Les écrans tactiles sur les appareils portables peuvent détecter si et où un utilisateur touche l'écran, mais la technologie standard ne peut pas déterminer la pression exercée. Maintenant, des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université du Texas à Austin ont démontré une nouvelle technologie de « détection de force » qui peut être ajoutée à tout type d'affichage, y compris les appareils flexibles, et d'autres utilisations potentielles vont bien au-delà des écrans tactiles sur les appareils mobiles.

Avant d'être diplômé de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego, Siarhei Vishniakou (Ph.D. '16), ancien élève en génie électrique et informatique, a travaillé avec des collègues dont son conseiller, professeur de génie électrique Shadi Dayeh, créer une start-up, Toucher dimensionnel. Il a également été accepté dans les programmes NSF I-Corps I et II qui aident les universitaires à commercialiser de nouvelles technologies.

Depuis, l'équipe a démontré que les capteurs à transistors à couche mince à base d'oxyde de zinc peuvent être facilement intégrés aux circuits intégrés commerciaux existants largement utilisés pour contrôler les écrans tactiles (dans lesquels une variante d'oxyde de zinc, oxyde d'indium gallium zinc, est déjà utilisé).

"On sait depuis des générations que l'oxyde de zinc a de bonnes propriétés piézoélectriques et les fabricants utilisent déjà l'oxyde de zinc indium gallium dans les écrans, " a déclaré Dayeh. " Il semblait donc que l'utilisation d'oxyde de zinc dans un transistor à couche mince s'intégrerait parfaitement dans le flux de processus déjà utilisé par les fabricants d'écrans tactiles. "

L'équipe de Dayeh a développé et optimisé la technologie afin qu'elle fonctionne simultanément comme un transistor et comme un capteur de force.

"Nous avons déterminé que nous pouvions améliorer les performances du transistor et la sensibilité à la pression en effectuant le dépôt d'oxyde de zinc dans un environnement riche en oxygène, " a déclaré le premier auteur Vishniakou. " Le coût de la technologie est également réduit car elle peut être intégrée dans un affichage au niveau du fond de panier. "

Dayeh est l'auteur principal d'un article publié en ligne le 22 janvier dans la revue Matériaux avancés Les technologies. En plus du premier auteur Vishniakou, Les co-auteurs de Dayeh comprennent trois autres étudiants diplômés de son laboratoire d'électronique intégrée et de biointerfaces - Renjie Chen, Yun Goo Ro et Cooper Levy – ainsi que Christopher J. Brennan et le professeur Edward T. Yu du Microelectronics Research Center de l'UT Austin. Les chercheurs de l'UT Austin sont principalement des pionniers des mesures par sonde à balayage et ont effectué la mesure de la force piézoélectrique des dispositifs à transistors à couche mince construits par leurs collaborateurs du laboratoire d'électronique intégrée et de biointerfaces de l'UC San Diego.

Dayeh, dont l'expertise couvre un mélange innovant de matériaux et dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique et leur utilisation dans les biointerfaces, a également des postes au département de nano-ingénierie et au programme de science et génie des matériaux, tous deux à la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

La détection de force permet aux utilisateurs de dessiner sur un écran tactile transparent comme ils le feraient avec un crayon ou un pinceau pour tracer une ligne plus fine ou plus foncée en appuyant légèrement ou avec plus de force sur du papier ou une toile. Alors que la technologie Force Touch d'Apple introduite dans l'iPhone 7 nécessitait l'ajout d'une couche supplémentaire sous l'écran, la technologie la plus récente peut ajouter la détection de force à tout type d'affichage, y compris des écrans flexibles et légers.

La production pourrait également augmenter plus rapidement, parce que les transistors à couche mince d'oxyde de zinc peuvent être construits sur des plaquettes de verre minces qui se plient. Selon Dayeh, l'équipe a travaillé avec du verre souple de Corning Inc. de 100 micromètres d'épaisseur, et construit un ensemble d'éléments 16x16 qui peuvent efficacement se plier avec le fond de panier. « Nous avons démontré que vous pouvez obtenir des performances uniformes et fiables sur les transistors à couche mince de la matrice, même sur ces surfaces pliables minces, " a ajouté Dayeh (photo ci-dessus à droite, avec l'ancien élève Siarhei Vishniakou).

Les chercheurs ont soumis les matrices à une série de tests impliquant le dépôt systématique de matériaux, microscopie et caractérisation piézoélectrique. Le résultat final :un tableau évolutif, capteurs de force haute performance et à semi-conducteurs fabriqués sur mince, plaquettes de verre pliables.

« Les capteurs basés sur la technologie des transistors à couche mince d'oxyde de zinc peuvent être facilement adaptés à de très grandes surfaces grâce au fonctionnement simultané de chaque capteur en tant qu'interrupteur, " a noté Dayeh. " Nous les avons également optimisés pour une excellente sensibilité à la pression, un rapport on-off élevé pour les transistors, et une faible latence."

En effet, latence - le délai de réponse du capteur pour détecter la présence de pression - est tombé à moins d'une milliseconde, ce qui est meilleur que les délais actuels considérés comme suffisants pour une commercialisation réussie des capteurs de pression en réseau. Par ailleurs, selon le papier, l'équipe pense qu'il existe encore "un potentiel important pour améliorer les performances temporelles et la sensibilité de l'appareil".

Les expériences à l'UC San Diego ont été menées, en partie, dans la salle blanche Nano3 du Qualcomm Institute, qui constitue le cœur de l'infrastructure nanotechnologique de San Diego (SDNI) financée par la National Science Foundation, membre de l'Infrastructure nationale coordonnée en nanotechnologie. Des travaux complémentaires de microscopie électronique à transmission ont été effectués au Centre de nanotechnologies intégrées (CINT), une installation utilisatrice du ministère de l'Énergie située au Laboratoire national de Los Alamos et aux Laboratoires nationaux de Sandia.

Démontrer la viabilité commerciale des capteurs, Dayeh et ses co-auteurs ont collaboré avec Synaptics, Inc., une entreprise de Bay Area qui a configuré un contrôleur IC commercial existant pour les écrans tactiles afin de mesurer les changements de courant dans les transistors à l'oxyde de zinc sous pression tactile (voir vidéo).

« Nous avons mesuré les augmentations du courant lorsque nous avons appuyé sur les transistors, " dit Vishniakou, "et la sensibilité était généralement très élevée."

"Avec l'introduction de la détection de force dans les appareils portables, il devient essentiel de développer des solutions de détection de force évolutives, mince, léger et économique, " a déclaré Dayeh. " Nous pensons que la technologie de l'oxyde de zinc est un candidat de premier plan pour l'intégration dans les technologies d'écran tactile car elle est semi-conductrice, transparent et a un coefficient piézoélectrique élevé."

Dans le cadre du programme NSF I-Corps, Vishniakou et Dayeh ont eu des entretiens avec plusieurs partenaires potentiels ou titulaires de licence pour la technologie. Dayeh pense que la technologie est encore mûre pour la commercialisation, mais cela peut nécessiter la fabrication d'un dispositif presque final qui représenterait un produit réel qu'un fabricant pourrait personnaliser et vendre sans trop de R&D supplémentaire. « Notre prochaine étape consiste à passer de la taille de la zone de nos appareils existants de 1 ' x 1 '' à un véritable écran tactile de la taille d'un téléphone. Nous avons également identifié des installations de fabrication capables d'exécuter notre processus, et nous sommes actuellement en discussion avec eux sur le développement conjoint potentiel."

« Il existe un certain nombre d'autres entreprises qui essaient d'intégrer la détection de force dans les écrans tactiles, mais notre solution est la seule qui n'a pas de pièces mobiles, est évolutif aux grandes dimensions, et est capable de s'intégrer dans le fond de panier de l'écran à l'aide de l'équipement de fabrication existant". Le 3-D Touch d'Apple est un rival potentiel, mais selon Dayeh, il ajoute considérablement plus de poids à un smartphone par rapport à ce que pèserait la technologie à l'oxyde de zinc lorsqu'elle est intégrée directement à la colonne vertébrale de l'écran. Les économies de coûts potentielles grâce à la technologie développée par UC San Diego peuvent être considérables.

En plus des affichages, Dayeh pense que l'oxyde de zinc peut ajouter une nouvelle dimension aux jeux vidéo. "Le jeu implique beaucoup d'interaction avec le jeu et les autres joueurs, " Il a noté. " Parce que vous ressentez la pression et pouvez voir une réponse en temps quasi réel à cette pression, cette technologie pourrait fournir un autre outil dans la boîte à outils du joueur."