FR3053116A1

FR3053116A1 - Capteur et ecran tactile a compensation environnementale, notamment en temperature

Info

Publication number: FR3053116A1
Application number: FR1770047A
Authority: FR
Inventors: Fabrice Severac; Nicolas Dufour
Original assignee: Nanomade Concept SAS
Current assignee: Nanomade Concept SAS
Priority date: 2017-01-14
Filing date: 2017-01-14
Publication date: 2017-12-29
Anticipated expiration: 2037-01-14
Also published as: US20210239546A1; WO2018130672A1; JP2021509481A; FR3053116B1; US11366029B2; CN111819427A; EP3775817A1

Abstract

L'invention concerne un capteur de pression ou de force compensé, notamment en température, caractérisé en ce qu'il comprend : a. un substrat (401) ; b. sur une face dudit substrat, une première assemblée de nanoparticules multicouche (200) comprise entre deux électrodes ; c. sur la même face du substrat, et à proximité de la première assemblée, une deuxième assemblée de nanoparticules monocouche (100), comprise entre deux électrodes ; d. un circuit électronique apte à mesurer la variation d'une propriété électrique de la première et de la deuxième assemblées de nanoparticules et à combiner ces mesures. L'invention concerne également un écran tactile mettant en oeuvre un tel capteur.

Description

L’invention concerne un capteur de force et un écran tactile comprenant une compensation de sensibilité à l’environnement, notamment à la température. L’invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, destinée aux objet communiquant comprenant un écran muni d’une interface tactile, tel qu’un téléphone intelligent, une tablette PC, un microordinateur ou une montre tatcile. L’interaction d’un utilisateur avec un tel objet est réalisée par l’intermédiaire dudit écran tactile, soit directement entre le doigt de l’utilisateur et ledit écran ou encore par l’intermédiaire d’un stylet. À cette fin, selon l’art antérieur, des capteurs transparents sont liés à l’écran, lesquels capteurs permettent de détecter un contact et la position de ce contact sur la surface de l’écran, et selon des variantes plus avancées, de mesurer également la pression de contact ou l’intensité de la force de contact appliquée. Ces capteurs sont par exemple des films transparents aux propriétés piezo-électriques ou piezo-résistives. Avantageusement, lesdits films sont remplacés par des capteurs mettant en oeuvre des nanoparticules et présentant une plus grande sensibilité.

Le document EP2601491 décrit un exemple de réalisation d’un capteur mettant en oeuvre des nanoparticules et son procédé de fabrication.

Le document EP2877911 décrit un exemple de réalisation d’une surface tactile transparente mettant en oeuvre un tel capteur.

Les capteurs de ces exemples de réalisation produisent une variation d’une propriété électrique de l’assemblée de nanoparticules constituant chaque capteur élémentaire, sous l’effet d’une micro-déformation appliquée à ladite assemblée de nanoparticules, micro-déformation consécutive à la force ou la pression appliquée sur le capteur ou sur le substrat le supportant, et qui a pour effet de modifier la distance entre les nanoparticules constituant l’assemblée. À titre d’exemples non limitatifs, les propriétés électriques mesurées et sensibles à la distance entres les nanoparticules sont la résistivité ou la capacité électriques de ladite assemblée.

Cependant, ces propriétés électriques sont également influencées par des facteurs environnementaux et notamment par la température, de sorte que pour réaliser une mesure de la pression appliquée sur un capteur élémentaire qui soit indépendante des conditions d’utilisation de l’appareil mettant en oeuvre un tel écran tactile, une compensation de l’influence de ces facteurs environnementaux, et notamment de la température, doit être réalisée.

Le document WO 2015/106183 décrit un exemple de réalisation d’un capteur tactile transparent mettant en oeuvre une telle compensation de température.

Selon les enseignements de ce document, le capteur élémentaire comprend deux couches de mesure, sensibles à l’effort, placées de part et d’autre d’un substrat transparent. Ainsi lorsqu’une pression, sensiblement perpendiculaire au substrat est appliquée sur ledit capteur, la couche sensible supérieure est sollicitée en compression et produit une variation de propriété électrique en conséquence, alors que la couche sensible inférieure, sur l’autre face du substrat, est sollicitée en tension et produit une variation opposée de la propriété électrique mesurée. En revanche, une variation de la température à laquelle est exposée un tel capteur, produit la même variation de la propriété électrique mesurée sur chacune des couches. Ainsi, selon le principe de la double pesée, il est possible de mesurer la variation de propriété électrique consécutive à la force appliquée, en éliminant l’influence de la température, par la combinaison des mesures issues des deux couches. Toutefois, cet exemple de réalisation est complexe de mise en oeuvre du fait de la nécessité d’imprimer une couche sensible sur les deux faces du substrat. L’invention vise à résoudre les inconvénients de l’art antérieur et concerne à cette fin un capteur de pression ou de force compensé, notamment en température, et comprenant : a. un substrat ; b. sur une face dudit substrat, une première assemblée de nanoparticules multicouche comprise entre deux électrodes ; c. sur la même face du substrat, et à proximité de la première assemblée, une deuxième assemblée de nanoparticules monocouche, comprise entre deux électrodes; d. un circuit électronique apte à mesurer la variation d’une propriété électrique de la première et de la deuxième assemblées de nanoparticules et à combiner ces mesures.

Ainsi, le capteur objet de l’invention utilise la différence de réponse entre une assemblée multicouche et une assemblée monocouche pour compenser l’effet du facteur environnemental, notamment la température, tout en conservant une configuration coplanaire, sur une même face du substrat, des deux assemblées. L’invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon tout combinaison techniquement opérante.

Selon un exemple de réalisation, le circuit électronique mesure la variation de résistance des deux assemblées et comprend deux résistances témoins, de valeurs fixes, les deux assemblées de nanoparticules et les résistances témoins étant connectées selon un demi-pont de Wheastone. Ce mode de réalisation est le plus compact, les résistances témoins étant placées dans le circuit de mesure, avantageusement à distance des assemblées de nanoparticules. Le montage selon un pont de Wheastone permet en outre d’améliorer la linéarité et la sensibilité du capteur en regard des solutions de l’art antérieur utilisant un capteur d’effort élémentaire unique.

Selon un autre mode de réalisation, le capteur objet de l’invention, comprend : e. à proximité des deux assemblées de nanoparticules, une seconde assemblée de nanoparticules multicouches comprise entre deux électrodes ; f. à proximité des trois assemblées de nanoparticules, une seconde assemblée de nanoparticules monocouche ; les 4 assemblées de nanoparticules étant connectées selon un pont de Wheastone complet.

En plus de la compensation en température, ce mode de réalisation permet de mesurer ou de compenser d’autres effets de déformation du capteur élémentaire, par exemple des déformations en torsion du substrat.

Selon des variantes de réalisation de ce dernier mode de mise en oeuvre : - les 4 assemblées de nanoparticules sont liées à la même face du substrat, ou, - les secondes assemblées de nanoparticules sont liées à la face opposée du substrat en regard de la première et de la deuxième assemblées de nanoparticules. L’invention concerne également un écran tactile comprenant une pluralité de capteurs selon l’invention, dans lesquels la première assemblée de nanoparticules est juxtaposée à la deuxième assemblée de nanoparticules. Un tel écran tactile permet de mesurer la localisation d’un contact sur la surface de l’écran ainsi que la force appliquée en ce point de contact, de manière compensée vis-à-vis de facteurs environnementaux influençant la sortie délivrée par chaque capteur élémentaire. L’invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 8, dans lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique et selon une vue en coupe un exemple de réalisation d’un capteur de déformation monocouche mettant en oeuvre une assemblée de nanoparticules, figure 1A sans sollicitation, figure 1B sous une sollicitation mécanique ; - la figure 2 représente de manière schématique et selon une vue en coupe un exemple de réalisation d’un capteur de déformation multicouche mettant en oeuvre une assemblée de nanoparticules, figure 2A sans sollicitation, figure 2B sous une sollicitation mécanique ; - sur les figures 1B et 2B la couche de passivation du capteur n’a pas été représentée pour faciliter la lecture ; - la figure 3 montre un exemple d’évolution des résistances nominales d’un capteur monocouche et d’un capteur multicouche élémentaires lorsqu’ils sont soumis à une variation de température ; - la figure 4 représente selon une vue en coupe, un exemple de réalisation d’un capteur compensé en température selon l’invention, mettant en oeuvre un capteur élémentaire multicouche et un capteur élémentaire monocouche montés en demi-pont de Wheastone ; - la figure 5 est un exemple d’évolution de la résistance nominale d’un capteur selon l’invention, lorsque celui-ci est soumis à une variation de température ; - la figure 6 est un exemple de réalisation, selon une vue en coupe, d’un capteur selon l’invention mettant en oeuvre deux capteurs élémentaires monocouche et deux capteurs élémentaires multicouche, liés à deux faces opposées d’un substrat et montés en pont de Wheastone complet ; - la figure 7 montre un exemple de réalisation schématique en vue de face, d’un écran tactile mettant en oeuvre un réseau de capteur compensé en demi pont selon l’invention ; - et la figure 8 représente schématiquement, en vue de face, un exemple de réalisation d’un écran tactile mettant en oeuvre une série de capteurs organisés chacun en pont de Wheastone complet.

Figure 1A selon un exemple de réalisation, un capteur élémentaire monocouche (100) de déformation, comprend un substrat (101) auquel est lié une assemblée de nanoparticules (110) conductrices ou semiconductrices en suspension colloïdale dans un ligand électriquement isolant. À titre d’exemple non limitatif, pour la réalisation d’un capteur transparent ou translucide, lesdites nanoparticules (110) sont des particules d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ln203- Sn02), ou ITO et le ligand est un acide (aminométhyl)phosphonique. Ladite assemblée est comprise entre et liée électriquement à des électrodes (121, 122), lesquelles électrodes sont par exemple constituées d’ITO. Ainsi, selon cet exemple de réalisation, les électrodes et l’assemblée de nanoparticules sont transparentes. L’ensemble électrodes (121,122) et assemblée de nanoparticules sont liées au substrat (101) lui-même transparent, par exemple constitué de poly(téréphtalate) d'éthylène, ou PET, afin de constituer une surface tactile souple, ou encore de dioxyde de silicium (Si02), afin de constituer une surface tactile rigide. Selon un autre exemple de réalisation, le substrat souple est collé sur un support rigide. Selon un exemple de réalisation, une couche de passivation (130) est déposée sur l’assemblée de nanoparticules. Cette couche transparente, de nature organique ou céramique, protège l’assemblée de nanoparticules et le dispositif mettant en oeuvre cette assemblée de nanoparticules des agressions extérieures. Ladite couche (130) de passivation est dimensionnée selon la matière la constituant, de sorte qu’elle permette la transmission des contraintes mécaniques à l’assemblée de nanoparticules. À titre d’exemples non limitatifs, la couche de passivation est constituée d’un polyimide, de dioxyde de silicium (Si02) ou de nitrure de silicium (Si3N4). Les nanoparticules (110) sont déposées sur le substrat par toute méthode connue de l’art antérieur, notamment par la méthode du dépôt capillaire convectif ou par la méthode d’évaporation de la goutte, telles que décrites dans le document EP2877911. La couche de nanoparticules (110) est fermement liée au substrat (101), par exemple par l’intermédiaire d’un coupleur chimique. À titre d’exemple, le coupleur chimique est un silane (SiH4), apte à interagir avec des groupements OH de la surface du substrat préalablement activée par un traitement UV-Ozone et comportant à l’autre extrémité du coupleur un groupement carboxylique (COOH) apte à se greffer sur un groupe amine (NH2) préalablement greffé à la surface des nanoparticules. L’assemblée de nanoparticules constitue une jauge de déformation, dont la résistance varient en fonction de la distance relative entre les nanoparticules de l’assemblée. Cette variation de conductivité est attribuée à la conduction par effet tunnel entre les nanoparticules, et cet effet fournit un facteur de jauge très élevé, beaucoup plus élevé que ce qu’il est possible d’obtenir avec un film piezo-résistif, ce qui permet de mesurer de très faibles déformations. À titre d’exemple, la variation proportionnelle de la résistance d’une tel capteur élémentaire constitué d’une assemblée de nanoparticules d’ITO dans un ligand à base d’acide phosphonique, fait apparaître une évolution exponentielle de la réponse en fonction de la déformation subie par ledit capteur élémentaire (100), avec un facteur de jauge atteignant la valeur de 85 sur une plage de déformation de -1 %, en compression, à +1 % en traction pour une résistance de l’ordre de 2000.103 Ohm en l’absence de déformation.

Figure 1B, selon un exemple de mise en oeuvre, lorsqu’une action mécanique (190) est appliquée au substrat, la couche de nanoparticules est en tension et la distance (150) relative entre les nanoparticules de l’assembée augmente, provoquant une augmentation de la résistivité de ladite assemblée et de la résistance du capteur élémentaire monocouche (100).

Figure 2A, selon un exemple de réalisation, un capteur de déformation muticouche (200) comprend un substrat (201), auquel sont liées une assemblée constituée de plusieurs couches de nanoparticules en suspension colloïdale dans un ligand, et des électrodes (221, 222). Le capteur comprend avantageusement une couche de passivation (230). La nature des nanoparticules, du ligand, du substrat, des électrodes et de la couche de passivation sont les mêmes que pour le capteur monocouche, de même que les techniques de fabrication, l’aspect monocouche ou multicouche du capteur étant obtenu lors de la fabrication, par exemple lors de la mise en oeuvre du dépôt capillaire convectif ou par la quantité de nanoparticules contenues dans la goutte évaporée, selon les modes de fabrication tels que décrits dans le document EP2877911. La première couche de nanoparticules et fermement liée au substrat (201 ), par exemple, par l’intermédiaire d’un coupleur chimique alors que les couches suivantes sont liées entre elles par le ligand dans la suspension colloïdale. Le facteur de jauge d’un tel capteur est du même ordre de grandeur que celui d’un capteur monocouche

Figure 2B, lors de l’application d’une action mécanique (190) au capteur multicouche (200), l’assemblée de nanoparticules est mise en tension, ce qui provoque une augmentation de la distance relative (251) entre les nanoparticules selon une direction sensiblement tangente au substrat (201), mais également, par un effet de striction, une réduction de la distance (252) entre les couches selon une direction sensiblement perpendiculaire au substrat. En pratique, l’effet de la striction est prédominant et la résistivité de l’assemblée, ainsi que la résistance du capteur, décroissent avec l’intensité de la force (190) appliquée.

Figure 3, lorsque l’un ou l’autre des capteurs élémentaires présentés ci-avant est soumis à une variation de température, la résistance nominale du capteur considéré est modifiée. Ainsi, en soumettant chacun des capteurs élémentaires à un cycle (305) de température (303), dans un four, et sans appliquer de sollicitation au capteur, les variations proportionnelles des résistances nominales (302), du capteur monocouche (311) et du capteur multicouche (312) en fonction du temps sont similaires.

En résumé, la réponse en termes de variation de résistance du capteur multicouche, est opposée à celle du capteur monocouche lorsque les deux capteurs sont soumis à une même sollicitation mécanique, alors que la modification de la résistance nominale des deux capteurs, lorsqu’ils sont soumis à une variation de température, ou d’un autre facteur environnemental d’influence sont similaires.

Figure 4, ces propriétés sont avantageusement utilisées pour réaliser un capteur (400), compensé des effets environnementaux, notamment de la température, et comportant sur la même face d’un même substrat (401) un capteur monocouche (100) et un capteur multicouche (200) contiguës. Selon cet exemple de réalisation, les deux capteurs (100, 200) sont connectés par un circuit électronique, selon une configuration en demi-pont de Wheastone, comprenant 2 résistances témoins (411, 412) de valeur fixe, une source (450) d’alimentation en courant continu, par exemple +5 Volts, et un dispositif de mesure (490) de type voltmètre pour mesurer la différence de potentiel entre les deux branches du demi-pont. La technique de mesure d’une déformation au moyen d’un pont de Wheastone est connue de l’art antérieur et n’est pas exposée plus avant. Selon cet exemple de montage en demi-pont, les résistances témoins (411, 412) sont intégrées dans le circuit électronique, à distance des capteurs (100, 200).

Figure 5, en utilisant le capteur compensé en température et monté en demi-pont comme le représente la figure 4, l’évolution (510) proportionnelle dans le temps (501 ) de la résistance nominale (502) lorsque le capteur est soumis à un cycle (505) de température (503) reste inférieure à 0,2 % sur une plage allant de 10°C à 50°C, ce qui montre la réalité de la compensation en température ainsi obtenue. Le capteur est ici soumis à une variation de température au moyen d’un pistolet thermique alors qu’il n’est pas sollicité mécaniquement.

Figure 6, un montage en pont de Wheastone complet est obtenu en remplaçant les résistances témoins du montage figure 4, par des capteurs élémentaires (100', 200') respectivement monocouche et multicouche liés au même substrat (601) que les capteurs (100, 200) utilisés pour le montage en demi-pont présenté précédemment, et à proximité de ceux-ci. Selon l’exemple de réalisation représenté sur cette figure, les deux autres capteurs élémentaires (100', 200') sont liés à la face opposée du substrat (601) en vis-à-vis des capteurs (100, 200) du premier demi-pont.

Figure 7, selon un premier exemple de réalisation un écran tactile (700), sensible à l’intensité de la force appliquée, est obtenu en associant deux à deux, par exemple selon une organisation matricielle, une série de couples de capteurs élémentaires monocouche (100) et de capteurs élémentaires multicouche (200).

Figure 8, selon un autre exemple de réalisation, l’écran tactile (800) met en oeuvre une série de capteurs compensés mettant en oeuvre deux capteurs élémentaires monocouche (100, 100') et deux capteurs élémentaires multicouche (200, 200'), tous liés à la même face du substrat et montés en pont complet. L’utilisation d’un pont complet, permet notamment d’améliorer encore la linéarisation de la réponse, et d’augmenter la sensibilité du capteur en regard du montage en demi-pont.

La description ci-avant et les exemples de réalisation, montrent que l’invention atteint le but visé, plus particulièrement, elle permet d’obtenir un écran tactile apte à mesurer l’intensité et la localisation d’un contact sur ledit écran, avec une compensation, de l’influence des facteurs environnementaux non contrôlés, notamment la température, tout en limitant la fonctionnalisation à une seule face de la surface fonctionnalisée. L’utilisation de capteurs élémentaires utilisant des assemblées de nanoparticules en suspension colloïdales dans un ligand, permet en outre d’obtenir des facteurs de jauge élevés et une sensibilité importante de la mesure comparativement aux films piezo-résistifs utilisés pour les applications de l’art antérieur. Les mêmes principes permettent de compenser les effets d’autres facteurs environnementaux sur la résistance nominale des capteurs élémentaires, tels que la lumière, l’exposition au rayonnement UV, l’humidité, ou d’autres facteurs ayant un effet semblable sur lesdits capteurs. L’application de l’invention n’est pas limitée aux écrans tactiles et aux capteurs transparents. À titre d’exemple le même principe est utilisable pour la réalisation d’une surface tactile non transparente, par exemple sur le dos ou les côtés d’un téléphone ou d’une tablette PC, sur le bracelet d’une montre tactile, sur l’alèse d’un lit ou encore sur un revêtement de sol. La forte sensibilité des capteurs selon l’invention permet notamment de mesurer un rythme cardiaque ou respiratoire, où dans le cas d’une utilisation sur un revêtement de sol, de détecter un passage ou une chute.

Claims

REVENDICATIONS

1. Capteur (400) de pression ou de force compensé notamment en température caractérisé en ce qu’il comprend : a. un substrat (401) ; b. sur une face dudit substrat, une première assemblée de nanoparticules multicouche (200) comprise entre deux électrodes (221, 222) ; c. sur la même face du substrat (401), et à proximité de la première assemblée, une deuxième assemblée de nanoparticules monocouche (100), comprise entre deux électrodes (121, 122) ; d. un circuit électronique apte à mesurer la variation d’une propriété électrique de la première et de la deuxième assemblées de nanoparticules et à combiner ces mesures.
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit électronique mesure la variation de résistance des deux assemblées et comprend deux résistances témoins (411, 412), de valeurs fixes, et dans lequel les deux assemblées de nanoparticules et les résistances témoins sont connectées selon un montage dit en demi-pont de Wheastone.
3. Capteur selon la revendication 1, comprenant : e. à proximité des deux assemblées de nanoparticules, une seconde assemblée de nanoparticules multicouches (200') comprise entre deux électrodes ; f. à proximité des trois assemblées de nanoparticules, une seconde assemblée de nanoparticules monocouche (100') ; dans lequel les 4 assemblées de nanoparticules sont connectées selon un montage en pont de Wheastone complet.
4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel les 4 assemblées (100, 200, 100', 200') de nanoparticules sont liées à la même face du substrat (401).
5. Capteur selon la revendication 3, dans lequel les secondes assemblées de nanoparticules (100', 200') sont liées à la face opposée du substrat en regard de la première et de la deuxième assemblées (100, 200) de nanoparticules.
6. Ecran tactile (700, 800) comprenant une pluralité de capteurs (100, 200, 100', 200') selon l’une des revendications précédentes, dans lesquels la première assemblée multicouche (200) de nanoparticules est juxtaposée à la deuxième assemblée monocouche (100) de nanoparticules.