Las pantallas táctiles de los dispositivos de mano móviles pueden detectar si un usuario está tocando la pantalla y dónde, pero la tecnología estándar no puede determinar cuánta presión se está ejerciendo. Ahora, Investigadores de la Universidad de California en San Diego y la Universidad de Texas en Austin han demostrado una nueva tecnología para la 'detección de fuerza' que se puede agregar a cualquier tipo de pantalla. incluyendo dispositivos flexibles, y otros usos potenciales van mucho más allá de las pantallas táctiles de los dispositivos móviles.

Antes de graduarse de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, El alumno de ingeniería eléctrica e informática Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16) trabajó con colegas, incluido su asesor, el profesor de ingeniería eléctrica Shadi Dayeh, para escindir una empresa de nueva creación, Toque dimensional. También fue aceptado en los programas NSF I-Corps I y II que ayudan a los académicos a comercializar nueva tecnología.

Desde entonces, El equipo ha demostrado que los sensores de transistores de película delgada basados ​​en óxido de zinc se pueden integrar fácilmente con los circuitos integrados comerciales existentes ampliamente utilizados para controlar las pantallas táctiles (en las que una variante del óxido de zinc, óxido de indio, galio y zinc, ya se utiliza).

"Se sabe desde hace generaciones que el óxido de zinc tiene buenas propiedades piezoeléctricas y los fabricantes ya utilizan óxido de zinc, galio y indio en las pantallas, ", dijo Dayeh." Así que parecía que el uso de óxido de zinc en un transistor de película delgada se integraría perfectamente en el flujo de proceso que ya utilizan los fabricantes de pantallas táctiles ".

El equipo de Dayeh desarrolló y optimizó la tecnología para que funcione simultáneamente como transistor y como sensor de fuerza.

"Hemos determinado que podríamos mejorar el rendimiento del transistor y la sensibilidad a la presión realizando la deposición de óxido de zinc en un entorno rico en oxígeno, ", dijo el primer autor Vishniakou." El costo de la tecnología también se reduce porque se puede integrar en una pantalla en el nivel del backplane ".

Dayeh es el autor principal de un artículo publicado en línea el 22 de enero en la revista Materiales avanzados Tecnologías. Además del primer autor Vishniakou, Los coautores de Dayeh incluyen a otros tres estudiantes graduados en su Laboratorio de Electrónica Integrada y Biointerfaces:Renjie Chen, Yun Goo Ro y Cooper Levy, así como Christopher J. Brennan y el profesor Edward T. Yu del Centro de Investigación de Microelectrónica de UT Austin. Los investigadores de UT Austin fueron principalmente pioneros en las mediciones de sonda de escaneo y realizaron la medición de fuerza piezoeléctrica de los dispositivos de transistores de película delgada construidos por sus colaboradores del Laboratorio de Electrónica Integrada y Biointerfaces en UC San Diego.

Dayeh, cuya experiencia abarca una combinación innovadora de materiales y dispositivos electrónicos a nanoescala y su uso en biointerfaces, también tiene nombramientos en el Departamento de Nanoingeniería y el Programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ambos en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.

La detección de fuerza permite a los usuarios dibujar en una pantalla táctil transparente de la misma forma que lo harían con un lápiz o un pincel para dibujar una línea más delgada o más oscura presionando ligeramente o con mayor fuerza sobre papel o lienzo. Si bien la tecnología Force Touch de Apple introducida en el iPhone 7 requería agregar una capa adicional debajo de la pantalla, la tecnología más nueva puede agregar detección de fuerza a cualquier tipo de pantalla, incluyendo pantallas flexibles y ligeras.

La producción también podría escalar más rápido, porque los transistores de película delgada de óxido de zinc se pueden construir sobre obleas de vidrio delgadas que se doblan. Según Dayeh, el equipo trabajó con vidrio flexible de Corning Inc. que tiene 100 micrómetros de espesor, y construyó una serie de elementos de 16x16 que se pueden doblar efectivamente con el backplane. "Demostramos que puede tener un rendimiento uniforme y confiable en los transistores de película delgada de la matriz, incluso en estas superficies delgadas y flexibles, "agregó Dayeh (en la foto de arriba a la derecha, con el alumno Siarhei Vishniakou).

Los investigadores sometieron las matrices a una serie de pruebas que implican la deposición sistemática de material, microscopía y caracterización piezoeléctrica. El resultado final:una variedad de sensores de fuerza de estado sólido y de alto rendimiento fabricados en obleas de vidrio flexibles.

"Los sensores basados ​​en la tecnología de transistores de película delgada de óxido de zinc se pueden escalar fácilmente a áreas muy grandes debido al funcionamiento simultáneo de cada sensor como un interruptor, "señaló Dayeh." También los optimizamos para una excelente sensibilidad a la presión, una alta relación de encendido y apagado para los transistores, y baja latencia ".

En efecto, latencia:la demora en el tiempo de respuesta para que el sensor detecte la presencia de presión, se redujo a menos de un milisegundo, que es mejor que los retrasos actuales que se consideran suficientes para la comercialización exitosa de sensores de presión dispuestos. Es más, según el periódico, el equipo cree que todavía hay "un potencial significativo para mejorar el rendimiento temporal y la sensibilidad del dispositivo".

Se llevaron a cabo los experimentos en UC San Diego, en parte, en la sala limpia Nano3 del Qualcomm Institute, que forma el núcleo de la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología. Se realizaron trabajos adicionales de microscopía electrónica de transmisión en el Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT), una instalación para usuarios del Departamento de Energía ubicada en Los Alamos National Laboratory y Sandia National Laboratories.

Para demostrar la viabilidad comercial de los sensores, Dayeh y sus coautores colaboraron con Synaptics, C ª., una empresa del Área de la Bahía que configuró un controlador IC comercial existente para pantallas táctiles para medir los cambios en la corriente en los transistores de óxido de zinc bajo presión táctil (ver video).

"Medimos aumentos en la corriente a medida que presionamos los transistores, "dijo Vishniakou, "y la sensibilidad fue en general muy alta".

"Con la introducción de la detección de fuerza en los dispositivos de mano móviles, se vuelve fundamental desarrollar soluciones de detección de fuerza que sean escalables, delgada, ligero y rentable, ", dijo Dayeh." Creemos que la tecnología de óxido de zinc es un candidato de vanguardia para la integración en tecnologías de pantalla táctil porque es semiconductora, transparente y tiene un alto coeficiente piezoeléctrico ".

En relación con el programa NSF I-Corps, Vishniakou y Dayeh mantuvieron conversaciones con varios socios potenciales o licenciatarios de la tecnología. Dayeh cree que la tecnología aún está lista para su comercialización, pero puede requerir la fabricación de un dispositivo casi final que representaría un producto real que un fabricante podría personalizar y vender sin demasiada I + D adicional. "Nuestro siguiente paso es ampliar el tamaño del área del dispositivo de 1 '' x 1 '' existente a una pantalla táctil del tamaño de un teléfono real. También hemos identificado instalaciones de fabricación capaces de ejecutar nuestro proceso, y actualmente estamos en conversaciones con ellos sobre el potencial desarrollo conjunto ".

"Hay varias otras empresas que intentan incorporar la detección de fuerza en las pantallas táctiles, pero nuestra solución es la única que no tiene partes móviles, es escalable a grandes dimensiones, y es capaz de integrarse en la placa posterior de la pantalla utilizando el equipo de fabricación existente ". El 3-D Touch de Apple es un rival potencial, pero según Dayeh, agrega dramáticamente más peso a un teléfono inteligente en comparación con lo que pesaría la tecnología de óxido de zinc cuando se integra directamente en la columna vertebral de la pantalla. Los ahorros de costos potenciales de la tecnología desarrollada por UC San Diego pueden ser dramáticos.

Además de las pantallas, Dayeh cree que el óxido de zinc puede agregar una nueva dimensión a los videojuegos. "Los juegos implican mucha interacción con el juego y con otros jugadores, ", señaló." Como sientes la presión y puedes ver una respuesta casi en tiempo real a esa presión, esta tecnología podría proporcionar otra herramienta en la caja de herramientas del jugador ".