I touchscreen sui dispositivi palmari mobili possono rilevare se e dove un utente sta toccando lo schermo, ma la tecnologia standard non può determinare quanta pressione viene esercitata. Ora, i ricercatori dell'Università della California di San Diego e dell'Università del Texas di Austin hanno dimostrato una nuova tecnologia per il "rilevamento della forza" che può essere aggiunta a qualsiasi tipo di display, compresi dispositivi flessibili, e potenziali altri usi vanno ben oltre i display touch screen sui dispositivi mobili.

Prima di laurearsi alla Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego, L'ex studente di ingegneria elettrica e informatica Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16) ha lavorato con colleghi tra cui il suo consulente, professore di ingegneria elettrica Shadi Dayeh, per spin-off di una società di avvio, Tocco dimensionale. È stato anche accettato nei programmi NSF I-Corps I e II che aiutano gli accademici a commercializzare nuove tecnologie.

Da allora, il team ha dimostrato che i sensori a transistor a film sottile a base di ossido di zinco possono essere facilmente integrati con i circuiti integrati commerciali esistenti ampiamente utilizzati per controllare i touch screen (in cui una variante di ossido di zinco, ossido di zinco indio gallio, è già utilizzato).

"È noto da generazioni che l'ossido di zinco ha buone proprietà piezoelettriche e i produttori utilizzano già l'ossido di zinco indio e gallio nei display, " ha detto Dayeh. "Quindi sembrava che l'utilizzo dell'ossido di zinco in un transistor a film sottile si integrasse perfettamente nel flusso di processo già utilizzato dai produttori di touch screen".

Il team di Dayeh ha sviluppato e ottimizzato la tecnologia in modo che funzioni contemporaneamente come transistor e come sensore di forza.

"Abbiamo determinato che potremmo migliorare le prestazioni del transistor e la sensibilità alla pressione effettuando la deposizione di ossido di zinco in un ambiente ricco di ossigeno, " ha affermato il primo autore Vishniakou. "Anche il costo della tecnologia è ridotto perché può essere integrato in un display a livello di backplane".

Dayeh è l'autore senior di un articolo pubblicato online il 22 gennaio sulla rivista Materiale avanzato Tecnologie. Oltre al primo autore Vishniakou, I coautori di Dayeh includono altri tre studenti laureati nel suo laboratorio di elettronica integrata e biointerfacce:Renjie Chen, Yun Goo Ro e Cooper Levy, nonché Christopher J. Brennan e il prof. Edward T. Yu del Microelectronics Research Center di UT Austin. I ricercatori dell'UT Austin sono stati principalmente i primi a misurare le sonde di scansione e hanno eseguito la misurazione della forza piezoelettrica dei dispositivi a transistor a film sottile costruiti dai loro collaboratori dal Laboratorio di elettronica e biointerfacce integrati presso la UC San Diego.

giorno, la cui esperienza abbraccia una miscela innovativa di materiali e dispositivi elettronici su scala nanometrica e il loro uso nelle biointerfacce, ha anche incarichi nel Dipartimento di NanoEngineering e nel Programma di Scienza e Ingegneria dei Materiali, entrambi presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego.

Il rilevamento della forza consente agli utenti di disegnare su un touch screen trasparente proprio come farebbero con una matita o un pennello per disegnare una linea più sottile o più scura premendo leggermente o con maggiore forza su carta o tela. Mentre la tecnologia force touch di Apple introdotta in iPhone 7 richiedeva l'aggiunta di un ulteriore livello sotto il display, la tecnologia più recente può aggiungere il rilevamento della forza a qualsiasi tipo di display, compresi display flessibili e leggeri.

La produzione potrebbe anche crescere più velocemente, perché i transistor a film sottile all'ossido di zinco possono essere costruiti su sottili wafer di vetro che si piegano. Secondo Dayeh, il team ha lavorato con vetro flessibile di Corning Inc. con uno spessore di 100 micrometri, e ha costruito una serie di elementi 16x16 che possono effettivamente piegarsi con il backplane. "Abbiamo dimostrato che è possibile ottenere prestazioni uniformi e affidabili sui transistor a film sottile dell'array anche su queste sottili superfici pieghevoli, " ha aggiunto Dayeh (nella foto in alto a destra, con l'alunno Siarhei Vishniakou).

I ricercatori hanno sottoposto gli array a una serie di test che comportano la deposizione sistematica di materiale, microscopia e caratterizzazione piezoelettrica. Il risultato finale:una serie di scalabili, sensori di forza a stato solido e ad alte prestazioni fabbricati su wafer di vetro pieghevoli.

"I sensori basati sulla tecnologia dei transistor a film sottile all'ossido di zinco possono essere facilmente scalati su aree molto grandi grazie al funzionamento simultaneo di ciascun sensore come un interruttore, " ha osservato Dayeh. "Li abbiamo anche ottimizzati per un'eccellente sensibilità alla pressione, un elevato rapporto on-off per i transistor, e bassa latenza."

Infatti, latenza - il ritardo nel tempo di risposta per il sensore per rilevare la presenza di pressione - è sceso a meno di un millisecondo, che è migliore degli attuali ritardi considerati sufficienti per la commercializzazione di successo dei sensori di pressione in serie. Per di più, secondo la carta, il team ritiene che ci sia ancora "un potenziale significativo per migliorare le prestazioni temporali e la sensibilità del dispositivo".

Gli esperimenti all'UC San Diego sono stati condotti, in parte, nella camera bianca Nano3 del Qualcomm Institute, che costituisce il nucleo della San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI), finanziata dalla National Science Foundation, membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure. Ulteriori lavori di microscopia elettronica a trasmissione sono stati eseguiti presso il Centro per le nanotecnologie integrate (CINT), una struttura utente del Dipartimento dell'Energia situata presso il Los Alamos National Laboratory e i Sandia National Laboratories.

Per dimostrare la fattibilità commerciale dei sensori, Dayeh e i suoi coautori hanno collaborato con Synaptics, Inc., una società della Bay Area che ha configurato un controller IC commerciale esistente per touch screen per misurare le variazioni di corrente nei transistor all'ossido di zinco sotto pressione tattile (vedi video).

"Abbiamo misurato gli aumenti della corrente mentre premevamo sui transistor, " disse Vishniakou, "e la sensibilità era generalmente molto alta."

"Con l'introduzione del rilevamento della forza nei dispositivi palmari mobili, diventa fondamentale sviluppare soluzioni di rilevamento della forza scalabili, magro, leggero ed economico, " ha affermato Dayeh. "Riteniamo che la tecnologia dell'ossido di zinco sia un candidato all'avanguardia per l'integrazione nelle tecnologie touch screen perché è semiconduttiva, trasparente e ha un alto coefficiente piezoelettrico."

In relazione al programma NSF I-Corps, Vishniakou e Dayeh hanno avuto colloqui con diversi potenziali partner o licenziatari per la tecnologia. Dayeh crede che la tecnologia sia ancora matura per la commercializzazione, ma potrebbe richiedere la fabbricazione di un dispositivo quasi definitivo che rappresenti un prodotto reale che un produttore potrebbe personalizzare e vendere senza troppe ulteriori attività di ricerca e sviluppo. "Il nostro prossimo passo è passare dalle dimensioni esistenti dell'area del dispositivo 1 '' x 1 '' a un vero touchscreen delle dimensioni di un telefono. Abbiamo anche identificato strutture di produzione in grado di eseguire il nostro processo, e stiamo attualmente discutendo con loro sul potenziale sviluppo congiunto".

"Ci sono un certo numero di altre aziende che cercano di portare il rilevamento della forza nei touchscreen, ma la nostra soluzione è l'unica che non ha parti in movimento, è scalabile a grandi dimensioni, ed è in grado di integrarsi nel backplane del display utilizzando le apparecchiature di produzione esistenti". Il 3-D Touch di Apple è un potenziale rivale, ma secondo Dayeh, aggiunge notevolmente più peso a uno smartphone rispetto a quello che peserebbe la tecnologia all'ossido di zinco quando è integrata direttamente nella spina dorsale del display. I potenziali risparmi sui costi della tecnologia sviluppata dalla UC San Diego possono essere notevoli.

Oltre ai display, Dayeh crede che l'ossido di zinco possa aggiungere una nuova dimensione ai videogiochi. "Il gioco implica molta interazione con il gioco e gli altri giocatori, " ha osservato. "Perché senti la pressione e puoi vedere una risposta quasi in tempo reale a quella pressione, questa tecnologia potrebbe fornire un altro strumento nella cassetta degli attrezzi del giocatore."