Σχεδιασμός και προσομοίωση δομικών μονάδων απτικών οθονών

Abstract

The sense of touch creates tactile feelings in the brain, using the sensors and the nerves of the skin that can be stimulated by mechanical, electrical or thermal stimuli, which can be considered as separate communication channels. The tactile communication between the human and the machine, requires some intermediate device, a “tactile interface”, which converts information into a type of energy capable of stimulating the receptors of the skin. Stimulation of the receptors is performed with focused ultrasound produced by arrays of Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUTs). CMUTs are a promising technology for implementing tactile interface devices due to their flexibility in the design, the low production cost and the possibility of integration with analog and digital driving electronics. In the context of this thesis, the use of CMUT phased arrays is introduced for the first time, as a source of focused ultrasound used in tactile displays. For this purpose, two arrays were designed and simulated; one consisting of square transducers and another consisting of circular transducers. Some of the properties of the transducer are determined by its shape (e.g. vibration modes, fluid structure interaction etc.). The simulation of the operation of transducers and their phased arrays was performed using the Finite Element Method (FEM). Additionally, the equivalent electric circuit was used to study the CMUTs and CMUT phased arrays. The equivalent circuit model was solved using the well known SPICE code. A tactile display based on a phased array of square transducers is presented. The phased array is used for focusing ultrasound and creating the necessary pressure at the focal point with a value that exceeds the excitation threshold. Modeling and simulation of both the transducer and the phased array was performed using FEM. The geometrical characteristics of a circular transducer and the corresponding phased array were optimized in order to reach the maximum amplitude of vibration and the maximum impedance of the fluid. The Equivalent electrical circuit was used and the circuit parameters were determined using the LTSPICE software. The model was verified by comparing the results with those from the FEM model. In both cases, the pressure at the focal point of the array exceeds the excitation threshold.

Η αίσθηση της αφής υλοποιείται με το δέρμα, το οποίο είναι το μεγαλύτερο αισθητήριο όργανο του ανθρωπινού σώματος. Η απτική επικοινωνία, ανάμεσα στη μηχανή και τον άνθρωπο, απαιτεί κάποια ενδιάμεση συσκευή, μια ‘απτική διεπαφή’ ή ‘απτική οθόνη’, η οποία μετατρέπει την απτική πληροφορία σε μορφή ενέργειας κατάλληλη για να διεγείρει τους υποδοχείς του δέρματος. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής προτείνεται για πρώτη φορά η χρήση συστοιχιών από μετατροπείς CMUT ως πηγή εστίασης υπερήχων για χρήση σε απτικές οθόνες. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και προσομοιώθηκαν δυο συστοιχίες, μια αποτελούμενη από τετράγωνους μετατροπείς και μια αποτελούμενη από κυκλικούς μετατροπείς. Οι μετατροπείς CMUT μπορούν να έχουν διάφορα σχήματα από τετράγωνα μέχρι κυκλικά. Το σχήμα του μετατροπέα καθορίζει κάποιες από τις ιδιότητες του π.χ. τους τρόπους ταλάντωσης, την αλληλεπίδραση με τον αέρα κλπ.. Συνεπώς έκτος από τους τετράγωνου, η μελέτη των κυκλικών μετατροπέων δίνει πληρέστερη εικόνα για τις δυνατότητες χρήσης των μετατροπέων αυτών στις απτικές οθόνες. Η μελέτη και προσομοίωση των μετατροπέων και των αντίστοιχων συστοιχιών γίνεται με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ). Επίσης, εκτός από το μοντέλο των πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη των μετατροπέων CMUT και το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα το οποίο επιλύεται με το γνωστό κώδικα SPICE. Αρχικά σχεδιάστηκε μια απτική οθόνη, η οποία βασίζεται σε φασική συστοιχία τετράγωνων μετατροπέων. Η φασική συστοιχία χρησιμοποιείται τόσο για την εστίαση των υπερήχων, όσο και για την παραγωγή πίεσης που ξεπερνά το κατώφλι διέγερσης, αναγκαία συνθήκη για την αίσθηση της αφής. Η μοντελοποίηση και προσομοίωση τόσο του μετατροπέα όσο και της φασικής συστοιχίας έγινε με την ΜΠΣ. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα και της συστοιχίας βελτιστοποιήθηκαν με στόχο τη μεγιστοποίηση του πλάτους ταλάντωσης της διάταξης και της μηχανικής αντίστασης του ρευστού που παρουσιάζει το ρευστό. Η προσομοίωση έγινε με το πρόγραμμα α SPICE με τη χρήση του ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος του μετατροπέα CMUT. Το μοντέλο επιβεβαιώθηκε συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με τα αντίστοιχα από τη ΜΠΣ για μοντέλο κυκλικού μετατροπέα. Η παραγόμενη από τη συστοιχία πίεση στο εστιακό σημείο ξεπέρασε το κατώφλι διέγερσης τόσο στην περίπτωση της συστοιχίας τετράγωνων όσο και κυκλικών μετατροπέων.