Σχεδιασμός Και Προσομοίωση Δομικών Μονάδων Απτικών Οθονών

Abstract

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.