Pekskärmar på mobila handhållna enheter kan upptäcka om och var en användare vidrör skärmen, men standardtekniken kan inte avgöra hur mycket tryck som utövas. Nu, forskare vid University of California San Diego och University of Texas i Austin har visat upp en ny teknik för "kraftavkänning" som kan läggas till alla typer av displayer, inklusive flexibla enheter, och potentiella andra användningsområden går långt utöver pekskärm på mobila enheter.

Innan han tog examen från UC San Diego Jacobs School of Engineering, el- och datatekniker alumn Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16) arbetade med kollegor inklusive hans rådgivare, elektroteknikprofessor Shadi Dayeh, att starta ett startföretag, Dimensionell touch. Han antogs också i NSF I-Corps I och II-program som hjälper akademiker att kommersialisera ny teknik.

Sedan dess, laget har visat att zinkoxidbaserade tunnfilms transistorsensorer enkelt kan integreras med befintliga kommersiella integrerade kretsar som ofta används för att styra pekskärmar (där en variant av zinkoxid, indiumgallium zinkoxid, används redan).

"Det har varit känt i generationer att zinkoxid har goda piezoelektriska egenskaper och tillverkare använder redan indiumgalliumzinkoxid i displayer, "sa Dayeh." Så det verkade som att användning av zinkoxid i en tunnfilmstransistor sömlöst skulle integreras i det processflöde som redan används av tillverkare av pekskärmar. "

Dayehs team utvecklade och optimerade tekniken så att den samtidigt fungerar som en transistor och som en kraftsensor.

"Vi har bestämt att vi kan förbättra transistorprestandan och tryckkänsligheten genom att göra zinkoxidavsättningen i en syrerik miljö, "sa författaren Vishniakou." Kostnaden för tekniken minskar också eftersom den kan integreras i en display på bakplanet. "

Dayeh är seniorförfattare på ett papper publicerat online den 22 januari i tidningen Avancerade material Teknik. Förutom författaren Vishniakou, Dayehs medförfattare inkluderar tre andra doktorander i hans Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory-Renjie Chen, Yun Goo Ro och Cooper Levy - liksom Christopher J. Brennan och Prof. Edward T. Yu från UT Austins Microelectronics Research Center. UT Austin-forskarna är främst pionjärmätare för skanningssondar och utförde den piezoelektriska kraftmätningen av tunnfilmstransistorenheter som byggdes av deras medarbetare från Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory vid UC San Diego.

Dayeh, vars expertis spänner över en innovativ blandning av elektroniska material och enheter i nanoskala och deras användning i biogränssnitt, har också utnämningar vid Institutionen för NanoEngineering och Materials Science and Engineering Program, båda vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Kraftavkänning tillåter användare att rita på en genomskinlig pekskärm precis som de kan med en penna eller pensel för att rita en tunnare eller mörkare linje genom att trycka lätt eller med större kraft på papper eller en duk. Medan Apples force touch -teknik som introducerades i iPhone 7 krävde ett extra lager under skärmen, den senaste tekniken kan lägga till kraftavkänning till alla typer av skärmar, inklusive flexibla och lätta skärmar.

Produktionen kan också skala upp snabbare, eftersom tunnfilmstransistorerna av zinkoxid kan byggas på tunna glasskivor som böjer sig. Enligt Dayeh, laget arbetade med flexibelt glas från Corning Inc. som är 100 mikrometer tjockt, och byggde en rad 16x16 element som effektivt kan böjas med bakplanet. "Vi visade att du kan ha enhetlig och tillförlitlig prestanda över tunnfilmstransistorerna på matrisen även på dessa tunna böjbara ytor, "tillade Dayeh (bilden ovan till höger, med alumn Siarhei Vishniakou).

Forskarna satte matriserna genom en serie tester som involverade systematisk materialavsättning, mikroskopi och piezoelektrisk karakterisering. Slutresultatet:en rad skalbara, högpresterande och solid-state kraftsensorer tillverkade på tunna, böjbara glasskivor.

"Sensorerna baserade på zinkoxid tunnfilmstransistorteknik kan enkelt skalas till mycket stora områden på grund av att varje sensor samtidigt fungerar som en omkopplare, "noterade Dayeh." Vi optimerade dem också för utmärkt tryckkänslighet, ett högt på / av-förhållande för transistorerna, och låg latens. "

Verkligen, latens - fördröjningen i svarstid för sensorn att upptäcka närvaron av tryck - sjönk till mindre än en millisekund, vilket är bättre än nuvarande förseningar som anses tillräckliga för framgångsrik kommersialisering av trycksensorer. Vidare, enligt tidningen, teamet anser att det fortfarande finns "betydande potential för att förbättra enhetens tidsmässiga prestanda och känslighet."

Experimenten vid UC San Diego genomfördes, till viss del, i Qualcomm Institutes Nano3 cleanroom -anläggning, som utgör kärnan i National Science Foundation-finansierade San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI), medlem i National Nanotechnology Coordinated Infrastructure. Ytterligare transmissionselektronmikroskopi utfördes vid Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), en institution för energianvändare som ligger vid Los Alamos National Laboratory och Sandia National Laboratories.

För att visa sensorernas kommersiella livskraft, Dayeh och hans medförfattare samarbetade med Synaptics, Inc., ett Bay Area -företag som konfigurerade en befintlig kommersiell IC -styrenhet för pekskärmar för att mäta strömförändringarna i zinkoxidtransistorerna under beröringstryck (se video).

"Vi mätte ökningar i strömmen när vi pressade på transistorerna, "sa Vishniakou, "och känsligheten var generellt mycket hög."

"Med införandet av kraftavkänning i mobila handhållna enheter, det blir kritiskt att utveckla kraftavkännande lösningar som är skalbara, tunn, lätt och kostnadseffektivt, "sa Dayeh." Vi tror att zinkoxidtekniken är en framkantskandidat för integration i pekskärmsteknik eftersom den är halvledande, transparent och har en hög piezoelektrisk koefficient. "

I samband med NSF I-Corps-programmet, Vishniakou och Dayeh höll samtal med flera potentiella partners eller licensinnehavare för tekniken. Dayeh tror att tekniken fortfarande är mogen för kommersialisering, men det kan kräva tillverkning av en nästan slutlig enhet som skulle representera en riktig produkt som en tillverkare kan anpassa och sälja utan alltför mycket ytterligare FoU. "Vårt nästa steg är att skala upp från vår befintliga storlek på 1" x 1 "till en verklig telefonpekskärm. Vi har också identifierat tillverkningsanläggningar som kan köra vår process, och vi diskuterar för närvarande med dem om den potentiella gemensamma utvecklingen. "

"Det finns ett antal andra företag som försöker få kraftavkänning till pekskärmar, men vår lösning är den enda som inte har några rörliga delar, är skalbar till stora dimensioner, och kan integreras i bildskärmens bakplan med befintlig tillverkningsutrustning ". Apples 3D-Touch är en potentiell rival, men enligt Dayeh, det ger dramatiskt mer vikt till en smartphone jämfört med vad zinkoxidtekniken skulle väga när den integreras direkt i skärmens ryggrad. De potentiella kostnadsbesparingarna med UC San Diego-utvecklad teknik kan vara dramatiska.

Förutom skärmar, Dayeh tror att zinkoxid kan tillföra en ny dimension till videospel. "Spel innebär mycket interaktion med spelet och andra spelare, "noterade han." Eftersom du känner pressen och kan se ett svar i realtid på det trycket, denna teknik kan ge ytterligare ett verktyg i spelarens verktygslåda. "