This thesis explores the advancement of ultrasound transducer technology for mid-air haptic applications, specifically addressing the limitations of current commercial transducers. The research is motivated by the growing demand for enhanced interactive experiences in virtual and augmented reality, requiring improvements in haptic feedback devices' focal point accuracy and reduction of side lobes. A key aspect of the research involved the design and fabrication of compact transducers, utilizing innovative MEMS technology alongside piezoelectric materials and a silicon passive layer. This approach aimed to optimize crucial parameters such as radiation efficiency, resonance frequency, and PMN-PT single crystal size. The resulting transducers, significantly thinner and smaller than conventional models, maintained performance levels that are competitive with existing solutions. Their uniform directivity was particularly notable, demonstrating their potential as effective alternatives in haptic technology. In addition, the study developed new control methodologies for the ultrasound transducer array, focusing on crosstalk issues and establishing the relationship between voltage input and velocity output. These advancements included innovative control strategies and a multi-channel phase control circuit, marking significant progress in ultrasound array control technology. The outcomes of this research highlight the significant potential of these new transducers and control methods in transforming haptic experiences in VR and AR settings, contributing valuably to the field of haptic technology and opening new directions for future research.
본 논문은 초음파 비접촉 햅틱 기술을 위한 초음파 트랜스듀서를 설계 및 제작하며, 특히 현존하는 상업용 트랜스듀서의 한계점을 극복하는 데 중점을 둔다. 햅틱 피드백 장치의 초점 정확도 향상과 부작용 줄기의 감소를 필요로 한다. 연구의 핵심 부분은 혁신적인 MEMS 기술을 사용하여 압전 재료와 실리콘 웨이퍼를 활용한 초소형 트랜스듀서의 설계 및 제작에 관한 것이다. 이 접근법은 방사 효율, 공진 주파수 및 PMN-PT 단결정 크기와 같은 중요한 매개변수를 최적화하려는 목적을 가진다. 기존 모델보다 훨씬 얇고 작은 결과물은 경쟁 제품과 비교하여 성능을 유지하며, 특히 각도에 따라 감되지 않는 일정한 지향성은 비접촉 햅틱 기술에서 효과적인 잠재력을 입증한다. 또한, 초음파 트랜스듀서 어레이를 위한 새로운 제어 방법론을 개발하는 데 집중하였으며, 이는 크로스토크 문제에 초점을 맞추고 전압 입력과 속도, 음압 출력 간의 관계를 확립하는 것을 포함한다. 이러한 발전은 혁신적인 제어 전략과 다중 채널 위상 제어 회로를 포함하여, 초음파 어레이 제어 기술에서 중요한 진전을 나타낸다. 이 연구의 결과는 이러한 새로운 트랜스듀서와 제어 방법이 VR 및 AR 설정에서 햅틱 경험을 변혁시킬 중대한 잠재력을 강조하며, 햅틱 기술 분야에 가치 있는 기여를 할 것이다.
