Forskere udvikler tynd, gennemsigtige og lette tryksensorer med touchskærm

Touchskærme på mobile håndholdte enheder kan registrere, om og hvor en bruger rører ved skærmen, men standardteknologi kan ikke bestemme, hvor meget pres der udøves. Nu, forskere ved University of California San Diego og University of Texas i Austin har demonstreret en ny teknologi til 'force sensing', der kan føjes til enhver type skærm, herunder fleksible enheder, og potentielle andre anvendelser går langt ud over berøringsskærme på mobile enheder.

Før han dimitterede fra UC San Diego's Jacobs School of Engineering, el- og computeringeniøralumne Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16) arbejdede sammen med kolleger, herunder sin rådgiver, elektroingeniør professor Shadi Dayeh, at udskille en nystartet virksomhed, Dimensional Touch. Han blev også optaget i NSF I-Corps I- og II-programmerne, der hjælper akademikere med at kommercialisere ny teknologi.

Siden da, holdet har demonstreret, at zinkoxid-baserede tyndfilmstransistorsensorer let kan integreres med eksisterende kommercielle integrerede kredsløb, der i vid udstrækning anvendes til at styre berøringsskærme (hvori en variant af zinkoxid, indium gallium zinkoxid, er allerede brugt).

"Det har været kendt i generationer, at zinkoxid har gode piezoelektriske egenskaber, og producenter bruger allerede indium gallium zinkoxid i skærme, " sagde Dayeh. "Så det så ud til, at brugen af ​​zinkoxid i en tyndfilmstransistor sømløst ville integreres i det procesflow, der allerede anvendes af producenter af berøringsskærme."

Dayehs team udviklede og optimerede teknologien, så den samtidig fungerer som en transistor og som en kraftsensor.

"Vi har fastslået, at vi kunne forbedre transistorydelsen og trykfølsomheden ved at foretage zinkoxidaflejringen i et iltrigt miljø, " sagde førsteforfatter Vishniakou. "Omkostningerne ved teknologien er også reduceret, fordi den kan integreres i en skærm på backplane-niveau."

Dayeh er seniorforfatter på et papir offentliggjort online 22. januar i tidsskriftet Avancerede materialer teknologier. Ud over førsteforfatteren Vishniakou, Dayehs medforfattere omfatter tre andre kandidatstuderende i hans Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory – Renjie Chen, Yun Goo Ro og Cooper Levy – samt Christopher J. Brennan og prof. Edward T. Yu fra UT Austins Microelectronics Research Center. UT Austin-forskerne er primært pionerer inden for scanningssondemålinger og udførte den piezoelektriske kraftmåling af tyndfilmstransistorenheder bygget af deres samarbejdspartnere fra Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory ved UC San Diego.

Dayeh, hvis ekspertise spænder over en innovativ blanding af elektroniske materialer og enheder i nanoskala og deres anvendelse i biogrænseflader, har også ansættelser i Institut for NanoEngineering og Materials Science and Engineering Program, begge på UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Force sensing giver brugerne mulighed for at tegne på en gennemsigtig berøringsskærm på samme måde som med en blyant eller pensel for at tegne en tyndere eller mørkere streg ved at trykke let eller med større kraft på papir eller et lærred. Mens Apples force touch-teknologi introduceret i iPhone 7 krævede tilføjelse af et ekstra lag under skærmen, den nyeste teknologi kan tilføje kraftføling til enhver type skærm, inklusive fleksible og lette skærme.

Produktionen kan også opskaleres hurtigere, fordi zinkoxid-tyndfilmstransistorerne kan bygges på tynde glasskiver, der bøjer. Ifølge Dayeh, holdet arbejdede med fleksibelt glas fra Corning Inc., der er 100 mikrometer tykt, og byggede et array af 16x16 elementer, der effektivt kan bøje med bagplanet. "Vi demonstrerede, at du kan have ensartet og pålidelig ydeevne på tværs af tyndfilmstransistorerne på arrayet selv på disse tynde bøjelige overflader, " tilføjede Dayeh (billedet øverst til højre, med alumnus Siarhei Vishniakou).

Forskerne satte arrays gennem en række tests, der involverer systematisk materialeaflejring, mikroskopi og piezoelektrisk karakterisering. Slutresultatet:en række skalerbare, højtydende og solid-state kraftsensorer fremstillet på tynde, bøjelige glasvafler.

"Sensorerne baseret på zinkoxid tyndfilmstransistorteknologi kan let skaleres til meget store områder på grund af den samtidige drift af hver sensor som en switch, " bemærkede Dayeh. "Vi har også optimeret dem til fremragende trykfølsomhed, et højt on-off-forhold for transistorerne, og lav latenstid."

Ja, latency – forsinkelsen i responstiden for sensoren til at registrere tilstedeværelsen af ​​tryk – faldt til mindre end et millisekund, hvilket er bedre end nuværende forsinkelser, der anses for tilstrækkelige til vellykket kommercialisering af arrayed tryksensorer. Desuden, ifølge avisen, holdet mener, at der stadig er "betydeligt potentiale til at forbedre enhedens tidsmæssige ydeevne og følsomhed."

Eksperimenterne ved UC San Diego blev udført, delvis, i Qualcomm Institutes Nano3 renrumsfacilitet, som udgør kernen i den National Science Foundation-finansierede San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI), medlem af National Nanotechnology Coordinated Infrastructure. Yderligere transmissionselektronmikroskopi blev udført på Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), en Department of Energy-brugerfacilitet beliggende ved Los Alamos National Laboratory og Sandia National Laboratories.

For at demonstrere sensorernes kommercielle levedygtighed, Dayeh og hans medforfattere samarbejdede med Synaptics, Inc., et Bay Area-firma, der konfigurerede en eksisterende kommerciel IC-controller til berøringsskærme til at måle ændringerne i strøm i zinkoxidtransistorerne under berøringstryk (se video).

"Vi målte stigninger i strømmen, mens vi trykkede på transistorerne, " sagde Vishniakou, "og følsomheden var generelt meget høj."

"Med introduktionen af ​​kraftregistrering i mobile håndholdte enheder, det bliver afgørende at udvikle kraftfølende løsninger, der er skalerbare, tynd, let og omkostningseffektiv, " sagde Dayeh. "Vi mener, at zinkoxidteknologien er en forreste kandidat til integration i berøringsskærmsteknologier, fordi den er halvledende, gennemsigtig og har en høj piezoelektrisk koefficient."

I forbindelse med NSF I-Corps programmet, Vishniakou og Dayeh holdt samtaler med flere potentielle partnere eller licenstagere for teknologien. Dayeh mener, at teknologien stadig er moden til kommercialisering, men det kan kræve fremstilling af en næsten endelig enhed, der ville repræsentere et rigtigt produkt, som en producent kunne tilpasse og sælge uden for meget yderligere forskning og udvikling. "Vores næste trin er at skalere op fra vores eksisterende 1'' x 1'' enhedsarealstørrelse til en ægte berøringsskærm i telefonstørrelse. Vi har også identificeret produktionsfaciliteter, der er i stand til at køre vores proces, og vi er i øjeblikket i diskussion med dem om den potentielle fælles udvikling."

"Der er en række andre virksomheder, der forsøger at bringe force sensing ind på berøringsskærme, men vores løsning er den eneste, der ikke har nogen bevægelige dele, er skalerbar til store dimensioner, og er i stand til at integreres i skærmens bagside ved hjælp af eksisterende produktionsudstyr." Apples 3-D Touch er en potentiel rival, men ifølge Dayeh, den tilføjer en smartphone dramatisk mere vægt sammenlignet med, hvad zinkoxidteknologien ville veje, når den er integreret direkte på skærmens rygrad. De potentielle omkostningsbesparelser ved den UC San Diego-udviklede teknologi kan være dramatiske.

Ud over skærme, Dayeh mener, at zinkoxid kan tilføje en ny dimension til videospil. "Gaming involverer meget interaktion med spillet og andre spillere, " bemærkede han. "Fordi du mærker presset og kan se en reaktion i næsten realtid på det pres, denne teknologi kan give endnu et værktøj i spillerens værktøjskasse."