משוב משיש מוסיף ממד חדש לחוויית המשתמש וטומן בחובו פוטנציאל מסקרן לשימושים כמו ממשק אדם־מכונה מתקדם וניתוחים מרחוק. לממשקי משתמש שלא מבוססים על מגע פיזי, ובהם פקודות קוליות ומשוב משיש, יהיה תפקיד מרכזי בעידן שאחרי משבר נגיף הקורונה (COVID-19). הדור הראשון של הממשק המשיש מבוסס על מתמרי אולטרה־סאונד (על־שמע) פיאזואלקטריים מסורבלים שאינם נוחים לשימוש, בעלי רגישות מוגבלת ולא מאפשרים בניית מכשירים קטנים וניידים. כתשובה לאתגרים האלה הציגו דניס מרקון (Denis Marcon) ושביאר רוטנברג (Xavier Rottenberg) מ־imec מתמרי אולטרה־סאונד זעירים לשימושים חדשים. כיום מתמקד הפיתוח בשתי פלטפורמות טכנולוגיות שונות: Si-CMOS ומערכי מתמרים גדולים לצגים, והן כבר עושות את צעדיהן הראשונים בשוק.
איור 1: משוב משיש דרך האוויר מאפשר למשתמשים לעבוד עם מערכות חכמות מבלי לגעת בהן בפועל
חוש המישוש
אולטרה־סאונד (על־שמע) הוא קול בתדירות גבוהה מזאת שהאדם יכול לשמוע, כלומר תדירות גבוהה מ־20kHz. טכנולוגיות המשתמשות בגלי אולטרה־סאונד משמשות אותנו כבר עשורים מספר, בעיקר בתחום הדימות הרפואי. הדוגמה הטובה ביותר היא בדיקת אולטרה־סאונד רפואית (שבשמה המקצועי נקראת סונוגרפיה) שהחלה לשמש ככלי אבחון כבר בשנות ה־40 של המאה ה־20. בבדיקת אולטרה־סאונד עוברים גלי קול אולטרה־סוניים דרך רקמות הגוף וגלי הקול שחוזרים מותמרים לאותות חשמליים שמתורגמים לתמונה של האיברים הפנימיים.
מה שפחות ידוע הוא שטכנולוגיית האולטרה־סאונד יכולה לשמש גם בממשקי אדם־מכונה חכמים ולהעניק למשתמש תחושת מגע. בשימושים מסוג זה הטכנולוגיה משמשת כרכיב הפעיל ולא כחיישן. הרכיב הפעיל פולט אנרגיה אולטרה־סונית, שהיא סוג של אנרגיה מכנית היוצרת גלי לחץ שעוברים דרך האוויר.
מכיוון שאנחנו יכולים לחוש את האנרגיה הזאת באמצעות קולטני המגע שבקצות אצבעותינו, בכוחה של הטכנולוגיה לעמוד במרכזם של שימושים חדשים ומסקרנים, ובהם ממשקי אדם־מכונה ברכבים, צגים מתקדמים או שליטה מדויקת על רובוטים בסביבת ייצור. אחד השימושים המסקרנים ביותר הוא ממשק אדם־מכונה משיש שבו המכונה יכולה להעביר לאדם תחושת מגע ללא מגע בפועל. במקביל נחקרות גם גישות ללא מגע, שבהן הגלים האולטרה־סוניים מייצרים שדה לחץ מקומי שמתבטא בתחושת מגע קל. גישה זאת נקראת ‘משוב משיש דרך האוויר’ והיא מאפשרת למשתמשים לעבוד עם עצמים מבלי לגעת בהם בפועל ולהשתמש במכשירים אלקטרוניים בצורה היגיינית יותר, נושא שחשיבותו עלתה משמעותית לאחר התפרצות מגפת נגיף הקורונה (COVID-19).
משוב משיש דרך האוויר מאפשר למשתמשים לעבוד עם מערכות חכמות מבלי לגעת בהן בפועל.
אפשר להשתמש במשוב משיש דרך האוויר לצד טכנולוגיות לזיהוי מחוות תנועה, כך שהמערכת תעקוב אחרי תנועת היד של המשתמש ואז תשלח את תחושת המגע ישירות למיקום שבו נמצאות קצות האצבעות. דוגמה אחת לשימוש כזה היא ניתוחים מרחוק. השילוב של שתי הטכנולוגיות יכול להעניק למנתח המרוחק משוב משיש מדויק.
משוב משיש דרך האוויר: כך זה עובד
כדי להמיר גלים אולטרה־סוניים למגע צריך מערך של מקורות המייצרים גלים אולטרה־סוניים. כל אחד מהגלילים האלה יוצר אנרגיית קול הנפלטת לכל הכיוונים בצורת כדור. האנרגיה של כל מקור יוצרת תחושה זהה בכל הנקודות שבהיקף השדה דמוי הכדור ולכן תחושת המגע לא מדויקת. אולם, באמצעות סידור נכון של מקורות האנרגיה האולטרה־סונית לפי השינויים במופע, אפשר למקד את האנרגיה אולטרה־סונית בנקודה אחת או במספר נקודות, ולבטל אותה בכל שאר האזורים. בשיטה זאת אפשר לשנות את צורתו של ענן האנרגיה האולטרה־סונית לשלושה ממדים, ממש כאילו הוא הולוגרמה קולית.
עם זאת, קולטני המגע שבקצות האצבעות שלנו לא יכולים לחוש באנרגיה אולטרה־סונית בתדירות גבוהה מ־20kHz. לכן צריך להוריד את תדירות ההולוגרמה הקולית לתדירות נמוכה מ־500Hz שאותה אנחנו יכולים לחוש באצבעות.
רמת הדיוק שבה אנחנו חשים את ההולוגרמה הקולית משתנה בהתאם לתדירות הגל הנושא האולטרה־סוני. ככל שהתדירות הזאת גבוהה יותר, כך תחושת המגע מדוייקת יותר. לדוגמה: רזולוציית ההולוגרמה הקולית של גל נושא בתדירות 40kHz היא סנטימטרים. כשמעלים את תדירות הגל הנושא לתחום ה־MHz, משתפרת הרזולוציה הקולית למילימטרים. אך כאן נוצרת בעיה חדשה בגלל שבתדירויות הגבוהות האלו הגלים האולטרה־סונים נבלעים טוב יותר באוויר, כך שצריך לבחור את נקודת האיזון המתאימה בין הרזולוציה ליכולת של הגלים לעבור באוויר למרחק. מסתבר שתדירות סביב ה־400kHz היא המעניינת ביותר עבור משוב משיש דרך האוויר, בגלל יכולתה ליצור תחושת מגע במרחק של סנטימטר אחד מהמקור.
ממתמרים אולטרה־סוניים גדולים ומסורבלים אל מתמרים אולטרה־סוניים זעירים
מתמרים אולטרה־סונים הם רכיבים שממירים אותות חשמליים (מתח AC) לגלי קול, ולהפך. הדורות הראשונים של המערכות ליצירת משוב משיש מבוססים על מתמרים פיאזואלקטריים קרמיים מסורתיים גדולים ומסורבלים. החומר הפיאזואלקטרי משנה את צורתו וגדולו כתוצאה מהפעלת מתח חשמלי. כשמופעל מתח AC על החומר הפיאזואלקטרי, הוא מתחיל לרטוט בתדירות זהה לזאת של המתח. עובי החומר הפיאזואלקטרי קובע באילו תדירויות ירטוט החומר. הפתרונות הראשונים שכבר נמצאים בשימוש מסחרי מבוססים על מתמרים אולטרה־סוניים פיאזואלקטריים מסורתיים, אבל בגלל עוביים וגדולם הם מוגבלים לתדירות של 40kHz, שלא מאפשרת ליצור תחושת מגע מדויקת.
במהלך העשור האחרון, הרעיון להשתמש במתמרים אולטרה־סונים זעירים (בראשי תיבות באנגלית: MUT) הפך להרבה יותר מעשי. מתמרים אולטרה־סונים זעירים משתמשים במבנים זעירים מבוססי MEMS (מערכת מיקרו־אלקטרו־מכנית) לפליטת האנרגיה האולטרה־סונית. בזכות גודלם הקטן יותר, טווח התדירויות הגדול יותר והיכולת לשלבם בסוגי מערכות נוספים, המתמרים האולטרה־סוניים הזעירים הם הבסיס לדורות הבאים של הטכנולוגיה. הם מאפשרים לבנות מערכים דו־ממדיים גדולים של מתמרים וקל יותר להטמיע אותם במעגלים משולבים.
על הפרק עומדות שתי משפחות של מתמרים אולטרה־סוניים זעירים: מתמר אולטרה־סוני פיאזואלקטרי זעיר (להלן, pMUT) שהוא גרסה מוקטנת של המתמר הפיאזואלקטרי המסורתי; ומתמר אולטרה־סוני זעיר קיבולי (להלן, cMUT). במתמר אולטארסוני זעיר קיבולי (cMUT) מרעידים כוחות אלקטרוסטטיים קרום שהוא חלק מקבל של לוחות מקבילים.
הפלטפורמות הטכנולוגיות שעליהן מבוססים מתמרים אולטרה־סונים זעירים (MUT)
imec מפתחת פלטפורמות טכנולוגיות למתמרים אולטרה־סונים זעירים, תוך ניצול הניסיון המוכח שלה בפיתוח מערכות MEMS (מיקרו־אלקטרו־מכניות). בעבר, תשומת הלב התמקדה בפיתוח טכנולוגיות מתמרים מסוג cMUT עבור טכנולוגיית CMOS והיא הניבה פלטפורמה עתירת ביצועים של מתמרים בטכנולוגיית cMUT.
איור 2: מערך תאי cMUT בעלי עובי כפול
כיום מתמקד הפיתוח ב־imec בטכנולוגיות pMUT גנריות, שאותן אפשר להתאים לשימושי משוב משיש. מאמצי המחקר והפיתוח מתמקדים בשתי פלטפורמות של מתמרים מסוג pMUT: הראשונה עבור טכנולוגיית Si-CMOS והשנייה עבור ייצור צגים. לכל אחת מהפלטפורמות יתרונות, חסרונות ואתגרים משלה.
איור 3: עקרון הפעולה של טכנולוגיות cMUT ו־ .pMUT
מתמרים מסוג pMUT לטכנולוגיית Si-CMOS
במתמרים מסוג pMUT אפשר לבצע את עיבוד האותות ישירות מעל למעגל משולב בטכנולוגיית Si-CMOS. היתרון העיקרי של הגישה הזאת הוא היכולת להטמיע בקלות את מערך המתמרים מסוג pMUT עם יתר הרכיבים האלקטרונים באמצעות תיילים (Wire Bonding) או בטכנולוגיית Through-silicon via, ליצירת שבב אחד. תהליך הייצור הוותיק והמוכח בטכנולוגיית Si-CMOS עם מתמרים מסוג pMUT המבוססים על סיליקון, אפשר לייצר מערכים של מתמרי pMUT קטנים, יעילים ועם רזולוציה וביצועים גבוהים. גודלו של מתמר ה־pMUT הסופי הוא בדרך כלל 2×2 סמ”ר.
זאת הגישה שבה נקטה imec ובשותפות עם יצרנית שבבים פיתחה פלטפורמה גנרית של מתמרים מסוג pMUT עבור טכנולוגיית Si-CMOS, שבה החומר הפיאזואלקטרי הרוטט הוא אלומיניום ניטריד (בתוספת סקנדיום). הודות לשימוש בחומר הזה, התדירות של הגלים האולטרה־סונים הנפלטים היא 3MHz עד 15MHz. כדי שהפלטפורמה הגנרית תוכל לשמש בשימושי משוב משיש, מתאימות אותה imec ויצרנית השבבים שאיתה היא עובדת לתדירויות נמוכות יותר בטווח 200kHz עד 600kHz, על ידי שימוש בקרומים גדולים יותר (קוטר של 0.8 עד 1.5 מ”מ) ועם יחס ממדים גדול יותר. פלטפורמה גנרית פירושה שאפשר להתאים את תהליך ייצור המתמרים מסוג pMUT לשימושים מוגדרים לפי מפרט ואפשר לייצר אותה בכמויות גדולות או קטנות.
איור 4: תמונת מיקרוסקופ של מערך מתמרים מסוג .pMU
הפלטפורמות הטכנולוגיות שעליהן מבוססים מתמרים מסוג pMUT לצגים
משפחה נוספת של מתמרים מסוג pMUT מורכבת ממתמרי pMUT עשויים פולימר, שמיועדים לבניית מערכים גדולים לשימוש בצגים. יתרונה המהותי של הטכנולוגיה הזאת היא ביכולת לשדר גלים אולטרה־סונים ממערך מתמרים גדול (סדר גודל של כמה עד כמה עשרות סמ”ר) וכך להגדיל את כמות האנרגיה שנפלטת ואת דיוק המשוב המשיש. בכוחה של הטכנולוגיה הזאת ליצור משוב משיש העובר דרך האוויר למרחקים גדולים יותר. לדוגמה: כרזות פרסום דיגיטליות אינטראקטיביות. השימוש בטכנולוגיה הזאת לא מוגבל רק לצגים. היא יכולה לשמש גם ליצירת משוב משיש מחלונות,
וכבר קיימים אבות טיפוס מוקדמים להוכחת ההיתכנות. imec כבר ייצרה מערך בגודל 64×64 של מתמרים מסוג pMUT שגודלם 4×4 ס”מ וקוטרם 480 מיקרומטר. המערך בגודל 64×64 בנוי מארבעה מערכים בגודל 32×32. מכשירי הדור הראשון משתמשים בפולימר פיאזואלקטרי, ואילו הדורות הבאים שעליהם אנחנו עובדים היום ישתמשו בחומר פיאזואלקטרי קרמי.
איור 5: מערך בגודל 64×64 של מתמרים מסוג pMUT העשויים מפולימר.
מטרתה של imec היא לחבר את המערכים האלה של מתמרים מסוג pMUT עם טרנזיסטורים בטכנולוגיית TFT (טרנזיסטור מעטה דק) כרכיב האלקטרוני שמפעיל את הכל, ליצירת מערכי תצוגה בגדלים שכיום נראים עדיין דמיוניים. אחת מהגישות המעניינות היא להסב קווי ייצור ישנים של מסכים לטכנולוגיית המתמרים האולטרה־סונים הזעירים וכך לאפשר ייצור של מוצרים חדשים שיתבססו עליה. זהו מהלך דומה למה שנעשה בענף ייצור המעגלים המשולבים מטכנולוגיית CMOS, שם הוסבו קווי ייצור של שבבים בגודל 200 מ”מ לייצור MEMS ולבסוף לייצור מתמרים אולטרה־סונים זעירים.
הפוטנציאל הגדול של מתמרים אולטרה־סונים זעירים (MUT): ממשוב משיש לגירוי המוח
טכנולוגיית המשוב המשיש כבר נמצאת בשימוש מסחרי, בעיקר בצורת יחידות הרחבה להעשרת חוויית השימוש במערכות בידור, באמצעות לחצנים וירטואליים או תחושות מגע. הדור הראשון של המוצרים הזה משתמש במתמרים אולטרה־סונים מסורתיים גדולים ומסורבלים, המייצרים גלים בתדירות נמוכה (בדרך כלל 40kHz) ולכן מספקים חוויית משוב משיש מוגבלת.
המתמרים האולטרה־סונים הזעירים שצפויים לשמש בדורות הבאים יאפשרו בניית פתרונות קטנים, ניידים ועם משוב משיש מדויק יותר. מזעור הטכנולוגיה יאפשר להשתמש במשוב משיש להפעלת מכונות, ליצירת ממשקי אדם־מכונה מתקדמים לרכב וליצירת צגים חכמים. לדוגמה: הטכנולוגיה יכולה להחליף את מחוות המגע על המסך הקטן של שעונים חכמים או ליצור כרזות פרסומת דיגיטליות עם משוב משיש לחוויה אינטראקטיבית טובה יותר. כמו כן, משוב משיש יכול להפוך לחלק בלתי־נפרד ממערכות מציאות מדומה/מציאות רבודה, שעד עתה הציעו רק חוויה חזותית. היכולת ליצור תחושת מגע מרחוק פותחת פתח לתרחישי שימוש מעניינים כמו לחיצת יד וירטואלית. בענף הרפואה יכול המשוב המשיש, לצד טכנולוגיית מעקב תנועה, להצעיד קדימה את תחום הניתוחים מרחוק, מכיוון שהמנתחים יוכלו לחוש טוב יותר מה קורה בניתוח.
אבל משוב משיש הוא רק אחד השימושים של מתמרים אולטרה־סונים זעירים. היכולת למקד אנרגיה אולטרה־סונית בנקודה אחת מעוררת עניין רב בענף הרפואה לשימושים כמו אפנון עצבי, ניתוחי מוח או טיפול בסרטן. זאת ועוד, מתמרים אולטרה־סונים יכולים ליצור קול ממוקד: אנרגיה אולטרה־סונית ממוקדת שאותה אפשר לכוון (ולעוות) רק אל אוזנו של המאזין.
איור 6: תרשים של חלק מהשימושים האפשריים בטכנולוגיית אולטרה־סאונד.
כמו כן, מתמרים אולטרה־סונים זעירים יכולים לשמש כחיישנים במערכות דימות. על פי הדוח של Yole Development משנת 2018, יוצרים מתמרים מסוג cMUT ו־pMUT הזדמנויות חדשות בשווקים קיימים, ובהם בדיקות אולטרה־סאונד רפואיות וביומטריה, ובמקביל יוצרים גם שווקים חדשים כמו זיהוי תנועה – תחום שבו טכנולוגיית אולטרה־סאונד יכולה להחליף טכנולוגיות מכ”ם או פתרונות זיהוי תנועה מבוססי אור. בתחום הרפואה, טכנולוגיית האולטרה־סאונד יכולה לשמש במכשירים ניידים לביצוע בדיקות אקו לב, רפידות לניטור מצב הלב או לדימות מבנה המוח ללא שימוש בקרינה מייננת.
סרטון: https://vimeo.com/252350041
איור 7: מתוך הסרטון : אולטרה־סאונד היא הטכנולוגיה היחידה שמאפשרת לזהות מחוות ללא מגע ולספק משוב משיש בצורה חסכונית באנרגיה.
רוצה לדעת עוד?
- imec יכולה לעזור לך להתחיל לרתום את הפוטנציאל הלא מנוצל של טכנולוגיית האולטרה־סאונד ליצירת משוב משיש ולשימושים רבים נוספים. אנחנו מחפשים שיתופי פעולה עם שותפים ולקוחות מענפי מדעי החיים, חדשעשועות (אינפוטיימנט), תעשיית הרכב או כל שימוש אחר שבו יש צורך בחיישנים ובמפעילים תעשייתיים שיאתגרו את היכולות ההנדסיות של הטכנולוגיות שלנו. את הטכנולוגיות מבוססות הסיליקון שלנו אפשר להתאים לשימוש מוגדר לפי מפרט, והודות למומחיות ולתשתית שיש לנו, אנחנו יכולים לדאוג לכל שלבי הפיתוח בעצמנו. הייצור בכמויות קטנות או גדולות נעשה דרך חברת ייצור השבבים שאיתה אנחנו עובדים. איך ליצור איתכם קשר? לשאלות ולמידע נוסף אפשר לכתוב אל דניס מרקון (Denis Marcon), מנהל הפיתוח העסקי של imec.
- לקריאת הדוח של Yole Development לשנת 2018.
אודות דניס מרקון (Denis Marcon)
דניס מרקון סיים את לימודים לתואר שני (M.Sc) באוניברסיטת פדובה בשנת 2006. משם המשיך דניס ללימודי דוקטורט (PhD) בהנדסה באוניברס
יטת לוון וב-imec, אותם סיים בשנת 2011. הוא כתב והשתתף בכתיבת יותר מ־50 מאמרים שפורסמו בכתבי־עת מדעיים והרצאות שהוצגו בכנסים. כיום הוא מכהן כמנהל הפיתוח העסקי של imec בבלגיה ובמסגרת תפקידו אחראי על השותפויות של imec בתחומי הגליום ניטריד (GaN) ופרויקטים ייעודיים לפיתוח מכשירים וחיישנים מבוססי סיליקון.
אודות שביאר רוטנברג (Xavier Rottenberg)
שביאר רוטנברג הוא המנהל המדעי וראש קבוצת החיישנים והמפעילים מבוססי גלים ב־imec. הוא מחזיק בתואר Msc בהנדסת פיזיקה משנת 1998 ובתואר בפיזיקה תיאורטית משנת 1999 מהאוניברסיטה החופשית של בריסל (Université Libre de Bruxelles) שבבלגיה. בשנת 2008 השלים את לימודי
הדוקטורט שלו בהנדסת חשמל באוניברסיטת לוון (KU Leuven) שבבלגיה. הוא עבד במשך שנה במכון המטאורולוגי המלכותי של בלגיה (Royal Meteorological Institute of Belgium), שם עסק בחישה מרחוק מהחלל, והצטרף אל im
