Telas sensíveis ao toque em dispositivos portáteis móveis podem detectar se e onde um usuário está tocando a tela, mas a tecnologia padrão não pode determinar quanta pressão está sendo exercida. Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego e da Universidade do Texas em Austin demonstraram uma nova tecnologia para 'detecção de força' que pode ser adicionada a qualquer tipo de display, incluindo dispositivos flexíveis, e outros usos potenciais vão muito além de telas de toque em dispositivos móveis.

Antes de se formar na Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego, O ex-aluno de engenharia elétrica e de computação Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16) trabalhou com colegas, incluindo seu orientador, professor de engenharia elétrica Shadi Dayeh, para criar uma empresa iniciante, Toque dimensional. Ele também foi aceito nos programas NSF I-Corps I e II que ajudam acadêmicos a comercializar novas tecnologias.

Desde então, a equipe demonstrou que os sensores de transistor de filme fino à base de óxido de zinco podem ser facilmente integrados aos circuitos integrados comerciais existentes amplamente usados ​​para controlar telas sensíveis ao toque (em que uma variante do óxido de zinco, óxido de índio, gálio e zinco, já é usado).

"É sabido há gerações que o óxido de zinco tem boas propriedades piezoelétricas e os fabricantes já usam óxido de índio-gálio-zinco em displays, "disse Dayeh." Portanto, parecia que o uso de óxido de zinco em um transistor de película fina se integraria perfeitamente ao fluxo de processo já usado pelos fabricantes de telas sensíveis ao toque.

A equipe de Dayeh desenvolveu e otimizou a tecnologia para que funcionasse simultaneamente como transistor e como sensor de força.

"Determinamos que poderíamos melhorar o desempenho do transistor e a sensibilidade à pressão fazendo a deposição de óxido de zinco em um ambiente rico em oxigênio, "disse o primeiro autor Vishniakou." O custo da tecnologia também é reduzido porque pode ser integrada a uma tela no nível do painel traseiro. "

Dayeh é o autor sênior de um artigo publicado online em 22 de janeiro no jornal Materiais avançados Tecnologias. Além do primeiro autor Vishniakou, Os co-autores de Dayeh incluem três outros alunos de pós-graduação em seu Laboratório de Eletrônica Integrada e Biointerfaces - Renjie Chen, Yun Goo Ro e Cooper Levy - bem como Christopher J. Brennan e o Prof. Edward T. Yu do Centro de Pesquisa de Microeletrônica da UT Austin. Os pesquisadores da UT Austin foram os pioneiros nas medições de sondas de varredura e realizaram a medição da força piezoelétrica dos dispositivos transistores de película fina construídos por seus colaboradores do Laboratório de Eletrônica Integrada e Biointerfaces da UC San Diego.

Dayeh, cuja experiência abrange uma mistura inovadora de materiais e dispositivos eletrônicos em nanoescala e seu uso em biointerfaces, também tem nomeações no Departamento de NanoEngenharia e no Programa de Ciência e Engenharia de Materiais, ambos na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs.

O sensor de força permite que os usuários desenhem em uma tela de toque transparente da mesma forma que fariam com um lápis ou pincel para desenhar uma linha mais fina ou mais escura pressionando levemente ou com mais força no papel ou na tela. Embora a tecnologia force touch da Apple introduzida no iPhone 7 exigisse a adição de uma camada extra sob a tela, a mais nova tecnologia pode adicionar detecção de força a qualquer tipo de tela, incluindo telas flexíveis e leves.

A produção também pode aumentar mais rapidamente, porque os transistores de filme fino de óxido de zinco podem ser construídos em placas de vidro finas que se dobram. De acordo com Dayeh, a equipe trabalhou com vidro flexível da Corning Inc. com 100 micrômetros de espessura, e construiu uma matriz de elementos 16x16 que podem efetivamente dobrar com o painel traseiro. "Demonstramos que você pode ter um desempenho uniforme e confiável entre os transistores de película fina no array, mesmo nessas superfícies flexíveis finas, "acrescentou Dayeh (foto acima à direita, com o ex-aluno Siarhei Vishniakou).

Os pesquisadores colocaram as matrizes em uma série de testes envolvendo deposição sistemática de material, microscopia e caracterização piezoelétrica. O resultado final:uma matriz escalonável, sensores de força de alto desempenho e de estado sólido fabricados em placas finas, wafers de vidro dobráveis.

"Os sensores baseados na tecnologia de transistor de filme fino de óxido de zinco podem ser facilmente dimensionados para áreas muito grandes devido à operação simultânea de cada sensor como uma chave, "observou Dayeh." Nós também os otimizamos para excelente sensibilidade à pressão, uma alta relação liga-desliga para os transistores, e baixa latência. "

De fato, latência - o atraso no tempo de resposta para o sensor detectar a presença de pressão - caiu para menos de um milissegundo, o que é melhor do que os atrasos atuais considerados suficientes para a comercialização bem-sucedida de sensores de pressão agrupados. Além disso, de acordo com o jornal, a equipe acredita que ainda há "potencial significativo para melhorar o desempenho temporal e a sensibilidade do dispositivo".

Os experimentos na UC San Diego foram realizados, em parte, nas instalações de sala limpa Nano3 do Qualcomm Institute, que forma o núcleo da San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) financiada pela National Science Foundation, um membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure. Trabalho adicional de microscopia eletrônica de transmissão foi realizado no Centro de Nanotecnologias Integradas (CINT), uma instalação de usuários do Departamento de Energia localizada no Laboratório Nacional de Los Alamos e nos Laboratórios Nacionais Sandia.

Para demonstrar a viabilidade comercial dos sensores, Dayeh e seus co-autores colaboraram com a Synaptics, Inc., uma empresa da Bay Area que configurou um controlador IC comercial existente para telas sensíveis ao toque para medir as mudanças na corrente nos transistores de óxido de zinco sob pressão de toque (veja o vídeo).

"Medimos aumentos na corrente conforme pressionávamos os transistores, "disse Vishniakou, "e a sensibilidade era geralmente muito alta."

"Com a introdução do sensor de força em dispositivos portáteis móveis, torna-se crítico desenvolver soluções de detecção de força que sejam escalonáveis, afinar, leve e de baixo custo, "disse Dayeh." Acreditamos que a tecnologia de óxido de zinco é uma candidata de vanguarda para integração em tecnologias de tela de toque porque é semicondutor, transparente e com alto coeficiente piezoelétrico. "

Em conexão com o programa NSF I-Corps, Vishniakou e Dayeh conversaram com vários parceiros ou licenciados em potencial para a tecnologia. Dayeh acredita que a tecnologia ainda está madura para comercialização, mas pode exigir a fabricação de um dispositivo quase final que representaria um produto real que um fabricante poderia personalizar e vender sem muito mais P&D. "Nossa próxima etapa é aumentar o tamanho da área de nosso dispositivo existente de 1 '' x 1 '' para uma tela de toque real do tamanho de um telefone. Também identificamos instalações de manufatura capazes de executar nosso processo, e estamos atualmente discutindo com eles sobre o potencial desenvolvimento conjunto. "

"Existem várias outras empresas tentando trazer o sensor de força para telas sensíveis ao toque, mas nossa solução é a única que não tem partes móveis, é escalonável para grandes dimensões, e é capaz de se integrar ao painel traseiro da tela usando o equipamento de fabricação existente ". O 3-D Touch da Apple é um rival em potencial, mas de acordo com Dayeh, adiciona muito mais peso a um smartphone em comparação com o que a tecnologia de óxido de zinco pesaria quando é integrada diretamente ao backbone da tela. A economia potencial de custos pela tecnologia desenvolvida pela UC San Diego pode ser dramática.

Além de monitores, Dayeh acredita que o óxido de zinco pode adicionar uma nova dimensão aos videogames. "O jogo envolve muita interação com o jogo e outros jogadores, "ele observou." Porque você sente a pressão e pode ver uma resposta quase em tempo real a essa pressão, esta tecnologia pode fornecer outra ferramenta na caixa de ferramentas do jogador. "