Fabrication and characterization of flexible ultrasound transducers for mid-air haptic feedback application

The aim of this thesis was to investigate the potential application of flexible printed polymer-based ultrasound transducers as alternative and low-cost technology for the development of transducer arrays for mid-air haptic feedback applications. Commercial transducers are often based on PZT and are produced as discrete devices. Their performance is very good in terms of sensitivity and frequency range of operation. However, to fabricate arrays of transducers individual components need to be assembled together in such a way that a phase-controlled operation becomes possible. This comes with a logical consequence that, in particular for larger arrays with many elements, the product becomes increasingly expensive. Recent innovations in flexible electronics allow to monolithically fabricate in parallel several elements by employing printing techniques and the use of polymeric materials. By combining thin films electronics processing methods with ultrasound technology, it is possible to fabricate arrays of transducers on plastic foils. Various advantages can be addressed to these new flexible devices over conventional transducer arrays based on PZT, such as the possibility of integration into products where form factor is important, the lead-free nature and the suitability for curved surfaces. For this purpose, this research focuses on the fabrication and characterization of flexible polymer-based ultrasound transducers. The device structure is comprised of a piezoelectric polymeric thin film sandwiched between conductive electrodes. The transduction mechanism upon application of an electric field originates from the vertical vibration of a membrane made of piezoelectric material, which generates ultrasound waves. The ferroelectric copolymer P(VDF-TrFE) was deposited as active layer via stencil printing onto a Polyimide (PI) substrate. Calibration of the main annealing parameters enabled to control surface roughness and morphology of the polymeric printed film, as well as its crystalline phase. Conductive and flexible thin films were deposited as electrode layers. Hysteresis loop and impedance measurements were performed to electrically characterize the piezoelectric layer as function of annealing temperature, after a proper poling procedure. Several transducer configurations were developed in order to investigate the functionality and the influence of a supporting mechanical layer based on photoresist material, along with the reliability and reproducibility of its fabrication process. Furthermore, the influence of an additional barrier layer on the preservation of the piezoelectricity of the active layer was evaluated. Various array’s geometries were considered as optimal arrangement of transducers to generate the targeted acoustic features, such as resonance frequency and sound pressure level. Acoustic characterization and modelling were performed in collaboration with TNO-Acoustics and Sonar.

Lo scopo di questa tesi è la realizzazione di trasduttori a ultrasuoni flessibili basati su polimeri stampati utilizzabili come tecnologia alternativa e a basso costo per la creazione di reticoli di trasduttori in grado di generare un “mid-air haptic feedback”, ossia uno stimolo tattile percepibile dall’essere umano a mezz’aria. I trasduttori commercialmente disponibili al giorno d’oggi sono solitamente basati su materiale ceramico, PZT in particolare, e vengono prodotti sotto forma di singoli dispositivi. Le loro performance, espresse in termini di sensibilità e di intervallo di frequenze di funzionamento, risultano essere molto elevate. Ciononostante però, per fabbricare un reticolo di trasduttori funzionante tramite “phased-control”, ovvero tramite il controllo della fase, non esiste altro modo oggigiorno se non l’assemblaggio di dispositivi individuali precedentemente prodotti. Ovviamente questa procedura di assemblaggio comporta costi molto elevati, specialmente per reticoli composti da un alto numero di componenti, essendo i materiali e i processi di fabbricazione di un singolo trasduttore molto costosi. Le recenti innovazioni nell’elettronica flessibile hanno permesso di fabbricare monoliticamente diversi elementi in parallelo tramite tecniche di stampaggio all’avanguardia e l’utilizzo di materiali polimerici, i quali si prestano molto bene a questo tipo di applicazione. Pertanto, applicando questi innovativi metodi di produzione, quotidianamente utilizzati nell’industria della microelettronica, alla tecnologia ad ultrasuoni, è possibile fabbricare reticoli di trasduttori su fogli flessibili con spessori notevolmente ridotti, inferiori al millimetro. Questa nuova generazione di dispositivi presenta molti vantaggi rispetto ai reticoli convenzionali basati su piombo-zirconato di titanio: (1) essendo costituiti da materiali polimerici, non contengono più piombo, sostanza potenzialmente tossica per l’organismo umano, (2) possono essere facilmente integrati all’interno di prodotti in cui il fattore di forma è molto importante, quali smartphone, computer o dispositivi indossabili, e (3) sono applicabili anche su superfici curve. Con questi obiettivi, la tesi di ricerca si è concentrata sulla fabbricazione e caratterizzazione di trasduttori ad ultrasuoni flessibili a base polimerica, la cui struttura è composta da uno strato di polimero piezoelettrico inserito tra due elettrodi. Il meccanismo di trasduzione avviene tramite la vibrazione verticale di una membrana piezoelettrica in seguito all’applicazione di un campo elettrico, la quale genera onde ultrasoniche. Il copolimero ferroelettrico utilizzato, il P(VDF-TrFE), viene depositato tramite stencil-printing sotto forma di layer attivo su un substrato flessibile di poliimmide (PI). La calibrazione dei principali parametri di annealing, processo termico utilizzato comunemente per l’evaporazione di solventi, ha permesso di controllare non solo la rugosità e morfologia superficiale del film stampato, ma anche la sua fase cristallina. Misure di impedenza e di curve di isteresi del dispositivo hanno permesso poi di caratterizzare dal punto di vista elettrico il layer attivo in funzione della temperatura di annealing, una volta sottoposto al processo di polarizzazione. Diverse strutture per il trasduttore sono state sviluppate in modo da potere studiare la funzionalità e l’influenza di un layer meccanico aggiuntivo costituito da materiale fotoresist, insieme all’affidabilità e riproducibilità del suo processo di fabbricazione basato su fotolitografia. È stato inoltre anche analizzato l’impatto di possibili film sottili, inseriti tra i principali layer che costituiscono il dispositivo, sulle proprietà piezoelettriche dello strato attivo per garantirne la loro conservazione. Si sono considerate poi diverse geometrie di posizionamento dei trasduttori nel reticolo con lo scopo di trovare quale fosse la più ottimale per generare ultrasuoni con specifiche proprietà acustiche, come la frequenza di risonanza e il livello di pressione sonora. Con la collaborazione del dipartimento di Acoustics and Sonar di TNO sono prima state studiate tramite modelli teorici e poi successivamente misurate le proprietà acustiche del dispositivo finale.