Communiquons-nous avec notre prochain smartphone sans le toucher ? Nous faisons un pas dans cette direction avec les transducteurs à ultrasons.
Aujourd'hui, nous utilisons principalement notre vue et notre ouïe pour recueillir des informations sur notre smartphone ou sur n'importe quel appareil intelligent. La rétroaction haptique sans contact (ou « dans les airs ») ajoute une autre dimension. En envoyant de l'énergie ultrasonique, l'appareil transmet des informations dans l'air, ce qui est perçu par l'utilisateur comme une vibration. Et cela crée de nouvelles possibilités pour permettre aux humains et aux machines de communiquer entre eux. Ces interfaces utilisateur sans contact devraient devenir de plus en plus importantes dans l'ère post-COVID-19.
Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores d'une fréquence supérieure à 20 kHz qui ne peuvent plus être perçues par l'oreille humaine. Les technologies qui exploitent ces ondes sont utilisées depuis un certain temps dans toutes sortes d'applications. L'application la plus connue se trouve dans l'imagerie médicale, où des impulsions ultrasonores sont envoyées et des impulsions d'écho sont converties en une image pour visualiser les structures corporelles. Cette échographie est en circulation depuis les années 1940 comme outil de diagnostic, par exemple pour suivre une grossesse. Mais saviez-vous que nous pouvons également utiliser cette technologie pour équiper les systèmes intelligents d'un retour haptique, leur permettant de communiquer avec un utilisateur grâce à leur sens du toucher ?
Au cœur de cette technologie se trouve un actionneur qui émet de l'énergie ultrasonore, qui se déplace comme une onde de pression dans l'air. En conséquence, l'utilisateur ne peut plus seulement établir un contact physique avec un appareil intelligent - par exemple, considérez la vibration de votre smartphone en contact physique. Grâce à la technologie à ultrasons, cela est désormais également possible sans contact. Après tout, les ondes ultrasonores peuvent générer un champ de pression local qui fait ressentir à l'utilisateur une légère sensation. Nous appelons cela "l'haptique en plein air". Cette technique nous permet d'interagir avec des objets sans les toucher.
Cela devient intéressant lorsque cette énergie ultrasonore peut être détectée par les récepteurs de nos doigts. Cette nouvelle façon « d'interfacer » enrichit notre communication avec les machines ou les robots. Et, maintenant que nous n'avons plus à regarder constamment l'affichage sur notre tableau de bord, cela peut augmenter la sécurité de conduite. Cela nous permettra également de manipuler toutes sortes d'appareils de manière plus hygiénique. Et cela est devenu très important en raison de la récente épidémie de coronavirus.
La rétroaction haptique dans les airs peut également être combinée avec des techniques qui reconnaissent le mouvement. Le système suit alors le mouvement de votre main, dirigeant l'énergie ultrasonique exactement là où se trouvent vos doigts. Ceci est particulièrement utile pour la téléchirurgie, par exemple, où la combinaison des deux techniques permet au chirurgien de "sentir" à distance le tissu qu'il touche.
Pour convertir l'énergie ultrasonore en une vibration tangible, vous avez besoin de plusieurs sources « ultrasonores » disposées en matrice. Chacun de ces "tambours" envoie de l'énergie dans toutes les directions, comme dans une onde sphérique. L'énergie qui provient d'une telle source génère la même sensation à différents points de la même atmosphère et n'offre donc pas une interaction utilisateur très précise. Mais en intégrant les déphasages appropriés entre les différentes sources, l'énergie ultrasonore peut être amplifiée en un ou plusieurs points, tout en s'estompant en d'autres. Par exemple, le nuage d'énergie ultrasonore peut être « malaxé » en trois dimensions, une sorte d'hologramme acoustique.
Cependant, l'énergie ultrasonique avec des fréquences supérieures à 20 kHz ne peut pas être détectée par les récepteurs de nos doigts. Dans une étape suivante, la fréquence doit être abaissée en dessous de 500 Hz pour être toujours « perceptible ».
La précision avec laquelle nous ressentons l'hologramme acoustique dépend de la fréquence à laquelle l'onde ultrasonore est émise (la fréquence porteuse). Plus cette fréquence est élevée, plus l'interaction avec nos récepteurs est fine, et donc meilleure est la résolution de l'hologramme acoustique. Par exemple, pour une fréquence porteuse de 40 kHz, la résolution de l'hologramme est de l'ordre du centimètre. Celle-ci s'améliore au millimètre lorsque l'onde est transmise à une fréquence de quelques MHz. A ces fréquences plus élevées, les ondes ultrasonores sont plus facilement absorbées par l'air. Il s'agit donc de trouver un juste milieu. Si l'on veut pouvoir observer des ondes ultrasonores à une distance de, par exemple, 1 cm de la source "haptique", la voie médiane semble être d'environ 400 kHz.
Les tambours qui génèrent un retour haptique sont en fait des transducteurs à ultrasons qui convertissent des signaux électriques (plus précisément une tension alternative) en ondes ultrasonores. Dans les premières applications, on retrouve des convertisseurs piézoélectriques classiques qui utilisent des éléments piézoélectriques céramiques volumineux. Si on y applique une tension, la forme de ces éléments change. Une tension alternative fait osciller les éléments à la même fréquence, créant des ondes ultrasonores. La fréquence de résonance dominante est déterminée par l'épaisseur des éléments piézoélectriques.
Les premières applications utilisant ces transducteurs ultrasonores classiques (transducteurs ultrasonores ou UT) sont déjà sur le marché - généralement sous la forme de modules "plug-and-play" qui permettent d'ajouter des boutons virtuels ou des sensations magiques aux interfaces existantes d'appareils intelligents . Mais parce qu'ils sont épais et volumineux, la fréquence des ondes ultrasonores est limitée, de sorte que l'interaction avec l'utilisateur ne peut jamais être très précise.
Ces dernières années, l'idée d'utiliser à cet effet des transducteurs ultrasonores micro-usinés (UT ou MUT micro-usinés) a fait son chemin. Dans les MUT, des MEMS ou des systèmes micro-électromécaniques sont déployés pour émettre de l'énergie ultrasonore. Ces MUT présentent de nombreux avantages :ils sont beaucoup plus petits et ont une plage de fréquence plus large. Vous pouvez regrouper un grand nombre de ces MUT dans une grande matrice et ils peuvent être mieux intégrés à l'électronique de support.
Ces transducteurs ultrasoniques micro-usinés offrent de nombreuses autres possibilités. Par exemple, ils permettent des solutions petites et portables qui produisent une expérience haptique plus fine. Ainsi, le retour haptique permettra par exemple d'améliorer le contrôle à distance des machines et de créer des interfaces homme-machine plus riches, par exemple pour la voiture. La technologie peut également être utilisée pour étendre le très petit écran tactile de votre smartwatch en une interface de la taille de toute votre main. Ou de porter la publicité numérique à un niveau supérieur au moyen de grandes affiches interactives « haptiques ». En faisant ressentir des objets aux gens, il peut devenir un élément essentiel des systèmes de réalité virtuelle et augmentée. Il pourra jouer sur notre sens du toucher à distance, par exemple pour nous donner une poignée de main virtuelle. Et en téléchirurgie, le retour haptique associé à la reconnaissance des mouvements peut apporter une grande valeur ajoutée au chirurgien, en lui permettant de sentir à distance le tissu ou l'os qu'il manipule.
Deux familles différentes de MUT sont examinées :le MUT piézoélectrique ou pMUT – l'équivalent micro-usiné du transducteur piézoélectrique classique – et le MUT capacitif ou cMUT. Dans cette dernière variante, les forces électrostatiques font vibrer une membrane.
Imec développe des plateformes technologiques pour les pMUT, s'appuyant sur ses nombreuses années d'expertise dans le développement de MEMS. Les équipes de recherche travaillent sur deux plates-formes différentes :une plate-forme compatible CMOS silicium (ou, une plate-forme compatible avec la technologie des puces standard) et une plate-forme compatible avec l'affichage (ou, une plate-forme compatible avec la technologie utilisée pour afficher l'électronique sur créer des "grandes surfaces"). Chacune de ces plates-formes apporte ses propres avantages et défis.
Les pMUT peuvent être appliqués directement sur une puce (fabriquée à partir de la technologie CMOS au silicium). De cette manière, la matrice de pMUT peut être facilement intégrée à l'électronique qui contrôle et lit les pMUT. Cela crée des matrices de pMUT fonctionnant bien qui permettent une rétroaction haptique à haute résolution. La puce pMUT a des dimensions maximales de généralement 2x2cm.
Imec s'est récemment associé à un fabricant de puces pour développer une plateforme pMUT générique basée sur cette technologie. Dans la plate-forme, le nitrure d'aluminium est utilisé comme matériau « vibrant » piézoélectrique. Cela permet de transmettre des ondes ultrasonores avec des fréquences comprises entre 3 et 15 MHz. Pour être utile au retour haptique, imec et son partenaire abaissent les fréquences de cette plateforme générique à 200-600kHz. Ceci est possible en utilisant des diaphragmes plus grands (généralement de 0,8 à 1,5 mm de diamètre) avec un rapport largeur/hauteur plus important. La conception et la fabrication de la puce pMUT peuvent être adaptées à une application particulière, et la puce peut être produite en volumes faibles ou élevés.
Une deuxième famille de technologies pMUT utilise des polymères pour fabriquer des pMUT, en utilisant une technologie compatible avec l'affichage. Le principal avantage de ceci est que les ondes ultrasonores peuvent désormais être regroupées à partir d'un grand écran (jusqu'à des dizaines de cm de taille), ce qui se traduit par une plus grande puissance et une expérience haptique sans contact plus précise.
Grâce à cette technologie, la sensation de rétroaction haptique dans les airs peut être ressentie à une plus grande distance - pensez aux grandes affiches « haptiques » interactives comme la prochaine étape de la publicité numérique. Et cela ne doit pas nécessairement se limiter aux écrans :vous pouvez même générer un retour haptique dans les airs à partir des fenêtres de votre maison.
Cette technologie est encore en plein développement chez imec, mais a déjà prouvé ses capacités dans les premières preuves de concepts. Ainsi, une matrice de 4cmx4cm pouvait déjà être réalisée dans laquelle 64x64 pMUTs (disposés en quatre plus petites matrices 32x32) de 480µm de diamètre étaient placés.
Les premières applications commerciales du retour haptique ont déjà trouvé leur place sur le marché. Cependant, en plus du retour haptique, les transducteurs à ultrasons ont bien plus à offrir. La capacité de transmettre l'énergie des ultrasons à un seul point focal ouvre de nouvelles portes au monde médical. Ils peuvent être utilisés pour la neuromodulation (stimulation ou suppression de certaines parties du cerveau), dans la chirurgie du cerveau ou les traitements contre le cancer. Les transducteurs à ultrasons peuvent également être utilisés pour générer un son « direct ». L'énergie ultrasonique est regroupée (et perturbée) de telle manière que le signal n'est audible que pour un auditeur spécifique.
De plus, les transducteurs à ultrasons micro-traités peuvent également servir d'instrument de mesure, pour la détection d'empreintes digitales ou pour l'imagerie médicale, comme pour les appareils à ultrasons portables, les patchs cardio ou l'imagerie cérébrale - grâce auxquels les structures corporelles peuvent être imagées sans rayonnement. Et ils ouvrent de nouveaux marchés dans la reconnaissance de mouvement - où les ultrasons peuvent fournir une solution alternative aux radars actuels ou aux capteurs de mouvement basés sur la lumière.
