Σεμινάριο Φυσικής. Ενότητα 10. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Transcript

1 1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 10 Γεωργακίλας Αλέξανδρος Ζουμπούλης Ηλίας Μακροπούλου Μυρσίνη Πίσσης Πολύκαρπος

2 2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

3 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Τομέας Φυσικής 3 Αισθητήρες Αφής Στέφανος Μάζαρης Επιβλέπων : Καθηγητής Δ. Τσουκαλάς

4 4 Περιεχόμενα Εισαγωγή Βασικές Τεχνολογίες Τα προβλήματα και η Έρευνα στα υλικά Μια εφαρμογή με νανοτεχνολογία

5 5 Οι Αισθητήρες στην Τεχνολογία Αισθητήρες και Επενεργητές (Sensors and actuators) Ηχητικοί, δονητικοί, Χημικοί,βιολογικοί Ηλεκτρικού Ρευματος, Ηλεκτρικού Δυναμικού, Μαγνητικοί, Ακτινοβολίας Υγρασίας Ροής,Ταχύτητας Ρευστών Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας, υποατομικών σωματιδίων Θέσης,γωνίας απόκλισης,απόστασης,ταχύτητας,επιτάχυνσης Οπτικοί Πίεσης Δύναμης, Πυκνότητας, Επιπέδου Θερμικοί, θερμοκρασίας Αφής, Εγγύτητας

6 6 Είδη αισθητήρων αφής Αισθητήρας μηδενικής διαστασης Αισθητήρας με μόνο ένα σημείο επαφής. Τυπικά είναι ένα απλό κουμπί (button) Αισθητήρας Μίας Διάστασης Αισθητήρας που αντιλαμβάνεται τη γραμμική κίνηση του δακτύλου κατα την επαφή,πάνω σε έναν αξονα.παραδείγματα :ο ολισθητής και ο κύκλος.. Αισθητήρας Δύο διαστάσεων Αισθητήρας που αντιλαμβάνεται τη κίνηση του δακτύλου κατα μήκος δύο αξόνων. Τυπικά παραδείγματα οι οθόνες αφής.

7 Εικόνα 1: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 7

8 8 Περιεχόμενα Εισαγωγή Βασικές Τεχνολογίες Τα προβλήματα και η Έρευνα στα υλικά Μια εφαρμογή με νανοτεχνολογία

9 Βασικές Τεχνολογίες 9

10 10 Aισθητήρες Aφής Χωρητικότητας (Capacitive Touch Sensors) Αισθητήρες Επιφανειακής χωρητικότητας (Surface Capacitive Touch Sensors) Εικόνα 2, touch_panel/, Πνευματική ιδιοκτησία δημιουργού.

11 Εικόνα 3, Πνευματική ιδιοκτησία δημιουργού. 11

12 Εικόνα 4, Πνευματική ιδιοκτησία δημιουργού. 12

13 Χαμηλό κόστος κατασκευής -Δεν απαιτεί δύναμη στο άγγιγμα -Άμεση απόκριση στο άγγιγμα -Προσδόκιμο ζωής: πάνω απο 225 εκ.. αγγίγματα, ή 50 εκ. στο ίδιο σημείο -Υποστηρίζει άγγιγμα μόνο με δάκτυλο -Υποστηρίζει μόνο ένα σημείο επαφής -Ευαίσθητο σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές -Δυσκολίες εφαρμογής σε μεγαλύτερες επιφάνειες -Απαιτεί συχνή βαθμονόμηση (calibration)

14 14 Aισθητήρες Aφής Χωρητικότητας (Capacitive Touch Sensors) Αισθητήρες Αυτο-χωρητικότητας Self-Capacitive Touch Sensors Εικόνα 5, Atmel, 3m edn.com, Πνευματική ιδιοκτησία δημιουργού.

15 15 Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Αποτελείται απο ένα πλέγμα απο γραμμές και στήλες ηλεκτροδίων Κάθε σημείο τομής σχηματίζει έναν πυκνωτή με το δάκτυλο Ο υπολογιστής εντοπίζει τις αλλαγές στη χωρητικότητα μεταξύ κάθε ηλεκτροδίου και του δακτύλου Η τομή των ηλεκτροδίων που εντοπίστηκε αλλαγή στη χωρητικότητα είναι το σημείο επαφής

16 Εικόνα 6, Atmel, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. 16

17 17 Το πρόβλημα Εικόνα 7, capas, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού.

18 18 + -Το σήμα ενεργοποίησης που εκπέμπει στον υπολογιστή είναι πολύ ισχυρό -Οι μετρήσεις γίνονται παρα πολύ γρήγορα -Ανθεκτική -Αξιόπιστη - -Υποστηρίζει μόνο ένα άγγιγμα -Δεν λειτουργεί εαν ο χρήστης φοράει γάντια ή με το εδικό στυλό -Μεγάλη διάρκεια ζωής -Λειτουργεί ακόμα και με σπασμένο το προστατευτικό γυαλί

19 19 Aισθητήρες Aφής Χωρητικότητας (Capacitive Touch Sensors) Αισθητήρας Αμοιβαίας χωρητικότητας (Mutual-Capacitive touch sensor)

20 Εικόνα 8, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. 20

21 21 Εικόνα 9: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Το ανθρώπινο σώμα (και το δάκτυλο κατα συνέπεια), που είναι χωρητικά συνδεδεμένο με το έδαφος (γειωμένο), «απορροφά» μερικές από τις γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου, με αποτέλεσμα την μείωση της χωρητικότητας των δύο ηλεκτροδίων (mutual capacitance Cx ) Η Cx είναι της τάξης των Picofarad και η μείωση της είναι της τάξης των femtofarad

22 Εικόνα 10, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. 22

23 Εξαιρετικά ευαίσθητος στο άγγιγμα Λειτουργεί και σε περίπτωση ρωγμής του γυαλιού πάνω απο 90% διαπερατότητα Δεν απαιτεί περιοδική βαθμονόμηση Καταναλώνει λίγη ενέργεια Υποστηρίζει πολλαπλά αγγίγματα Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εύκαμπτες επιφάνειες Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλες επιφάνειες Δεν μπορεί να γίνει χρήση στυλό ή χεριού με γάντι. Δεν λειτουργεί σωστά με υγρά στην οθόνη

24 24 Aισθητήρες Αντίστασης (Resistive Touch Sensors)

25 Εικόνα 11, D. S. Hecht, D. Thomas, L. Hu, C. Ladous, T. Lam, Y. Park, G. Irvin, και P. Drzaic, Carbon-nanotube film on plastic as transparent electrode for resistive touch screens, J. Soc. Inf. Disp.,2009, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. 25

26 Εικόνα 12, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. 26

27 27 Εικόνα 13, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. Οι συντεταγμένες (χ,y) μπορούν να βρεθούν με δυο βήματα: 1) Πρώτα, εφαρμόζεται τάση στο ηλεκτρόδιο Y+, γειώνεται το Υ-, και μετράμε τη τάση στο X+. Ο λόγος του μετρούμενου προς το εφαρμοζόμενο δυναμικό ισούται με το λόγο της συντεταγμένης προς το ύψος της οθόνης (εικ 3,αριστερά) 2) Η χ συντεταγμένη μπορεί να βρεθεί αντίστοιχα εφαρμόζοντας τάση στο ηλεκτρόδιο X+ και γειώνονταις το Χ-,μετρώντας τη τάση στο Y+.Απο το λόγο των τάσεων βρίσκουμε την Χ συντεταγμένη (εικ 3 δεξιά )

28 28 + -Χαμηλό κόστος -Λειτουργεί τόσο με άγγιγμα του δακτύλου, όσο και με γάντια, ειδικό στυλό ή νύχι -Δεν επηρεάζεται απο κλιματικές συνθήκες -Εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις -Δεν επηρεάζεται απο σκόνη και υγρά στην οθόνη -Η καλύτερη επιλογή για αναγνώριση γραφικού χαρακτήρα - -Δεν υποστηρίζει πολλαπλή αφή (multi-touch) -Απαιτείται πάτημα με δύναμη

29 29 Aισθητήρες Αντίστασης (Resistive Touch Sensors) Αισθητήρες αφής-πίεσης Πιεζοαντίστασης (piezoresistive touch-pressure sensors)

30 30 Περιεχόμενα Εισαγωγή Βασικές Τεχνολογίες Τα προβλήματα και η Έρευνα στα υλικά Οι Λύσεις της Νανοτεχνολογίας

31 31 Διαφανή αγώγιμα ηλεκτρόδια (TCE) Οπτική διαπερατότητα και ηλεκτρική αγωγιμότητα Οξείδιο Ινδίου-Κασσιτέρου (Tin-doped Indium Oxide (ITO) ) Οξείδιο Φθορίου -Κασσιτέρου Fluorine-doped Tin Oxide (FTO) Το ITO είναι ένα μείγμα οξειδίου του Ινδίου (In 2 O 3 ), οξειδίων κασσιτέρου (SnO 2 ),90% In 2 O 3, 10% SnO 2 κατά βάρος. Το υλικό αυτό παρουσιάζει χαμηλή αντίσταση ~10 4 Ω*cm και διαπερατότητα μεγαλύτερη απο 80%. Τα αποθέματα του του Ινδίου είναι περίπου 6000 μετρικοί τόνοι (2006) και η τιμή του σήμερα είναι περίπου $1000/kg. Αποθέματα για 25 χρόνια Εναλλακτικές του ΙΤΟ: οξείδια Αργίλιου-ψευδάργυρου (Aluminum-doped zinc-oxide (AZO)) και οξείδια Ινδίου-Καδμίου ( indium-doped cadmium oxide AZO).Ο άργυλος και ο ψευδάργυρος είναι φθηνά υλικά, ενώ στο AZO περιέχει μικρές συγκεντρώσεις Ινδίου Απο τα διάφορα οξείδια (transparent conductive oxides (TCOs), το ITO παρουσιάζει τις καλύτερες ιδιότητες, ωστόσο στα αρνητικά του συγκαταλέγονται η μηχανική του αδυναμία και η απαίτηση υψηλών θερμοκρασιών κατα τη κατεργασία.

32 32 Η αναζήτη νέων υλικών Η πρόκληση: Ευκαμψία (flexibility) Λεπτές μεβράνες (φιλμ) απο Νανοσωλήνες Άνθρακα (CNT) Παράδειγμα: Κατασκευάστηκε διαφανής οθόνη αφής που υποστηρίζει πολυαφή και μέτρηση δύναμης αγγίγματος, με τη χρήση ενός μονού τοιχώματος νανοσωλήνων άνθρακα (Single Wall CNT) σε τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (ΡΕΤ).Αποτελείται από ένα στρώμα SWCNT, ένα αγώγιμο στρώμα από ΙΤΟ, και αναμεσα ένα στρώμα γέλης σιλικόνης. Η παρουσία του στρώματος της γέλης σιλικόνης μεταξύ των τοιχωμάτων καθιστά δυνατή την αλλαγή της απόστασης τους με την εφαρμογή πίεσης με αποτέλεσμα την μεταβολή της χωρητικότητας αναμεσα στα αγώγιμα στρώματα. Το SWCNT στο PET παρουσίασε ευκαμψία και μηχανική αντοχή [1],[2]

33 33 Το Γραφένιο Παραγωγή φιλμ γραφενίου 30-ιντσών που ανεπτύσεται με τη μέθοδο της Χημικής Εναπόθεση Ατμών (CVD) πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα χαλκού. Τα φιλμ αυτά παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση και 97,4% οπτική διαπερατότητα. Το φιλμ γραφενίου μετά προσαρτάται σε ένα λεπτό φιλμ πολυμερούς επικαλυμμένο με ένα στρώμα κόλλας, περνώντας μεταξύ δύο κυλίνδρων. Στο επόμενο στάδιο, τα στρώματα χαλκού απομακρύνονται ηλεκτροχημικά και οι μεμβράνες γραφενίου μεταφέρονται από το υπόστρωμα του πολυμερούς επάνω στο επιθυμητό υπόστρωμα. Παρουσιάζει ιδιότητες καλύτερες απο αυτές των ηλεκτροδίων ΙΤΟ [3] Εικόνα 14: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

34 34 Τα προβλήματα των CNT και του γραφενίου, η λύση των νανονημάτων (Nanowires) Παρόλη τη προσπάθεια για την βελτίωση των ιδιοτήτων (ηλεκτρικών και οπτικών) των CNT, ακόμα είναι κατώτερα απο το ITO. Μια άλλη λύση είναι αυτή των νανονημάτων: Για παράδειγμα κατασκευάστηκε υψηλής αγωγιμότητας εύκαμπτα TCE χρησιμοποιώντας νανονήματα αργυλίου (Ag) μέσω μιας απλής τεχνικής (spray coating technique) που εναποθέτει τα νανονήματα Ag σε φίλμ,με εντυπωσιακά αποτελέσματα [4] Εικόνα 14: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

35 35 Περιεχόμενα Εισαγωγή Βασικές Τεχνολογίες Τα Προβλήματα και η Έρευνα στα Υλικά Μια Εφαρμογή με Νανοτεχνολογία

36 36 Διάταξη υψηλής ευαισθησίας σε τάση που ελέγχεται από την επιφανειακή πυκνότητα νανοσωματιδίων λευκόχρυσου [5] Νανοσωματίδια λευκόχρυσου με διάμετρο 4-5 nm Εικόνα 15: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

37 37 Εικόνα 16 Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Τα νανοσωματίδια τοποθετούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων Η Αντίσταση εξαρτάται απο την απόσταση των νανοσωματιδίων Η ευαισθησία είναι περισσότερο απο μια τάξη μεγέθου μεγαλύτερη απο μεταλλικά υλικά

38 Συμπεράσματα... 38

39 39 Βιβλιογραφία-πηγές Enabling Capacitive Touchscreens to Determine TouchObjects, Luben Hristov, Atmel Capacitive Interface Electronics for Sensing and Actuation Bernhard E. Boser,University of California, Berkeley Touch Technology Brief, Projected Capacitive Tecnhology, 3M Touch Sensor Controller Technology and Application Trends, Fujitsu Sensor Design Guide, Atmel Putting the Touch in Multi-Touch:An in-depth look at the future of interactivity, Gary L. Barrett, Touch International Touchscreens: Understanding Touchscreen Technology and Design, Steve Kolokowsky, Senior Elect Design Engineer, and Trevor Davis, Senior Business Development Manager, Cypress Semiconductor Corp. High Performance PET/Carbon Nanotube Nanocomposites: Preparation, Characterization, Properties and Applications,Jun Young Kim and Seong Hun Kim, κεφ. 5 Using resistive touch screens for human/machine interface,rick Downs Capacitive Sensors. K. Baxter Toriyama,T., and S. Sugiyama, Analysis of Piezoresistance in p-type Silicon for Mechanical Sensors, Microelectromechanical Systems, Journal of,

40 40 [4] A. R. Madaria, A. Kumar, και C. Zhou, Large scale, highly conductive and patterned transparent films of silver nanowires on arbitrary substrates and their application in touch screens, Nanotechnology, vol. 22, , June [1] K. Kim, K. Shin, J.-H. Han, K.-R. Lee, W.-H. Kim, K.-B. Park, B.-K. Ju, and J. J. Pak, Deformable single wall carbon nanotube electrode for transparent tactile touch screen, Electron. Lett,2011. D. S. Hecht, D. Thomas, L. Hu, C. Ladous, T. Lam, Y. Park, G. Irvin, και P. Drzaic, Carbon-nanotube film on plastic as transparent electrode for resistive touch screens, J. Soc. Inf. Disp.,2009. [2] H.-K. Kim, S.-G. Lee, J.-E. Han, T.-R. Kim, S.-U. Hwang, S.-D. Ahn, I.-K. You, K.-I. Cho, T. Song, και K.- S. Yun, Transparent and flexible tactile sensor for multi touch screen application with force sensing, in Solid- State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, [3] S. Bae, H. Kim, Y. Lee, X. Xu, J.-S. Park, Y. Zheng, J. Balakrishnan, T. Lei, H. Ri Kim, Y. I. Song, Y.-J. Kim, K. S. Kim, B. Özyilmaz, J.-H. Ahn, B. H. Hong, and S. Iijima, Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes, Nat. Nanotechnol., [5] High strain sensitivity controlled by the surface density of platinum nanoparticles, J L Tanner, D Mousadakos, K Giannakopoulos, E Skotadis and D Tsoukalas,2012

41 41 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.