FR3044408B1 - Capteur de motif thermique a capacite pyroelectrique horizontale - Google Patents
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Abstract
Capteur (100) de motif thermique comportant plusieurs pixels (102) disposés sur une face avant (112) d'un substrat (104), chaque pixel (102) comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion de matériau pyroélectrique (106) disposée entre deux électrodes électriquement conductrices (108, 110) et telle que les électrodes électriquement conductrices (108, 110) soient disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant (112) du substrat (104).
Description
CAPTEUR DE MOTIF THERMIQUE A CAPACITE PYROELECTRIQUE HORIZONTALE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention se rapporte à un capteur de motif thermique, ou transducteur de variation temporelle de température en une différence de potentiels électriques, comportant des capacités pyroélectriques, avantageusement utilisé pour réaliser une capture d'empreinte digitale. L'invention s'applique au domaine des capteurs de type actif, c'est-à-dire comprenant un ou plusieurs éléments chauffants destinés à chauffer les pixels, mais également au domaine des capteurs de type passif qui ne comportent pas de tels éléments chauffants.
Il est connu de réaliser un capteur d'empreinte digitale comportant des moyens de détection thermique. Ces moyens de détection thermique peuvent correspondre à des éléments pyroélectriques, des diodes, des thermistances ou tout autre élément sensible à la température permettant de convertir une variation de température en une variation de potentiel ou de courant électrique.
La détection d'empreinte digitale peut être réalisée par des capteurs dits « passifs » exploitant une différence de températures entre celle du doigt et celle du capteur, comme décrit dans les documents US 4 394 773, US 4 429 413 et US 6 289 114. Ces capteurs ont toutefois pour inconvénient de réaliser une mesure qui dépend uniquement de la différence entre la température du doigt et la température du capteur. Il peut donc arriver que le niveau du signal obtenu soit nul lorsque le doigt et le capteur sont à la même température, ou que le contraste des images capturées varie, ce qui pose alors des problèmes lors du traitement ultérieur des images obtenues (par exemple, une inversion des températures entraîne une inversion de l'image obtenue).
Pour éliminer les problèmes soulevés par les capteurs thermiques passifs, et surtout dans le cas d'une acquisition statique où le doigt ne bouge pas, des capteurs d'empreintes dits « actifs » ont été proposés, comme par exemple ceux décrits dans les documents US 6 091 837 et EP 2 385 486 Al. Dans un tel capteur, chaque pixel comporte une capacité pyroélectrique formée de deux électrodes conductrices superposées l'une au-dessus de l'autre et entre lesquelles une portion de matériau pyroélectrique est disposée, et un élément chauffant. Cet élément chauffant dissipe une certaine quantité de chaleur dans le pixel, et réchauffement du pixel est mesuré au bout d'un certain temps d'acquisition en présence du doigt sur le capteur. Cela permet de distinguer, au niveau de chaque pixel, la présence d'une crête ou d'une vallée de l'empreinte détectée suivant que la chaleur est absorbée par la peau (pixel en présence d'une crête de l'empreinte) ou conservée dans le pixel (pixel en présence d'une vallée de l'empreinte). Cela conduit à une température finale plus faible dans le cas d'un pixel en présence d'une crête de l'empreinte, où la chaleur est absorbée par la peau, par rapport à un pixel en présence d'une vallée de l'empreinte.
Au premier ordre, un tel capteur permet de mesurer la capacité calorifique, également appelée chaleur massique ou capacité thermique massique, d'un élément en contact avec le capteur. Les mesures obtenues dépendent également de la conductivité thermique entre le capteur et la partie de l'élément (crête ou vallée dans le cas d'une empreinte digitale) en présence sur le capteur.
Au niveau physique, ce sont les échanges thermiques par contact entre le capteur et la peau qui rendent le fonctionnement du capteur possible. En effet, l'air, ou n'importe quel gaz, ne peut pas transporter la chaleur aussi efficacement que de la matière dense telle que la peau, ce qui se traduit par des différences de conductivité thermique importantes entre un pixel en contact avec de l'air et un pixel en contact avec de la peau. De plus, la profondeur des vallées augmente la résistance thermique vers la capacité thermique de la peau. Le rayonnement est très secondaire dans le transport d'énergie par rapport à la transmission de la chaleur par contact.
Afin d'obtenir une bonne sensibilité à la détection, traduisant une forte différence de températures entre un pixel en contact avec une crête de l'empreinte et un pixel en contact avec une vallée de l'empreinte, les puissances électriques injectées dans l'élément chauffant peuvent aller de 0,5 mW/pixel à 5 mW/pixel dans le cas de pixels ayant des côtés de dimension égale à environ 50 pm (comme c'est le cas pour un capteur d'empreinte digitale standard de résolution égale à 500 dpi).
Il existe plusieurs moyens pour mesurer la variation de température due à la présence du motif thermique. La figure 1 représente une vue en coupe d'un pixel 10 d'un capteur de motif thermique permettant de réaliser une telle mesure.
Le capteur est réalisé à partir d'un substrat 12, par exemple en verre. Le pixel 10 comporte une électrode inférieure 14 et une électrode supérieure 16 entre lesquelles une portion de matériau pyroélectrique 18 est disposée, formant une capacité pyroélectrique. Le matériau pyroélectrique peut être par exemple un poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène) ou P(VDF-TrFE) ou encore PVDF (polyfluorure de vinylidène), une céramique telle que du PZT (titano-zirconate de plomb, ou « Lead Zirconate Titanate » en anglais), de l'AIN, du BaTiCh ou encore du ZnO. D'autres matériaux pyroélectriques sont possibles, à savoir tous ceux qui produisent des charges électriques en fonction d'un paramètre pyro-piézoélectrique. L'électrode supérieure 16 est recouverte d'une couche de protection 20 sur laquelle l'élément dont le motif thermique est mesuré, par exemple un doigt, est destiné à être disposé lors de la mesure.
Lorsque la portion de matériau pyroélectrique 18 est soumise à une variation de température ΔΤ, cette variation de température ΔΤ provoque l'apparition d'un champ électrique supplémentaire au sein de la capacité pyroélectrique, générant des charges AQ entre les électrodes 14,16 telles que :
(D
Le paramètre S correspond à la surface de la portion de matériau pyroélectrique 18 se trouvant en regard de chacune des électrodes 14,16. Le paramètre y correspond au coefficient pyroélectrique du matériau pyroélectrique de la portion 18. Par exemple, le coefficient pyroélectrique y du PVDF est égal à environ 29 pC/m2/K.
La portion de matériau pyroélectrique 18 et les électrodes 14,16 formant une capacité de valeur C, les charges AQ générées induisent une différence de potentiels électriques Δν entre les électrodes 14,16 telle que :
(2)
Toutefois, en plus des charges générées par la capacité de valeur C, d'autres charges sont également générées par les capacités parasites présentes au niveau
du pixel, par exemple celles liées à la grille du transistor de lecture lorsque le capteur comporte un circuit de lecture en tension.
Dans le cas d'un capteur thermique actif, le capteur est également muni d'un élément chauffant généralement réalisé à partir de la même couche électriquement conductrice que celle servant à réaliser l'électrode supérieure 16. Cet élément chauffant est par exemple réalisé sous la forme d'un serpentin entourant partiellement les électrodes supérieures 16 et permettant de chauffer latéralement les capacités pyroélectriques, au niveau des électrodes supérieures 16. Cette disposition de l'élément chauffant n'est toutefois pas idéale car chauffer latéralement les pixels n'est pas très performant en raison de l'importante résistance thermique formée par le matériau pyroélectrique. De plus, en réalisant l'électrode supérieure et l'élément chauffant à partir de la même couche électriquement conductrice, il est nécessaire de réaliser un compromis entre la surface occupée par l'électrode supérieure et celle occupée par l'élément chauffant. Enfin, l'élément chauffant ainsi réalisé peut également fortement perturber le fonctionnement du capteur.
Un problème commun aux capteurs actifs et aux capteurs passifs est leur coût de réalisation, notamment lié à la réalisation des électrodes.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un capteur de motif thermique dont la structure soit compatible avec la réalisation d'un capteur de type passif ou actif, et dont le coût de réalisation soit inférieur à celui des capteurs de l'art antérieur.
Pour cela, la présente invention propose un capteur de motif thermique comportant plusieurs pixels disposés sur une face avant d'un substrat, chaque pixel comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par, ou comprenant, au moins une portion de matériau pyroélectrique disposée entre deux électrodes électriquement conductrices et telle que les électrodes électriquement conductrices soient disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant du substrat.
Ainsi, au lieu de réaliser une capacité pyroélectrique « verticale » par rapport à la face avant du substrat sur lequel les pixels sont réalisés, le capteur selon l'invention propose de réaliser la capacité pyroélectrique de manière « horizontale » en disposant les deux électrodes de chaque pixel dans un même plan horizontal parallèlement à la face avant du substrat. Une telle configuration permet de réaliser les électrodes des pixels en utilisant un seul niveau de métal et non deux comme cela se fait habituellement, ce qui se traduit par une baisse du coût lié à leur réalisation (un masque de moins à réaliser, et une opération de dépôt/gravure en moins à mettre en oeuvre).
Le matériau pyroélectrique correspond à un matériau apte à générer des charges électriques lorsqu'il est soumis à une variation de température.
Les électrodes électriquement conductrices d'un pixel sont disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant du substrat, c'est-à-dire qu'une partie de chacune des électrodes fait partie d'un plan parallèle à la face avant du substrat.
Il est également décrit un capteur de motif thermique comportant au moins un pixel disposé sur une face avant d'un substrat et comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par, ou comprenant, au moins une portion de matériau pyroélectrique disposée entre deux électrodes électriquement conductrices et telle que les électrodes électriquement conductrices soient disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant du substrat.
De manière avantageuse, un espacement « e » entre les électrodes électriquement conductrices de chaque pixel peut être inférieur ou égal à environ 2 pm. Avec un tel espacement, les pixels peuvent être réalisés avec un faible pas. De plus, lorsque le matériau pyroélectrique doit être initialement polarisé en appliquant une tension électrique continue à ces bornes, via les électrodes, ce faible espacement entre les électrodes permet de réaliser cette polarisation du matériau pyroélectrique avec une tension de polarisation plus faible que dans le cas d'une capacité pyroélectrique « verticale » qui nécessite d'avoir un espacement plus important entre les électrodes du fait que cet espacement correspond à l'épaisseur de matériau pyroélectrique déposé, et donc un niveau de tension de polarisation du matériau pyroélectrique plus important. L'espacement « e » entre les électrodes est au moins partiellement, et avantageusement complètement, rempli par la portion de matériau pyroélectrique.
Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau pyroélectrique peut comporter du PVDF et/ou du P(VDF-TrFE) et/ou du P(VDF-TrFE-CFE) et/ou du P(VDF-TrFE-CTFE) et/ou de ΙΆΙΝ. L'AIN est avantageusement utilisé pour la réalisation d'un capteur à balayage sur un substrat CMOS.
De manière avantageuse, les électrodes électriquement conductrices de chaque pixel peuvent former des peignes interdigités. De telles électrodes permettent d'obtenir, pour une surface donnée sur le substrat, une importante surface d'électrodes en regard du matériau pyroélectrique. Les électrodes comporte dans ce cas des portions rectilignes sensiblement parallèles les unes par rapport aux autres (correspondant aux « dents » des peignes), chacune des portions rectilignes de l'une des deux électrodes étant interposée entre deux portions rectilignes de l'autre des deux électrodes.
Chacune des électrodes électriquement conductrices peut avoir une épaisseur supérieure ou égale à environ 100 nm, voire supérieure ou égale à environ 1 pm. Cette épaisseur permet l'obtention d'une importante surface d'électrodes en regard du matériau pyroélectrique.
Le capteur peut comporter en outre, dans chaque pixel, une couche de matériau pyroélectrique (avantageusement le même que celui des portions de matériau diélectriques disposées entre les électrodes) recouvrant la portion de matériau pyroélectrique et les électrodes électriquement conductrices telle que la portion de matériau pyroélectrique et les électrodes électriquement conductrices soient disposées entre la couche de matériau pyroélectrique et le substrat. La présence d'une telle couche de matériau pyroélectrique facilite la réalisation des portions de matériau pyroélectrique puisque ces portions peuvent être réalisées via un dépôt de matériau pyroélectrique d'épaisseur supérieure à celle des électrodes électriquement conductrices. L'une des électrodes électriquement conductrices de chaque pixel peut être reliée électriquement à un potentiel électrique fixe, par exemple à la masse du capteur. L'autre des électrodes électriquement conductrices de chaque pixel peut dans ce cas servir d'électrode de lecture du pixel, c'est-à-dire former l'électrode sur laquelle les charges électriques générées dans la capacité pyroélectrique sont destinées à être lues.
Avec le capteur selon l'invention, il n'est plus nécessaire de déposer un métal supplémentaire pour former l'électrode supérieure du pixel, ce qui représente un gain pour la fabrication des capteurs, et notamment les capteurs passifs.
Pour les capteurs actifs, il est possible de réaliser l'élément chauffant à partir du niveau de métal servant à la réalisation des électrodes. L'élément chauffant se trouve dans ce cas disposé à côté des électrodes, et réalise donc un chauffage latéral du pixel. Toutefois, de manière avantageuse, le capteur peut comporter en outre au moins un élément chauffant isolé électriquement des électrodes électriquement conductrices et disposé en regard d'au moins une partie de la portion de matériau pyroélectrique, et avantageusement en regard de l'ensemble de la portion de matériau pyroélectrique, tel que la portion de matériau pyroélectrique soit disposée entre l'élément chauffant et le substrat. Cette configuration correspond à un capteur de type actif qui a pour avantage, par rapport aux capteurs actifs de l'art antérieur, de ne pas avoir à faire de compromis entre la surface occupée par l'électrode supérieure et celle occupée par l'élément chauffant tout en ayant un chauffage des pixels du capteur plus performant qu'un chauffage latéral des pixels. Cette configuration horizontale des électrodes permet de libérer de la place pour l'élément chauffant qui peut recouvrir, dans chaque pixel, toute la surface de la portion de matériau pyroélectrique. Aucun problème d'encombrement ou de disposition entre l'élément chauffant et les électrodes ne se pose donc dans cette configuration. L'élément chauffant peut comporter au moins une portion continue de matériau électriquement conducteur s'étendant en regard de portions de matériau pyroélectrique de plusieurs pixels.
La portion continue de matériau électriquement conducteur peut être disposée en regard de toute la surface des portions de matériau pyroélectrique desdits plusieurs pixels. Ainsi, le chauffage des pixels par l'élément chauffant est optimal et maximisé.
Les pixels peuvent être disposés sur le substrat en formant une matrice de plusieurs lignes et plusieurs colonnes, et le capteur peut comporter plusieurs éléments chauffants chacun associé à une des lignes de pixels. Un même élément chauffant peut donc être utilisé pour chauffer tous les pixels d'une même ligne.
Lorsque le capteur comporte la couche de matériau pyroélectrique recouvrant la portion de matériau pyroélectrique et les électrodes électriquement conductrices, la couche de matériau pyroélectrique peut être disposée, au niveau de chaque pixel, entre l'élément chauffant et la portion de matériau pyroélectrique et entre l'élément chauffant et les électrodes électriquement conductrices. Ainsi, la couche de matériau pyroélectrique peut assurer l'isolation électrique entre les électrodes conductrices et l'élément chauffant qui est par exemple formé d'une portion de matériau électriquement conducteur.
De manière avantageuse, le capteur peut être un capteur d'empreinte digitale. L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'un capteur de motif thermique, comportant la réalisation de plusieurs pixels sur une face avant d'un substrat, chaque pixel comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion de matériau pyroélectrique disposée entre deux électrodes électriquement conductrices et telle que les électrodes électriquement conductrices soient disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant du substrat.
La réalisation des pixels peut être obtenue au moins par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - dépôt d'au moins une première couche électriquement conductrice sur la face avant du substrat ; - gravure de la première couche électriquement conductrice, formant les électrodes électriquement conductrices de chaque pixel ; - dépôt du matériau pyroélectrique, formant au moins la portion de matériau pyroélectrique entre les électrodes électriquement conductrices de chaque pixel.
Si le matériau pyroélectrique est suffisamment résistant mécaniquement pour former une protection surfacique vis-à-vis des agressions extérieures, comme par exemple lorsque le matériau pyroélectrique est de l'AIN, le matériau pyroélectrique peut alors assurer lui-même la protection mécanique de la capacité pyroélectrique. Sinon, une couche de protection supplémentaire peut être ajoutée.
La réalisation des pixels peut comporter en outre, après l'étape formant la portion de matériau pyroélectrique de chaque pixel, la mise en œuvre d'un dépôt et d'une gravure d'au moins une deuxième couche électriquement conductrice, formant au moins un élément chauffant disposé en regard d'au moins une partie de la portion de matériau pyroélectrique. Cette deuxième couche électriquement conductrice peut également servir de protection vis-à-vis des décharges électrostatiques, lorsqu'au moins l'une des extrémités de cette deuxième couche est reliée à la masse.
De plus, le matériau pyroélectrique déposé peut former en outre, dans chaque pixel, une couche de matériau pyroélectrique recouvrant la portion de matériau pyroélectrique et les électrodes électriquement conductrices, l'élément chauffant étant réalisé ensuite au moins sur la couche de matériau pyroélectrique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe d'un pixel d'un capteur de motif thermique de l'art antérieur ; - la figure 2 représente une vue en coupe d'une partie d'un pixel d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation ; - la figure 3 représente une vue de dessus de plusieurs pixels d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon le premier mode de réalisation ; - la figure 4 représente une vue en coupe d'une partie d'un pixel d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 5 représente une vue de dessus de plusieurs pixels d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon le deuxième mode de réalisation ; - la figure 6 représente une vue de dessus de plusieurs pixels d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon une variante du deuxième mode de réalisation ; - la figure 7 représente une vue de dessus d'une partie de la matrice de pixels d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon le deuxième mode de réalisation ; - les figures 8A à 81 représentent des étapes d'un procédé de réalisation d'un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier ; - la figure 9 représente une vue de dessus d'un l'élément chauffant réalisé sous la forme d'un serpentin.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord à la figure 2 qui représente une vue en coupe d'une partie d'un pixel 102 d'un capteur 100 de motif thermique selon un premier mode de réalisation, montrant notamment une capacité pyroélectrique du pixel 102 qui forme l'élément de détection thermique du pixel 102. Dans ce premier mode de réalisation, le capteur 100 correspond à un capteur d'empreinte digitale. En outre, dans ce premier mode de réalisation, le capteur 100 est apte à réaliser une détection passive de motif thermique, c'est-à-dire sans faire appel à des moyens de chauffage des pixels 102.
Le capteur 100 comporte un substrat 104 correspondant par exemple à un substrat de verre ou un substrat de semi-conducteur tel que du silicium. Un substrat 104 de verre peut être avantageusement utilisé lorsque le capteur 100 comporte un circuit de lecture réalisé à partir de transistors TFT (transistor en couches minces, ou « Thin-Film Transistor» en anglais), tandis qu'un substrat 104 de semi-conducteur peut être utilisé lorsque le circuit de lecture du capteur 100 comporte des transistors réalisés en technologie MOS. Le substrat 104 peut également être un substrat souple, comprenant par exemple du polyimide et/ou du PEN (poly(naphtalate d'éthylène)) et/ou du PET (poly(téréphtalate d'éthylène)), sur lequel les composants électroniques du capteur 100 sont réalisés par technologie électronique imprimée (par exemple via une réalisation avec des têtes d'écriture de type jet d'encre, ou par lithographie sur plastique, ou encore en technologie TFT sur substrat souple de plastique ou de métal).
Les pixels 102 du capteur 100 sont disposés en formant une matrice de plusieurs lignes et plusieurs colonnes de pixels 102. Le pas des pixels 102, dans le plan (X,Y) (c'est-à-dire le plan principal du substrat 104), est par exemple compris entre environ 25 pm et 100 pm. Dans le cas d'un capteur 100 de résolution égale à 500 dpi, le pas des pixels 102 est égal à 50,8 pm.
Chacun des pixels 102 du capteur 100 comporte des moyens de mesure, ou de détection, thermique correspondant à une capacité pyroélectrique. Chaque capacité pyroélectrique comporte une portion 106 de matériau pyroélectrique disposée entre une première électrode électriquement conductrice 108 et une deuxième électrode électriquement conductrice 110. Le matériau pyroélectrique de la portion 106 est avantageusement du PVDF (polyfluorure de vinylidène) et/ou au moins un copolymère du PVDF tel que du P(VDF-TrFE) ou poly(fluorure de vinylidène - trifluoroéthylène), et/ou du P(VDF-TrFE-CFE) ou poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène-chlorofluoroéthylène), et/ou du P(VDF-TrFe-CTFE) ou poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène-chlorotrifluoroéthylène). En variante, le matériau pyroélectrique de la portion 106 peut être de l'AIN ou du PZT ou du BaTiCh ou encore du ZnO, ou tout autre matériau pyroélectrique adapté pour former une capacité pyroélectrique et dont le coefficient pyroélectrique y est au moins égal à celui de ΓΑΙΝ. Les électrodes 108, 110 comportent chacune au moins un matériau électriquement conducteur, par exemple un matériau métallique tel que du Ti et/ou du Pt et/ou du Ni et/ou de l'Au et/ou de ΓΑΙ et/ou de l'Ag et/ou de l'AISi et/ou de l'AICu. Dans un mode de réalisation avantageux, les électrodes 108, 110 sont chacune formées d'un ou plusieurs empilements superposés de Ti/TiN, avec une épaisseur de Ti comprise entre environ 50 nm et 500 nm et une épaisseur de TiN comprise entre environ 10 nm et 500 nm.
Contrairement aux capteurs de l'art antérieur dans lesquels les électrodes de la capacité pyroélectrique sont disposées l'une au-dessus de l'autre, les électrodes 108, 110 sont ici formées par des portions électriquement conductrices disposées dans un même plan horizontal qui est parallèle à une face avant 112 du substrat 104 sur laquelle la capacité pyroélectrique est réalisée (parallèlement au plan (X,Y) sur la figure 2).
Lors de la réalisation de la portion 106, l'épaisseur de matériau pyroélectrique déposé (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 2) est ici supérieure à celle des électrodes 108, 110, formant ainsi, en plus de la portion 106, une couche de matériau pyroélectrique 114 recouvrant la portion 106 et les électrodes 108, 110. L'épaisseur totale de matériau pyroélectrique déposé (épaisseur de la portion 106 + épaisseur de la couche 114) est par exemple comprise entre environ 1 pm et 5 pm.
La couche 114 peut être recouverte par une couche de protection 115 dont une face supérieure 116 correspond à la surface sur laquelle se trouve le motif thermique destiné à être détecté, par exemple un doigt dont l'empreinte est destinée à être détectée. Cette couche 115 peut comporter préférentiellement du ZnO et/ou de l'AIN et/ou de l'IGZO (« Indium Galium Zinc Oxide ») et/ou de ΙΊΖΟ (« Indium Zinc Oxide ») et/ou de l'ATO (« Antimony Tin Oxide ») et/ou de ΙΆΙ2Ο3 et/ou du SIN faiblement contraint à faible température. D'autres matériaux sont aussi envisageables pour cette couche 115, comme par exemple du polyimide, du PVDF et/ou ses copolymères, du PMMA, etc. Le ou les matériaux utilisés ainsi que l'épaisseur de la couche 115 sont choisis pour obtenir un bon transfert de la chaleur depuis la face avant 116 vers la capacité pyroélectrique. Ainsi, la couche de protection 115 est réalisée telle qu'elle ne soit ni trop thermiquement résistive (car la chaleur ne la traverserait pas), ni trop thermiquement conductrice (car la chaleur partirait dans ce cas sur les côtés, vers les autres pixels, provoquant de la diathermie au sein du capteur), ni trop épaisse (pour avoir un transfert de chaleur s'opérant depuis la face avant 116 vers la capacité pyroélectrique), ni trop fine (l'épaisseur de la couche 115 doit tout de même être suffisante pour que son rôle de protection soit rempli). L'épaisseur de la couche 115 peut être comprise entre environ 30 nm et 500 nm.
La figure 3 représente une vue de dessus de trois pixels 102.1, 102.2 et 102.3 appartenant à une même ligne de la matrice de pixels 102 du capteur 100, chacun délimité par des pointillés. Pour des raisons de lisibilité, la couche de protection optionnelle 115 n'est pas représentée sur cette figure 3. Dans chacun des pixels 102.1,102.2 et 102.3, les électrodes 108 et 110 sont réalisées sous la forme de peignes interdigités, ce qui permet de conférer, pour une taille de pixel donnée, une importante surface de matériau pyroélectrique en regard des électrodes 108, 110 (cette surface correspondant au paramètre S dans les précédentes équations (1) et (2)). De plus, sur cet exemple, les deuxièmes électrodes 110 des pixels 102.1, 102.2 et 102.3 sont reliées électriquement entre elles du fait que toutes les deuxièmes électrodes 110 de la matrice de pixels sont destinées à être reliées à un potentiel électrique commun, avantageusement à la masse. Les premières électrodes 108 correspondent aux électrodes de lecture des pixels 102, c'est-à-dire les électrodes sur lesquelles les charges électriques générées par les capacités pyroélectriques des pixels sont récupérées. L'épaisseur de la capacité pyroélectrique ainsi formée, qui correspond à l'espacement « e » entre les électrodes 108,110 dans lequel se trouve la portion 106, est de préférence inférieure à environ 2 pm afin de favoriser la polarisation du matériau pyroélectrique de cette capacité, le niveau de la tension électrique appliquée entre les électrodes 108, 110 pour réaliser la polarisation initiale du matériau pyroélectrique (lorsque le matériau pyroélectrique doit être initialement polarisé comme c'est le cas du PVDF) étant dans ce cas inférieur à celui rencontré dans le cas des capteurs de l'art antérieur à capacités pyroélectriques verticales. De manière générale, cet espacement « e » entre les électrodes 108,110 d'un même pixel 102 est compris entre environ 100 nm et 5 pm, de préférence inférieur à environ 2 pm et par exemple égal à environ 1 pm.
Dans une capacité pyroélectrique de l'art antérieur dans laquelle les électrodes supérieure et inférieure sont superposées l'une sur l'autre avec le matériau pyroélectrique disposé entre elles, l'épaisseur de matériau pyroélectrique déposé est contrôlée précisément car cette épaisseur correspond à l'épaisseur de la capacité pyroélectrique (distance entre les électrodes) et intervient directement dans la valeur obtenue C de la capacité pyroélectrique. Dans la capacité pyroélectrique représentée sur la figure 2, l'épaisseur du matériau pyroélectrique déposé ne nécessite pas un contrôle aussi précis car cette épaisseur est de préférence supérieure que celle des électrodes 108, 110, et ce sont les épaisseurs des électrodes 108, 110 qui définissent l'épaisseur, ou la hauteur, de matériau pyroélectrique se trouvant en regard des électrodes 108, 110. La couche électriquement conductrice servant à la réalisation des électrodes 108, 110 est donc réalisée avec la plus grande épaisseur, ou hauteur, possible pour maximiser la surface de matériau pyroélectrique se trouvant en regard des électrodes 108, 110, et donc maximiser le signal de mesure qui sera délivré par le pixel 102. Cette épaisseur des électrodes 108, 110 est par exemple comprise entre environ 100 nm et 2 pm, et par exemple égale à environ 1 pm.
Dans le cas d'une lecture en tension de la mesure réalisée par chaque pixel 102 (via un transistor monté en suiveur de tension et dont la grille est reliée électriquement à l'électrode de lecture de la capacité pyroélectrique), un espacement « e » faible entre les électrodes 108, 110 conduit toutefois à une capacité C plus élevée, ce qui réduit la sensibilité de mesure. Un compromis est dans ce cas trouvé pour la valeur de cet espacement « e ». Dans le cas d'une lecture en courant (courant issu de la capacité pyroélectrique envoyé directement en entrée d'un amplificateur de lecture), seule la surface de matériau pyroélectrique en regard des électrodes 108, 110 intervient, et un espacement « e » plus faible permet de réduire la tension de polarisation nécessaire lorsque le matériau pyroélectrique doit être initialement polarisé, comme dans le cas du PVDF. Lorsque l'espacement « e » n'est pas constant dans l'ensemble du pixel 102, les capacités formées au sein du pixel 102 pour chacune des valeurs différentes de cet espacement « e » peuvent être considérées individuellement puis sommées pour obtenir la capacité résultante dans l'ensemble du pixel 102.
Par rapport à une capacité pyroélectrique formée de deux électrodes superposées entre lesquelles le matériau pyroélectrique est disposé, la capacité pyroélectrique telle que décrite en liaison avec les figures 2 et 3 permet de réduire les coûts de réalisation du capteur 100 du fait qu'un seul niveau de matériau électriquement conducteurest nécessaire pour la réalisation des deux électrodes entre lesquelles se trouve le matériau pyroélectrique, ce qui permet de réaliser l'économie d'un masque de gravure et d'une étape de photolithographie/gravure.
La figure 4 représente une vue en coupe d'une partie d'un pixel 102 du capteur 100 de motif thermique selon un deuxième mode de réalisation. La figure 5 représente une vue de dessus de trois pixels 102.1,102.2 et 102.3 du capteur 100 selon ce deuxième mode de réalisation.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le capteur 100 est apte à réaliser une détection thermique active. Ainsi, en plus des éléments précédemment décrits pour le capteur 100 selon le premier mode de réalisation, le capteur 100 selon le deuxième mode de réalisation comporte un niveau de matériau électriquement conducteur supplémentaire disposé au-dessus de la couche 114 de matériau pyroélectrique et à partir duquel est réalisé un élément chauffant 118. Cet élément chauffant 118 est ici réalisé sous la forme d'une ligne rectangulaire métallique disposée au-dessus des pixels 102, de largeur « W » par exemple comprise entre environ 25 pm et 500 pm et de longueur « L » comprise entre environ 50 pm et 500 pm. La couche de protection 115 est formée sur cet élément chauffant 118.
Avec une telle configuration, aucun problème d'encombrement ou de disposition entre cet élément chauffant 118 et les électrodes 108,110 ne se pose puisque l'élément chauffant 118 n'est pas réalisé à partir du même niveau de matériau électriquement conducteur que celui servant à la réalisation des électrodes 108,110.
Dans cette configuration, l'élément chauffant 118 est donc directement en contact avec l'ensemble du matériau pyroélectrique des capacités pyroélectriques, et recouvre notamment toute la surface des pixels 102, et plus particulièrement toute la surface occupée par le matériau pyroélectrique des portions 106 se trouvant entre les électrodes 108, 110 des pixels 102. Le chauffage des pixels 102 réalisé par cet élément chauffant 118 est donc optimal et maximisé du fait que tout le matériau pyroélectrique de la portion 106 se trouve en regard de l'élément chauffant 118. La chaleur générée par l'élément chauffant 118 est donc diffusée verticalement et envoyée directement dans le matériau pyroélectrique des portions 106.
Lors du fonctionnement du capteur 100, une commande de chauffage (tension ou courant constant) est appliquée à une première extrémité 120 de l'élément chauffant 118, et une deuxième extrémité 122 de l'élément chauffant 118 est reliée à un potentiel commun, par exemple la masse. Un courant circule donc dans l'élément chauffant 118, ce qui provoque son échauffement ainsi que celui du matériau pyroélectrique des portions 106.
Le fait que la deuxième extrémité 122 soit reliée à la masse confère également au capteur 100 une protection vis-à-vis des éventuelles décharges électrostatiques, les courants liés à ses décharges pouvant s'écouler dans ce cas à la masse via l'élément chauffant 118.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, l'élément chauffant 118 est réalisé sous la forme d'une ligne rectangulaire recouvrant toute la surface des pixels 102. D'autres formes sont toutefois possibles pour la réalisation de l'élément chauffant 118. Par exemple, la figure 6 représente une vue dessus d'une autre configuration dans laquelle l'élément chauffant 118 est réalisé sous la forme d'un serpentin dont les segments recouvrent uniquement les portions 106 de matériau pyroélectrique. Sur l'exemple de la figure 6, les segments de l'élément chauffant 118 ont chacun une largeur « K » comprise entre environ 1 pm et 20 pm, une longueur « M », au niveau des pixels 102, comprise entre environ 50 pm et 500 pm, et sont disposés sur une largeur « N », pour chaque pixel 102, comprise entre environ 25 pm et 500 pm. La longueur « M » et la largeur « N » de l'élément chauffant 118 peuvent être adaptées ou non aux dimensions des pixels 102. Cet élément chauffant 118 est représenté sur la figure 9 sans les autres éléments du capteur 100.
De manière générale, la forme de l'élément chauffant 118 (par exemple la forme de serpentin ou la forme de ligne) sera choisie en fonction de la valeur souhaitée de la résistance électrique de l'élément chauffant 118 afin que la puissance de chauffage obtenue corresponde à celle souhaitée.
Quelle que soit la forme de l'élément chauffant 118, les dimensions de celui-ci et les niveaux de tension ou de courant appliqués pour réaliser le chauffage du matériau pyroélectrique sont ajustés en fonction de la puissance de chauffage souhaitée. Afin d'obtenir une bonne sensibilité de détection (ce qui correspond à une forte différence de températures lors de la lecture des pixels du capteur), la puissance électrique injectée dans l'élément chauffant 118 peut être comprise entre environ 0,5 mW/pixel et 5 mW/pixel.
La figure 7 est une vue de dessus d'une partie de la matrice de pixels 102 du capteur 100 tel que décrit précédemment en liaison avec la figure 5. Cette figure 7 représente notamment le fait que toutes les deuxièmes électrodes 110 sont reliées électriquement à une portion électriquement conductrice 124 elle-même reliée à la masse du capteur 100. La portion 124 est par exemple réalisée à partir de la ou des mêmes couches électriquement conductrices servant à la réalisation des éléments chauffants 118. Les accès électriques aux premières électrodes 108 sont indépendants les uns des autres et formés par des plots de contact 126 réalisés à partir de la ou des mêmes couches électriquement conductrices servant à la réalisation des électrodes 108,110. Les éléments chauffants 118 sont formés par des portions conductrices chacune commune à tous les pixels d'une même ligne. Sur l'exemple de la figure 7, chacune de ces portions forme une ligne continue de matériau conducteur disposée en regard de toute la surface des portions de matériau pyroélectrique 106 d'une même ligne. Les deuxièmes extrémités 122 des portions conductrices formant les éléments chauffants 118 sont reliées électriquement à une autre portion conductrice 128 elle-même reliée à la masse du capteur 100.
En variante de la configuration représentée sur la figure 7, les pixels de deux colonnes adjacentes peuvent être réalisés de manière symétrique afin que la ligne conductrice à laquelle sont reliées les deuxièmes électrodes des pixels de ces deux colonnes puisse être partagée et commune aux pixels de ces deux colonnes. Une telle variante peut s'appliquer dans le cas de pixels de dimensions importantes, par exemple réalisés avec un pas de 200 pm, la surface de la capacité pyroélectrique étant dans ce cas de l'ordre de 500 pm2.
Le chauffage des pixels peut également être réalisé d'une façon autre que celle représentée sur la figure 7, par exemple pixel par pixel.
Un procédé de réalisation des capacités pyroélectriques du capteur 100 similaire à celui de la figure 6, est décrit en liaison avec les figures 8A à 81.
Le capteur 100 est réalisé à partir du substrat 104. Le matériau du substrat 104 (verre, semi-conducteur, plastique, etc.) est choisi selon la technologie avec laquelle les différents éléments électroniques du capteur 100 sont réalisés. Le substrat 104 est tout d'abord nettoyé afin d'éliminer les résidus organiques présents sur celui-ci. Le type de nettoyage mis en oeuvre sera fonction du matériau du substrat 104.
La deuxième étape consiste à déposer sur la face avant 112 du substrat 104 une première couche électriquement conductrice 150, par exemple métallique, à partir de laquelle les électrodes 108 et 110 sont destinées à être réalisées (figure 8A). Le matériau de la couche 150 peut comporter au moins l'un des matériaux suivants : Ti, Pt, Ni, Au, Al, Ag, AISi, AlCu. Cette couche 150 est préférentiellement formée d'un ou plusieurs empilements de type Ti/TiN avec une épaisseur de Ti comprise entre environ 50 nm et 500 nm et une épaisseur de TiN comprise entre environ 10 nm et 500 nm. La couche 150 peut être déposée en phase vapeur PVD par évaporation (« sputtering » en anglais), sérigraphie, pulvérisation (« spray » en anglais) ou même par jet d'encre, selon les matériaux et les épaisseurs destinés à être déposés. Lorsque la couche 150 est formée par un dépôt PVD, l'épaisseur de la couche 150 peut être comprise entre environ 100 nm et 2 pm. De manière générale, l'épaisseur de la couche 150 est supérieure à environ 100 nm. D'autres types de dépôt peuvent permettre la réalisation d'une couche 150 d'épaisseur supérieure à environ 2 pm.
Comme représenté sur la figure 8B, la structure des électrodes 108, 110 est définie en mettant en oeuvre une étape de photolithographie et de gravure de la couche 150. Dans l'exemple décrit ici, cette structure correspond à celles précédemment décrites en liaison avec les premier et deuxième modes de réalisation, c'est-à-dire sous la forme de peignes interdigités réalisés dans toute l'épaisseur de la couche 150. Les accès électriques aux électrodes 108,110 ne sont pas visibles sur les figures 8B à 81
Cette étape de structuration de la couche 150 définit l'espacement « e » entre les électrodes 108, 110. L'espacement « e » entre deux doigts adjacents, ou dents adjacentes, des peignes interdigités formés par les électrodes 108, 110 est par exemple compris entre environ 100 nm et 5 pm, et préférentiellement inférieur à environ 2 pm, par exemple égal à environ 1 pm. La largeur « I » de ces doigts est par exemple comprise entre environ 1 pm et 20 pm, de préférence comprise entre environ 1 pm et 10 pm.
Le matériau pyroélectrique est ensuite déposé sur l'ensemble de la structure précédemment réalisée (figure 8C). Les parties du matériau pyroélectrique déposées entre les électrodes 108, 110 forment les portions 106 et celles recouvrant les portions 106 et les électrodes 108, 110 forment la couche 114. Lorsque le matériau pyroélectrique est du PVDF ou l'un de ses copolymères, il peut être déposé par « spin coating » (dépôt à la tournette) sur une épaisseur comprise entre environ 1 pm et 5 pm. D'autres types de dépôts localisés peuvent être utilisés comme la sérigraphie ou la pulvérisation, ou même le dépôt par jet d'encre. Différentes compositions en TrFe dans le P(VDF-TrFe) sont envisageables, afin d'obtenir des fortes valeurs de coefficient pyroélectrique. Ces compositions peuvent correspondre à un pourcentage en mole compris entre environ 10 % et 50 % pour le TrFe et d'environ 90 % à 50 % de VDF. Préférentiellement, le pourcentage en mole est d'environ 30 % pour le TrFe et environ 70 % pour le VDF, ce qui permet d'obtenir de meilleures caractéristiques en cristallisation du matériau pyroélectrique (cristallisation réalisée à l'étape suivante).
Lorsque le matériau pyroélectrique précédemment déposé est un polymère semi-cristallin tel que du PVDF ou l'un des copolymères du PVDF, une étape d'irradiation de ce matériau peut ensuite être mise en œuvre afin d'optimiser la cristallisation du matériau pyroélectrique au niveau d'une face avant 152 de la couche déposée, afin d'obtenir de bonnes performances pyroélectriques. Cette irradiation est par exemple mise en œuvre avec une lumière flash UV, avec une durée du flash, ou de l'impulsion, comprise entre environ 500 ps à 2 ms, une fluence (énergie délivrée par unité d'aire) comprise entre environ 15 J/cm2 et 25 J/cm2, et avec une lumière de longueur d'onde comprise entre environ 200 nm et 380 nm. Le nombre de flashs, ou impulsions, de lumière UV réalisés lors de cette irradiation varie en fonction de l'épaisseur sur laquelle le matériau pyroélectrique doit être cristallisé. Par exemple, pour une épaisseur de P(VDF-TrFe) égale à environ 2 pm, l'irradiation peut être mise en oeuvre avec une fluence égale à environ 17 J/cm2, une durée d'impulsion égale à environ 2 ms et un nombre d'impulsions égal à 5.
Comme représenté sur la figure 8D, des portions 154 du matériau pyroélectrique sont ensuite définies par la mise en oeuvre d'une photolithographie et d'une gravure du matériau pyroélectrique. Lorsque la gravure mise en oeuvre correspond à une gravure plasma, un plasma O2 peut être utilisé seul ou en combinaison avec du SF6 (hexafluorure de soufre). Les portions 154 de matériau pyroélectrique conservées après la mise en oeuvre de cette gravure correspondent aux portions du matériau pyroélectrique localisées au niveau des pixels 102 du capteur 100.
En variante, les portions 154 peuvent être réalisées directement, sans étape de gravure, par un dépôt localisé correspondant par exemple à un dépôt par spray à ultrasons, ou par jet d'encre ou par sérigraphie.
Le matériau pyroélectrique ayant éventuellement subi une précédente cristallisation de sa face avant est ensuite soumis à un recuit, par exemple réalisé à environ 130°C pendant environ 60 min, pour finaliser la cristallisation totale du matériau pyroélectrique.
La cristallisation du matériau pyroélectrique est donc réalisée en deux temps : tout d'abord l'irradiation par impulsion lumineuse UV pour bien cristalliser la face avant 152 du matériau pyroélectrique afin d'augmenter sa conductivité thermique au niveau d'au moins une partie de la couche 114, puis un recuit thermique achevant la cristallisation pour le reste de matériau pyroélectrique non cristallisé par la précédente irradiation.
Une ou plusieurs deuxièmes couches électriquement conductrices destinées à former les éléments chauffants 118 sont ensuite déposées sur la structure obtenue à ce stade du procédé, notamment sur les portions 154 de matériau pyroélectrique. Le ou les matériaux servant à la réalisation de l'élément chauffant 118 peuvent être choisis parmi mes matériaux suivants : Ti, Pt, Ni, Au, Al, Ag, AISi, AlCu. Sur l'exemple de réalisation représenté sur la figure 8E, l'élément chauffant 118 est destiné à être formé à partir d'une couche électriquement conductrice 156 de Ti d'épaisseur comprise entre environ 30 nm et 100 nm et d'une autre couche électriquement conductrice 158 comportant de l'AISi ou de l'AICu et d'épaisseur comprise entre environ 100 nm et 700 nm. Dans une telle configuration, la couche d'AISi ou d'AICu réaliser une passivation de la couche de titane, protégeant ainsi le titane contre l'oxydation.
Des parties de la ou des couches 156, 158 déposées à côté des portions 154 de matériau pyroélectrique, sur le substrat 104, sont destinées à former des plots de contact électrique correspondant aux extrémités 120 et 122 aux bornes desquelles la tension de chauffage est destinée à être appliquée. L'élément chauffant 118 est ensuite formé en gravant la ou les couches électriquement conductrices précédemment déposées selon le motif de l'élément chauffant 118, par exemple sous forme d'un serpentin comme précédemment décrit en liaison avec la figure 6 ou sous la forme d'une ligne rectangulaire comme précédemment décrit en liaison avec la figure 5. Une étape de photolithographie suivie d'une étape gravure plasma ou en humide sont par exemple mises en oeuvre pour la formation de l'élément chauffant 118.
Dans l'exemple décrit ici, cette gravure des deuxièmes couches électriquement conductrices est réalisée en deux temps. Dans un premier temps, une photolithographie et une gravure humide ou plasma sont mises en oeuvre pour graver la couche 158 comportant de l'AISi ou de l'AICu en s'arrêtant sur la couche 156 (figure 8F). La couche 156 va alors protéger le matériau pyroélectrique lors du retrait de la résine ayant servie de masque pour la photolithographie de la couche 158.
La couche 156 est ensuite gravée, par exemple via la mise en œuvre d'une gravure plasma, selon le motif précédemment gravé à travers la couche 158 qui sert de masque dur lors de cette gravure (figure 8G). Le motif de l'élément chauffant 118 est ainsi obtenu et formé à travers la ou les deuxièmes couches électriquement conductrices précédemment déposées.
Comme représenté sur la figure 8H, le ou les matériaux 162 destinés à former la couche de protection 115 est ou sont ensuite déposés sur l'ensemble de la structure précédemment réalisée. Selon le ou les matériaux 162 déposés, le ou les dépôts peuvent se faire par voie physique (par exemple PVD) à faible température ou par voie liquide (par exemple par centrifugation, pulvérisation ou jet d'encre).
Lorsque ce ou ces matériaux de protection 162 sont déposés de manière localisée, comme par exemple par pulvérisation ou par jet d'encre, la couche 115 est formée dès le dépôt de manière localisée sur l'élément chauffant 118 et les éventuelles parties de matériau pyroélectrique non recouvertes par l'élément chauffant 118 (comme c'est le cas lorsque l'élément chauffant 118 forme un serpentin localisé uniquement au-dessus des portions 106), et il n'est pas nécessaire de mettre en œuvre une gravure du ou des matériaux déposés pour former la couche 115. Dans le cas contraire, comme c'est le cas sur la figure 8H où le ou les matériaux 162 sont déposés également à côté des portions 154 de matériau pyroélectrique, une gravure, par exemple par plasma, est ensuite mise en œuvre afin de supprimer les parties du ou des matériaux 162 déposés à côté des portions 154, permettant ainsi l'accès aux extrémités 120,122 (figure 81).
Lorsque le matériau pyroélectrique est un copolymère à base de P(VDF-TrFe), il est nécessaire de mettre en œuvre, avant la première utilisation du capteur 100 pour détecter un motif thermique, une étape de polarisation initiale du matériau pyroélectrique en appliquant une tension électrique continue à ses bornes, via les électrodes 108, 110, afin d'améliorer le coefficient pyroélectrique de ce matériau. Cette polarisation est réalisée une seule fois pour toute la durée de vie du matériau pyroélectrique. Cette polarisation par courant continue peut se faire à une température ambiante ou à chaud (jusqu'à environ 100°C). Lorsque la polarisation est réalisée à une température ambiante, il est possible d'appliquer une tension continue jusqu'à environ 120 V/pm d'espacement interdigital (correspondant à l'espacement « e ») pendant une durée par exemple comprise entre quelques secondes et quelques minutes. Lorsque la polarisation est réalisée à chaud, par exemple à une température d'environ 90°C, une tension continue par exemple comprise entre environ 50 V et 80 V par micron d'espacement interdigital peut être appliquée pendant une durée par exemple comprise entre environ 1 min et 5 min. La température est ensuite abaissée jusqu'à atteindre la température ambiante, puis le champ électrique appliqué sur le matériau pyroélectrique, via la tension continue appliquée, est stoppé. De telles polarisations permettent au PVDF d'atteindre des coefficients pyroélectriques compris entre environ 30 et 45 pC/(m2.K). Le fait que les électrodes 108,110 soient réalisées sous la forme de peignes interdigités avec un espacement « e » inférieur ou égal à environ 2 pm, avec le matériau pyroélectrique des portions 106 disposé entre les doigts de ces peignes, a pour avantage de baisser le niveau de la tension de polarisation du matériau pyroélectrique nécessaire à l'obtention d'un niveau donné de coefficient pyroélectrique, grâce à cette faible distance entre les électrodes 108,110.
La matrice de pixels 102 du capteur 100 est lue ligne par ligne grâce à des transistors de sélection intégrés dans chaque pixel 102 et via un circuit électronique de lecture disposé en pieds de colonnes (non représenté sur les figures) permettant de réaliser soit une lecture directe des charges générées par chaque pixel (lecture en courant), soit de réaliser une lecture en tension des pixels 102 via l'utilisation d'un transistor monté en suiveur de tension.
Diverses méthodes de calibration, utilisant par exemple un pixel de référence ayant une capacité calorifique connue, peuvent être mises en oeuvre. De telles méthodes sont décrites par exemple dans le document FR 2 959 814.
Dans les différents exemples décrits précédemment, le capteur 100 est utilisé en tant que détecteur d'empreinte digitale. Toutefois, le capteur 100 peut être utilisé pour réaliser une détection de motifs thermiques autres que des empreintes digitales, du fait que chaque pixel 102 du capteur 100 lit la capacité calorifique placée au-dessus de lui et cela quelle que soit la nature du motif thermique.
De plus, le capteur 100 peut également servir à la réalisation d'un imageur infrarouge non refroidi. Les pixels 102 du capteur 100, par exemple tels que décrits précédemment en liaison avec les figures 2 et 3, sont dans ce cas intégrés sur un circuit intégré de type CCD ou CMOS collectant les charges électriques générées par le capteur 100. Un tel imageur comporte en outre une lentille infrarouge filtrant la lumière arrivant sur le capteur 100. Afin que le capteur 100 puisse être soumis à une différence de températures (nécessaire compte tenu de la mesure réalisée par les capacités pyroélectriques), l'imageur comporte un dispositif permettant successivement de bloquer la lumière infrarouge arrivant sur le capteur 100 puis de laisser passer cette lumière. Un tel dispositif peut correspondre à un « chopper», c'est-à-dire une roue munie d'un trou et tournant devant le capteur 100. Un élément absorbeur peut être ajouté sur le matériau pyroélectrique afin d'améliorer l'absorption du rayonnement infrarouge reçu, notamment lorsque le matériau pyroélectrique est du PVDF qui n'est pas bon conducteur de chaleur.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Capteur (100) de motif thermique comportant plusieurs pixels (102) disposés sur une face avant (112) d'un substrat (104), chaque pixel (102) comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion de matériau pyroélectrique (106) disposée entre deux électrodes électriquement conductrices (108, 110) et telle que les électrodes électriquement conductrices (108, 110) soient disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant (112) du substrat (104), comportant en outre au moins un élément chauffant (118) isolé électriquement des électrodes électriquement conductrices (108,110) et disposé en regard d'au moins une partie de la portion de matériau pyroélectrique (106) tel que la portion de matériau pyroélectrique (106) soit disposée entre l'élément chauffant (118) et le substrat (104).
- 2. Capteur (100) selon la revendication 1, dans lequel l'espacement « e » entre les électrodes électriquement conductrices (108,110) de chaque pixel (102) est inférieur ou égal à environ 2 pm.
- 3. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau pyroélectrique comporte du PVDF et/ou du P(VDF-TrFe) et/ou du P(VDF-TrFE-CFE) et/ou du P(VDF-TrFE-CTFE) et/ou de l'AIN.
- 4. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les électrodes électriquement conductrices (108,110) de chaque pixel (102) forment des peignes interdigités.
- 5. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacune des électrodes électriquement conductrices (108, 110) a une épaisseur supérieure ou égale à environ 100 nm.
- 6. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, dans chaque pixel (102), une couche de matériau pyroélectrique (114) recouvrant la portion de matériau pyroélectrique (106) et les électrodes électriquement conductrices (108, 110) telle que la portion de matériau pyroélectrique (106) et les électrodes électriquement conductrices (108, 110) soient disposées entre la couche de matériau pyroélectrique (114) et le substrat (104).
- 7. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'une des électrodes électriquement conductrices (108, 110) de chaque pixel (102) est reliée électriquement à un potentiel électrique fixe.
- 8. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le capteur (100) est apte à mesurer le motif thermique d'un élément par conduction lors d'un contact entre le capteur (100) et cet élément.
- 9. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément chauffant (118) comporte au moins une portion continue de matériau électriquement conducteur s'étendant en regard de portions de matériau pyroélectrique (106) de plusieurs pixels (102).
- 10. Capteur (100) selon la revendication 9, dans lequel la portion continue de matériau électriquement conducteur est disposée en regard de toute la surface des portions de matériau pyroélectrique (106) desdits plusieurs pixels (102).
- 11. Capteur (100) selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel les pixels (102) sont disposés sur le substrat (104) en formant une matrice de plusieurs lignes et plusieurs colonnes, et dans lequel le capteur (100) comporte plusieurs éléments chauffants (118) chacun associé à une des lignes de pixels (102).
- 12. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le capteur comporte la couche de matériau pyroélectrique (114) recouvrant la portion de matériau pyroélectrique (106) et les électrodes électriquement conductrices (108, 110), la couche de matériau pyroélectrique (114) est disposée, au niveau de chaque pixel (102), entre l'élément chauffant (118) et la portion de matériau pyroélectrique (106) et entre l'élément chauffant (118) et les électrodes électriquement conductrices (108,110).
- 13. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le capteur (100) est un capteur d'empreinte digitale.
- 14. Procédé de réalisation d'un capteur (100) de motif thermique, comportant : - la réalisation de plusieurs pixels (102) sur une face avant (112) d'un substrat (104), chaque pixel (102) comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion de matériau pyroélectrique (106) disposée entre deux électrodes électriquement conductrices (108, 110) et telle que les électrodes électriquement conductrices (108,110) soient disposées dans un même plan sensiblement parallèle à la face avant (112) du substrat (104) ; - la réalisation d'au moins un élément chauffant (118) isolé électriquement des électrodes électriquement conductrices (108,110) et disposé en regard d'au moins une partie de la portion de matériau pyroélectrique (106) tel que la portion de matériau pyroélectrique (106) soit disposée entre l'élément chauffant (118) et le substrat (104).
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