Touchscreens op mobiele handheld-apparaten kunnen detecteren of en waar een gebruiker het scherm aanraakt, maar standaardtechnologie kan niet bepalen hoeveel druk wordt uitgeoefend. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de University of California San Diego en de University of Texas in Austin hebben een nieuwe technologie voor 'force sensing' gedemonstreerd die aan elk type display kan worden toegevoegd, inclusief flexibele apparaten, en mogelijke andere toepassingen gaan veel verder dan touchscreen-displays op mobiele apparaten.

Voordat hij afstudeerde aan de Jacobs School of Engineering van UC San Diego, alumnus elektrotechniek en computertechniek Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16) werkte samen met collega's, waaronder zijn adviseur, hoogleraar elektrotechniek Shadi Dayeh, om een ​​startend bedrijf af te stoten, Dimensionale aanraking. Hij werd ook toegelaten tot de NSF I-Corps I- en II-programma's die academici helpen nieuwe technologie te commercialiseren.

Vanaf dat moment, het team heeft aangetoond dat op zinkoxide gebaseerde dunne-filmtransistorsensoren eenvoudig kunnen worden geïntegreerd met bestaande commerciële geïntegreerde schakelingen die veel worden gebruikt om aanraakschermen te bedienen (waarin een variant van zinkoxide, indium gallium zinkoxide, wordt al gebruikt).

"Het is al generaties lang bekend dat zinkoxide goede piëzo-elektrische eigenschappen heeft en fabrikanten gebruiken al indium-gallium-zinkoxide in displays, "Zei Dayeh. "Dus het leek erop dat het gebruik van zinkoxide in een dunne-filmtransistor naadloos zou integreren in de processtroom die al door fabrikanten van aanraakschermen wordt gebruikt."

Het team van Dayeh ontwikkelde en optimaliseerde de technologie zodat deze tegelijkertijd als transistor en als krachtsensor functioneert.

"We hebben vastgesteld dat we de prestaties van de transistor en de drukgevoeligheid kunnen verbeteren door de zinkoxide-afzetting in een zuurstofrijke omgeving uit te voeren, "Zei eerste-auteur Vishniakou. "De kosten van de technologie worden ook verlaagd omdat deze kan worden geïntegreerd in een display op het niveau van de backplane."

Dayeh is de hoofdauteur van een artikel dat op 22 januari online in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen Technologieën. Naast eerste auteur Vishniakou, Tot de co-auteurs van Dayeh behoren drie andere afgestudeerde studenten in zijn Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory - Renjie Chen, Yun Goo Ro en Cooper Levy – evenals Christopher J. Brennan en Prof. Edward T. Yu van het Microelectronics Research Center van de UT Austin. De onderzoekers van de UT Austin pionierden in de eerste plaats met scanningsondemetingen en voerden de piëzo-elektrische krachtmeting uit van de dunne-filmtransistorapparaten gebouwd door hun medewerkers van het Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory van UC San Diego.

Dageh, wiens expertise een innovatieve mix van elektronische materialen en apparaten op nanoschaal en hun gebruik in bio-interfaces omvat, heeft ook aanstellingen bij de afdeling NanoEngineering en het Materials Science and Engineering Program, beide aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Force sensing stelt gebruikers in staat om op een transparant aanraakscherm te tekenen, net als met een potlood of penseel, om een ​​dunnere of donkerdere lijn te tekenen door licht of met meer kracht op papier of canvas te drukken. Hoewel Apple's Force Touch-technologie die in iPhone 7 werd geïntroduceerd, een extra laag onder het scherm vereiste, de nieuwste technologie kan krachtdetectie toevoegen aan elk type display, inclusief flexibele en lichtgewicht displays.

De productie kan ook sneller opschalen, omdat de dunne-filmtransistoren van zinkoxide kunnen worden gebouwd op dunne glazen wafels die buigen. Volgens Dayeh, het team werkte met flexibel glas van Corning Inc. dat 100 micrometer dik is, en bouwde een reeks van 16x16-elementen die effectief kunnen buigen met de backplane. "We hebben aangetoond dat je uniforme en betrouwbare prestaties kunt hebben over de dunne-filmtransistors op de array, zelfs op deze dunne buigbare oppervlakken, " voegde Dayeh toe (rechtsboven afgebeeld, met alumnus Siarhei Vishniakou).

De onderzoekers hebben de arrays onderworpen aan een reeks tests met systematische materiaalafzetting, microscopie en piëzo-elektrische karakterisering. Het eindresultaat:een reeks schaalbare, krachtige en solid-state krachtsensoren vervaardigd op dunne, buigbare glazen wafels.

"De sensoren op basis van dunne-filmtransistortechnologie van zinkoxide kunnen eenvoudig worden geschaald naar zeer grote gebieden door de gelijktijdige werking van elke sensor als schakelaar, " merkte Dayeh op. "We hebben ze ook geoptimaliseerd voor een uitstekende drukgevoeligheid, een hoge aan-uitverhouding voor de transistors, en lage latentie."

Inderdaad, latency - de vertraging in reactietijd voor de sensor om de aanwezigheid van druk te detecteren - daalde tot minder dan een milliseconde, wat beter is dan de huidige vertragingen die als voldoende worden beschouwd voor een succesvolle commercialisering van array-druksensoren. Verder, volgens het papier, het team is van mening dat er nog steeds "aanzienlijk potentieel is om de temporele prestaties en gevoeligheid van het apparaat te verbeteren".

De experimenten aan UC San Diego werden uitgevoerd, gedeeltelijk, in de Nano3-cleanroomfaciliteit van het Qualcomm Institute, die de kern vormt van de door de National Science Foundation gefinancierde San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI), een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure. Aanvullend transmissie-elektronenmicroscopiewerk werd uitgevoerd in het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy in Los Alamos National Laboratory en Sandia National Laboratories.

Om de commerciële levensvatbaarheid van de sensoren aan te tonen, Dayeh en zijn co-auteurs werkten samen met Synaptics, Inc., een Bay Area-bedrijf dat een bestaande commerciële IC-controller voor aanraakschermen heeft geconfigureerd om de veranderingen in stroom in de zinkoxidetransistors onder aanraakdruk te meten (zie video).

"We hebben toenames in de stroom gemeten terwijl we op de transistors drukten, " zei Vishniakou, "en de gevoeligheid was over het algemeen erg hoog."

"Met de introductie van krachtdetectie in mobiele handheld-apparaten, het wordt van cruciaal belang om krachtdetectieoplossingen te ontwikkelen die schaalbaar zijn, dun, licht en kostenbesparend, " zei Dayeh. "Wij zijn van mening dat de zinkoxidetechnologie een voortrekkersrol speelt voor integratie in touchscreentechnologieën, omdat het halfgeleidend is, transparant en heeft een hoge piëzo-elektrische coëfficiënt."

In verband met het NSF I-Corps-programma, Vishniakou en Dayeh hebben gesprekken gevoerd met verschillende potentiële partners of licentiehouders voor de technologie. Dayeh gelooft dat de technologie nog rijp is voor commercialisering, maar het kan de fabricage vereisen van een bijna-definitief apparaat dat een echt product zou vertegenwoordigen dat een fabrikant zou kunnen aanpassen en verkopen zonder al te veel verdere R&D. "Onze volgende stap is om op te schalen van onze bestaande 1'' x 1'' apparaatoppervlakte naar een echt touchscreen van telefoonformaat. We hebben ook productiefaciliteiten geïdentificeerd die ons proces kunnen uitvoeren, en we zijn momenteel met hen in gesprek over de mogelijke gezamenlijke ontwikkeling."

"Er zijn een aantal andere bedrijven die force sensing in touchscreens proberen te brengen, maar onze oplossing is de enige zonder bewegende delen, is schaalbaar tot grote afmetingen, en kan worden geïntegreerd in de backplane van het beeldscherm met behulp van bestaande productieapparatuur". Apple's 3-D Touch is een potentiële rivaal, maar volgens Dayeh, het voegt dramatisch meer gewicht toe aan een smartphone in vergelijking met wat de zinkoxide-technologie zou wegen wanneer het rechtstreeks in de ruggengraat van het scherm wordt geïntegreerd. De potentiële kostenbesparingen door de door UC San Diego ontwikkelde technologie kunnen enorm zijn.

Naast beeldschermen, Dayeh gelooft dat zinkoxide een nieuwe dimensie kan toevoegen aan videogames. "Gamen brengt veel interactie met het spel en andere spelers met zich mee, ' merkte hij op. 'Omdat je de druk voelt en een bijna realtime reactie op die druk kunt zien, deze technologie zou een ander hulpmiddel kunnen zijn in de gereedschapskist van de gamer."