参数的模型。
浮现象，并在 1998 年提出并设计了一种基于近场
p
超声和弯曲行波驱动的平面传输系统。Reinhart
p max
等 [12−13] 在1999年运用近场超声悬浮理论，研发了
直径为200 mm的晶圆搬运装置。 ph /const
n
本文考虑到不同气体的物理性质之间存在差 p
异，利用声辐射压理论与流体力学理论计算了不同 p b
p min
气体环境中的近场超声悬浮力，搭建了一套可改变 t h
气体环境的悬浮力测试系统，比较了不同气体环境 t
中的悬浮力大小，并分析了悬浮力产生变化的原因。
1 理论研究 h -a h h +a
图 2 由简谐运动引起的非线性压力变化 [14]
近场超声悬浮系统如图 1 所示。整个系统由两
Fig. 2 Nonlinear pressure variation caused by sim-
个平板组成，平板长度为 L，下平板为辐射面，上平
ple harmonic motion [14]
板为悬浮面。辐射面与悬浮面之间的悬浮距离 h 通
常在微米级的范围内，小于声波在空气中传播的波 对近场超声悬浮力的理论研究有两种方法：一
长。当辐射面以振幅a 0 高频振荡靠近或远离悬浮面 种是基于声辐射压理论 [15] ，基于欧拉法和拉格朗日
时，悬浮间隙内大部分气体没有足够的时间排出或 法推导出表示纵向振动模态的声辐射压力公式 [16] ；
流入。因此气体薄膜快速的挤压或膨胀，悬浮间隙 另一种是基于流体动力润滑理论 [17] ，由雷诺方程计
内产生周期性变化的压力。 算出瞬态压力的平均值，再积分获得悬浮力。
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1.1 声辐射压理论
২๏᭧
根据图 1 所示的物理模型，辐射面做整体面外
振动，可将其发出的声波视为平面波。当悬浮面靠
h
近辐射面时，由于近场超声悬浮过程中声波的传播
a
距离很小，可以忽略声波在空气中能量的衰减。考
ᣣ࠱᭧
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虑到声波在两个刚性表面之间多次反射，声场中单
x [18]
位时间内的平均声辐射压 ¯p为
图 1 近场超声悬浮原理示意图 2 2
Γ + 1 a c ρ a
0 a
Fig. 1 Working mechanism of near-field acoustic levitation ¯ p = 2 , (1)
8 h
0
