Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz ermöglicht die generelle Herstellung taktiler Displays mit fotolithographischen Methoden. Dabei werden alle Aktorelemente Schicht für Schicht und gleichzeitig während des Herstellungsprozesses erzeugt. Somit ist eine Miniaturisierung und Skalierung möglich, wie sie für Prozesse in der Halbleitertechnik üblich ist.
Um die Aktorgröße jedes einzelnen Aktors zu kontrollieren, wurde das temperatursensitive Hydrogel Poly(N-Isopropylacrylamid) verwendet und zur Steuerung eine elektronikkompatible thermische Schnittstelle entwickelt. Dabei entsteht ein hochaufgelöstes thermisches Feld, welches aktorgenau den Zustand von jedem visuellen Pixel und taktilem Taxel einstellt. Es wurde ein System zur Wiedergabe von sowohl glatten als auch rauen Oberflachen und ein weiteres System zur Wiedergabe von Konturen aufgebaut. Da die Aktoren ihre optischen Eigenschaften verändern, haben die Displays damit zusätzlich auch eine visuelle,
monochrome Funktionalität.:1 Einleitung
2 Präzisierte Problemstellung
3 Stand der Technik
3.1 Haptik
3.2 Kutane Displays
3.3 Taktile Wahrnehmung als Grundlage kutaner Displays
3.3.1 Frequenzabhängigkeit der Hautwahrnehmung
3.3.2 Sensortypen der Haut
3.3.3 Zusammengesetzte Wahrnehmung und Wahrnehmbarkeitsschwellen
3.3.4 Auswahl des Aktorfunktionsprinzips
3.4 Grundlagen stimulisensitiver Hydrogele
3.4.1 Arten von Gelen
3.4.2 Thermodynamisches Gleichgewicht der Gelquellung
3.4.3 Quellkinetik: Zeitliche Beschreibung der Quellung
3.4.4 Herstellung von Hydrogelstrukturen
3.5 Erzeugung eines Temperaturprofils zur Aktorsteuerung
4 Herstellung des Aktorchips und Elementansteuerung
4.1 Trägersubstratherstellung
4.1.1 Trägersubstrat-Schichtaufbau: vereinfachtes Modell
4.1.2 Projektionsschicht
4.1.3 Herstellung einer transparenten Schicht definierter thermischer Eigenschaften
4.2 Aktorarrays auf Hydrogelbasis
4.3 Fotolithografischer Prozess
4.3.1 Belichtungseinheit
4.3.2 Lichtleistung und Uniformität
4.3.3 Fotolithografische Maske
4.3.4 Proximity-Belichtung – 1:1 Schattenprojektion
4.4 Hydrogelsynthese
4.4.1 Vernetzergehalt
4.4.2 Fotoinitiator
4.4.3 Losungsmittel- und Monomerkonzentration
4.4.4 Lösungsmittelqualitat und Temperatur
4.4.5 UV-Intensitat
4.4.6 Lithografische Hydrogelstrukturierung
4.4.7 UV-Belichtungszeit
4.4.8 Belichtungsprozess und Lichtleistung
4.4.9 Auswirkungen von Sauerstoff auf die Hydrogelstruktur
4.5 Strukturierungsgrenze
4.6 Haftvermittlung zwischen Hydrogelaktoren und Tragersubstrat
4.7 Thermische Aktorsteuerung
4.7.1 Temperatursteuerung im Quellungsgleichgewicht
4.7.2 Quellverhalten bei schneller Temperaturanderung und kurzer Quellzeit
4.8 Fertigungstechnologie fur Grosflächenmikrostrukturierung
4.8.1 Herstellung von Grosflächenmaster
4.8.2 Elastische Displayabdeckung
4.8.3 Mikrofluidische Quellmittelversorgung des Aktorchips
5 Optoelektrothermischer Controller
5.1 Konzept Warmesteuerung durch Licht
5.2 Aktorchip-Aufnahmeeinheit mit Licht-Wärme-Umwandlung
5.3 Mechanischer und optischer Aufbau
5.4 Zusatzoptik für Projektion auf 2,5 Zoll Displaydiagonale
5.5 Umlenkspiegel
5.6 Leistungsparameter der verwendeten Projektions-Systeme
5.7 Projektorcharakteristik
5.8 Setup der Thermografiekamera
5.9 Optimierung und Charakterisierung der Aktorsteuerung
5.9.1 Design-, Betriebs- und Messgrosen der thermischen Steuerung
5.9.2 Dimensionierung und Optimierung der thermischen Steuerung
5.9.3 Zeitliche und räumliche Auflösung der Aktorsteuerung
5.9.4 Optische Temperaturbestimmung durch Kontrastfunktion
6 Multimodales Display
6.1 Displayfunktionen
6.1.1 Basisaktorchip als Aktorarray mit Substrat und Abdeckung
6.1.2 Monochrome Displayfunktion
6.1.3 Ausgabe taktiler Oberflächeneigenschaften
6.1.4 Taktile Kantenhervorhebung der Kontur
6.2 Kombinierte Monochrom und Displacementfunktionalität
7 Zusammenfassung
8 Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:76546 |
| Date | 10 November 2021 |
| Creators | Paschew, Georgi |
| Contributors | Richter, Andreas, Czarske, Jürgen, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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