Beam stuur en controle van grote echografie actuator arrays voor haptische waarneming

Traditionele microfooneenheden richten zich op menselijke waarneembare geluidsgolven (tussen 20 Hz en 20 kHz). Akoestische ontwikkeling richt zich ook op echografie, waardoor de frequenties boven de detectiegrens van het menselijke oor worden aangetast (van 20 kHz tot meerdere GHz). Deze geluidsgolven kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder medische beeldvorming, therapeutische behandeling, niet-destructieve testen en positionering van objecten. Tegenwoordig is ultrasone transducer- en sensortechnologie grotendeels gebaseerd op rigide bulkpiëzo-elektrische keramische materialen, zoals loodzirkonaattitanaat of bariumtitanaat. Hoewel een volwassen technologie voor discrete passieve componenten, die een redelijk brede bandbreedte en gevoeligheid biedt, is deze keramische technologie niet in staat om grote tweedimensionale (2D) transducer arrays te verwerken. Ook is monolithische integratie met andere elektronische componenten, zoals signaalverwerkende elektronica, nauwelijks mogelijk. Dit is cruciaal voor toepassingen waar grote arrays nodig zijn en waarvoor een hoog niveau van integratie duidelijk een must is. In de afgelopen jaren heeft imec geleid tot de ontwikkeling van nieuwe technologieën die beloven om aan alle eisen van toekomstige microgeluidssystemen te voldoen. Het technologieplatform van de Large Area Electronics (LAE) en System in Foil (SiF) maakt het mogelijk passieve en actieve componenten te produceren in dunne-technologieën met wereldwijde prestaties en, indien nodig, flexibele vormfactoren. Verder worden voorlopige demonstraties van ultrageluidcomponenten monolithisch geïntegreerd met hun aandrijving en uitleeselektronica opkomende. Deze ontwikkelingen zullen leiden tot tweedimensionale arrays van individueel adresseerbare actuators die haptische waarneming opleveren. Het doel van dit doctoraat is om een haptische feedback systeem te realiseren met grootschalige technologie. Daartoe worden twee hoofdtaken uitgewerkt. De eerste is het begrijpen hoe het gevoel gegenereerd kan worden met behulp van gefocuste echografie: een modulatie moet geïmplementeerd worden op de ultrasone dragergolf, die afhankelijk is van de aard van de interactie van drukgolven met zintuiglijke zenuwen. De tweede vraag die beantwoord moet worden, is het om deze te vertalen naar een elektronische technologie op grote schaal: integratie van ultrageluidactoren op grote oppervlakten op actieve matrix-achtervlakken, alsmede het ontwerpen, testen en meten van de actieve matrix-achterplaten voor het besturen en bedienen van ultrageluid actuator arrays naar de vereiste prestatie. Actuator arrays worden verwerkt op dunne-film transistor backplanes, zodanig dat elke actuator wordt aangedreven door een dunne film transistor circuit. Elk van deze pixelmotoren wordt gecontroleerd door stuurprogramma's, in silicium, aan de randen van de array, die controles en klokken verschaffen. Beamsturing van een reeks actuatoren is gebaseerd op het creëren van interferentiepatronen in de uitgestraalde golf van elke actuator. Amplitude modulatie van de gefocuste geluidsgolf zou resulteren in een fysieke sensatie. Een uitdaging voor de transistors in het achtervlak en de bestuurderchips is een precieze synchronisatie van de fase- en amplitudecontrole van elke actuator over arrays die fysiek groot zijn (> 10 cm), bij relatief hoge spanningen die nodig zijn voor actuatoren die ultrasone lucht uitstralen. Het PhD start met fysiologisch begrip en vertaling naar elektronische eisen. Vervolgens modelleren van alle relevante elektronische signalen, met inbegrip van de parasieten die de neiging hebben om bijna op elkaar gelegen oscillators te koppelen aan spontane synchronisatie. Ontwerpconcepten voor bestuurders worden uitgewerkt en gemeten. Veelbelovende architecturen worden uitgewerkt met geïntegreerde actuators (proceswerk maakt geen deel uit van dit PhD) en gemeten. Uitgekozene ontwerpen worden gebruikt om actieve matrices van chauffeurs over gebieden> 100 cm2 te realiseren. Deze zullen uitgebreid worden getest op ultrasone bundelvorming na integratie van actuatorrails op de aandrijfelektronica.