FR3055412A1 - Capteur de motifs thermiques par imagerie infrarouge d'une matrice d'elements chauffants. - Google Patents

Capteur de motifs thermiques par imagerie infrarouge d'une matrice d'elements chauffants. Download PDF

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    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1306—Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing

Abstract

L'invention concerne un capteur de motifs thermiques (100) d'un objet (200), en particulier un capteur d'empreinte papillaire, comprenant : - une surface de contact (150) pour y appliquer l'objet (200), en particulier l'empreinte papillaire ; - une matrice (110) d'éléments chauffants (110), située entre un substrat (120) transparent à l'infrarouge et la surface de contact (150), et configurée pour échanger de la chaleur avec l'objet (200) ; et - un capteur optique matriciel (160) sensible au rayonnement infrarouge, agencé pour recevoir un flux infrarouge (300) émis par la matrice (110) d'éléments chauffants. Un tel capteur de motifs thermiques permet d'offrir à la fois une grande résolution, une grande surface de détection, et un coût de production réduit.

Description

DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne le domaine des capteurs de motifs thermiques, pour imager les motifs thermiques d'un objet.
De tels capteurs mesurent notamment une répartition en deux dimensions de la température, masse thermique, capacité thermique et/ou conductivité thermique, d'un objet avec lequel ils sont en contact physique direct.
Un tel capteur permet notamment d'imager une empreinte liée aux plis particuliers de la peau, en particulier une empreinte digitale, mais également une empreinte palmaire, plantaire, ou phalangeaire. Ces diverses empreintes sont désignées ensemble sous le terme d'empreintes papillaires.
Un tel capteur d'empreinte papillaire utilise une différence d'impact thermique, sur une surface de contact, entre des régions en contact physique direct avec le doigt, au niveau des crêtes de l'empreinte, et des régions hors contact physique direct avec le doigt, au niveau des vallées de l'empreinte.
L'obtention d'une image d'une empreinte papillaire à l'aide d'un capteur de type thermique, présente des avantages vis-à-vis des capteurs utilisant des imageurs visibles classiquement employés, notamment celui d'être moins sensible au taux d'hydratation de la peau (problème de détection des doigts secs).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît dans l'art antérieur différents types de capteurs thermiques, par exemple des capteurs d'empreinte digitale exploitant les propriétés pyroélectriques d'un matériau.
Un tel capteur d'empreinte digitale est sensible à la variation dans le temps de la température de la couche de matériau pyroélectrique. Le détecteur produit donc un signal qui dépend de la variation dans le temps du signal infrarouge absorbé. En d'autres termes, il n'y a pas de signal si la scène infrarouge est statique.
On rappelle que le coefficient pyroélectrique du matériau est donné par :
p(O , Q fdQ\ ïL=is=±ï!L=iksd= 1 'p dT dT S dT S (dT\ S (çTT\ \dt) \dt) (D où P est la polarisation électrique du matériau, T est sa température, S est la surface du capteur, Q est la charge électrique induite sur les faces du capteur perpendiculaires à l'axe de polarisation, t est le temps.
Le courant pyroélectrique I résultant d'une élévation de la température au cours du temps est donné par :
/dT\ 2 (2)
Dans un tel capteur, le matériau pyroélectrique est classiquement pris en sandwich entre deux électrodes métalliques, l'électrode inférieure étant par exemple constituée d'une matrice d'électrodes élémentaires, pour former avec l'électrode supérieure une matrice de condensateurs.
La quantité de charges générées aux bornes de chaque condensateur dépend de la variation dans le temps de la température de la couche de matériau pyroélectrique. La matrice de condensateurs permet donc de réaliser une cartographie en deux dimensions de variation de la température de la couche de matériau pyroélectrique pour former une image d'une empreinte digitale.
Un inconvénient de cette technique est que le signal disparaît dès lors que l'objet analysé est statique et que la température se stabilise (typiquement quelques millisecondes).
La détection d'empreinte digitale par un capteur pyroélectrique nécessite donc que l'objet et le capteur soient en mouvement l'un par rapport à l'autre ou bien qu'il y ait une source de chaleur externe non statique qui permette de rompre l'équilibre thermique de l'ensemble objet/capteur.
Un tel capteur d'empreinte est commercialisé par la société ID3 Technologies sur la base d'une technologie développée par ATMEL®. Le capteur proposé est un capteur pyroélectrique linéaire (barrette de détecteurs) au-dessus duquel l'utilisateur doit faire glisser son doigt pour obtenir une image thermique de l'empreinte.
La résolution d'un tel capteur d'empreinte est liée au pas de pixel de la matrice de condensateurs.
Du fait des problèmes de diaphonie (cross-talk) thermique entre les pixels, et d'un manque de sensibilité lié à la réduction de la surface, il est particulièrement difficile d'atteindre un pas de pixel inférieur ou égal à 25,4 pm.
Par conséquent, un tel capteur ne permet pas d'obtenir une résolution suffisante pour imager les pores de sudation de la peau.
D'autre part, la réalisation de capteurs thermiques pyroélectriques de grand format (plusieurs dizaines de cm2) à faible coût nécessite l'utilisation de substrats TFT. L'utilisation de tels substrats limite aujourd'hui la réduction du pas pixel à des valeurs supérieures à 30pm du fait de la taille des transistors nécessaires pour créer l'électronique d'adressage et de lecture des pixels.
Un objectif de la présente invention est de proposer un capteur de motifs thermiques, en particulier un capteur d'empreinte papillaire, permettant d'obtenir une capture de l'empreinte thermique de faible résolution spatiale, en particulier une résolution spatiale inférieure ou égale à 25,4 pm.
Un autre but de la présente invention est de proposer un capteur de motifs thermiques, en particulier un capteur d'empreinte papillaire, pouvant présenter pour un coût raisonnable, à la fois une faible résolution, notamment un pas de pixel inférieur ou égal à 50,8 pm, et une grande surface de détection, par exemple de plusieurs dizaines de cm2.
Avantageusement, le capteur de motifs thermiques comprend un système optique, disposé entre le substrat et le capteur optique matriciel, associant à chaque élément chauffant, un pixel ou groupe de pixels respectif du capteur optique matriciel.
Chaque élément chauffant peut être constitué d'une résistance chauffante, reliée à une source d'alimentation en courant ou en tension, agencée pour fournir un courant de polarisation.
Selon une première variante, les résistances chauffantes sont montées toutes ensemble en série.
Selon une seconde variante, les résistances chauffantes sont agencées en plusieurs lignes indépendantes de résistances chauffantes, les résistances chauffantes d'une même ligne étant montées en série, et chaque ligne de résistances chauffante étant reliée aux moyens d'alimentation indépendamment des autres lignes de résistances chauffantes.
Le capteur de motifs thermiques peut en outre comprendre des moyens de synchronisation temporelle, configurés pour synchroniser une fréquence d'intégration des lignes de pixels du capteur optique matriciel, et une fréquence de balayage d'un chauffage ligne par ligne des éléments chauffants de la matrice d'éléments chauffants.
On pourra avantageusement prévoir une couche d'isolation thermique, disposée entre le substrat et la matrice d'éléments chauffants, et transparente dans l'infrarouge.
La couche d'isolation thermique peut être constituée d'une matrice de plots, un unique élément chauffant étant disposé au-dessus de chaque plot.
Le capteur de motifs thermiques peut en outre comprendre une couche dite de filtrage, adaptée à bloquer au moins 90% du flux infrarouge provenant de l'extérieur du capteur de motifs thermiques.
Ladite couche de filtrage s'étend avantageusement entre le substrat et la matrice d'éléments chauffants, et est configurée pour bloquer un rayonnement infrarouge ayant traversé la surface de contact, et pour échanger de la chaleur avec la matrice d'éléments chauffants.
En outre, une couche d'isolation électrique peut être prévue et s'étendre entre la couche de filtrage et la matrice d'éléments chauffants.
Selon une variante, la couche de filtrage peut également former une couche de protection et s'étendre au-dessus de la matrice d'éléments chauffants.
Dans ce cas, la couche de filtrage peut être constituée d'une matrice de plots (, un unique élément chauffant étant disposé au-dessus ou en-dessous de chaque plot.
L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un capteur de motifs thermiques tel que défini précédemment, dans lequel le chauffage des lignes de résistances chauffantes est réalisé ligne par ligne, et l'intégration des pixels du capteur optique matriciel est aussi réalisée ligne par ligne et synchronisée avec le chauffage ligne par ligne des lignes des résistances chauffantes.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint avec un capteur de motifs thermiques d'un objet, en particulier capteur d'empreinte papillaire, comprenant :
une surface de contact pour y appliquer l'objet, en particulier l'empreinte papillaire ;
une matrice d'éléments sensibles, située entre un substrat et la surface de contact, et configurée pour échanger de la chaleur avec l'objet ;
Selon l'invention :
la matrice d'éléments sensibles est une matrice d'éléments chauffants ; le substrat est transparent dans l'infrarouge ; et le capteur de motifs thermiques comprend en outre un capteur optique matriciel sensible au rayonnement infrarouge, agencé pour recevoir un flux infrarouge émis directement et/ou indirectement par la matrice d'éléments chauffants.
La résolution spatiale de la capture de l'empreinte thermique est ainsi décorrélée du pas pixel du capteur optique : elle est fonction du pas pixel de la matrice d'éléments chauffants. Il est donc possible à faible coût d'obtenir une résolution spatiale inférieure ou égale à 25,4 pm.
De la même façon, la surface de détection du capteur de motifs thermiques est décorrélée de la surface du capteur optique : elle est fonction de la surface de la matrice d'éléments chauffants, cette dernière pouvant présenter de grandes dimensions.
En particulier, la matrice d'éléments chauffants, et donc le capteur de motifs thermiques, peut présenter à faible coût, à la fois une faible résolution, notamment un pas de pixel inférieur ou égal à 50,8 pm, et une grande surface de détection, notamment une surface de détection de plusieurs dizaines de cm2.
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 illustre de façon schématique, selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un capteur de motifs thermiques selon l'invention ;
la figure 2 illustre le principe de détection mis en oeuvre dans le capteur de motifs thermiques selon l'invention ;
les figures 3A et 3B illustrent, selon une vue de dessus, deux variantes d'une matrice d'éléments chauffants selon l'invention ;
les figures 4A et 4B illustrent de façon schématique, selon une vue en coupe, deux variantes d'un deuxième mode de réalisation d'un capteur de motifs thermiques selon l'invention, comprenant une couche d'isolation thermique ; et les figures 5A à 5C illustrent de façon schématique, selon une vue en coupe, trois variantes d'un troisième mode de réalisation d'un capteur de motifs thermiques selon l'invention, comprenant une couche de filtrage pour bloquer des rayonnements dans l'infrarouge provenant de l'extérieur du capteur de motifs thermiques.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans tout le texte, le terme « infrarouge » se rapporte à des longueurs d'onde comprises entre 2 pm et 20 pm (infrarouge moyen), en particulier entre 7 pm et 14 pm (infrarouge dit « thermique »).
Dans la suite, on décrit plus particulièrement, mais de manière non limitative, un capteur de motifs thermiques selon l'invention, formant un capteur d'empreinte digitale.
La figure 1 illustre, selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un tel capteur d'empreinte digitale 100.
Le capteur d'empreinte digitale 100 comprend une matrice 110 d'éléments chauffants 111. Chaque élément chauffant 111 est constitué ici d'une simple résistance chauffante. Chaque résistance chauffante 111 est en métal, par exemple de l'aluminium, du cuivre, du tungstène, du titane, ou du nitrure de titane (TiN), voire, de façon moins préférée, de l'or, de l'argent, ou de l'étain.
Les résistances chauffantes 111 forment chacune un bon émetteur dans l'infrarouge, lorsqu'elles sont parcourues par un courant de polarisation.
La matrice 110 de résistances chauffantes s'étend ici directement entre un substrat 120, et une couche de protection, 130.
La couche de protection 130 est une couche dure, par exemple en quartz, en saphir ou en carbone amorphe dit DLC (Diamond-Like Carbon).
Si la couche de protection 130 est électriquement conductrice, on peut prévoir une couche d'isolation électrique, formant également un bon conducteur thermique, directement entre la couche de protection 130 et la matrice 110 de résistances chauffantes.
La couche de protection 130 présente avantageusement une épaisseur inférieure à 30 pm, et même inférieure à 20 pm, voire inférieure à 1 pm pour du DLC.
Elle offre une protection à l'égard des contacts répétés avec un objet dont les motifs thermiques sont mesurés, ici à l'égard des contacts répétés avec des tissus humains.
Une surface supérieure de la couche de protection 130, du côté opposé au substrat 120, forme une surface de contact 150, pour y appliquer l'objet à imager, ici un doigt 200. En fonctionnement, l'objet à imager se trouve en contact physique direct avec cette surface de contact.
Le substrat 120 est transparent dans l'infrarouge. En d'autres termes, il laisse passer une partie substantielle de l'énergie rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge, par exemple 80% ou plus.
Le substrat 120 est par exemple en silicium, ou en germanium, ou en sulfure de zinc (ZnS), ou en séléniure de zinc (ZnSe). Le substrat 120 peut même être constitué d'une couche mince de polyéthylène haute densité (PE-HD), d'épaisseur inférieure à 500 pm.
Lorsque le doigt 200 est appuyé contre la surface de contact 150, il échange de la chaleur avec la matrice 110 de résistances chauffantes 111, principalement par conduction. Ici, l'échange de chaleur se fait à travers la couche de protection 130, thermiquement conductrice.
La matrice 110 de résistances chauffantes est reliée à des moyens d'alimentation électrique, non représentés, permettant de faire circuler un courant de polarisation dans les résistances chauffantes 111. Au sein de chaque résistance chauffante 111, l'énergie électrique, apportée par le courant de polarisation, est convertie en énergie thermique par effet Joule.
Cette énergie thermique est transférée au doigt 200, avec une efficacité de transfert thermique qui varie selon que la résistance chauffante 111 se trouve sous une crête ou sous une vallée de l'empreinte digitale formée sur le doigt 200.
Par conséquent, l'élévation de température de la résistance chauffante varie, selon que celle-ci se trouve sous une crête ou sous une vallée de l'empreinte digitale.
La figure 2 illustre une impulsion d'un courant de polarisation, fourni à une résistance chauffante 111. Cette impulsion de courant est constituée d'un courant constant lo entre les instants ti et t2, et nul ailleurs. D'autres modes de polarisation sont également possibles, comme par exemple l'injection d'un courant variant dans le temps de manière sinusoïdale ou triangulaire.
On considère tout d'abord une résistance chauffante 111 située sous une crête de l'empreinte digitale. Les échanges thermiques entre le doigt 200 et la résistance chauffante 111 se font uniquement par conduction dans un solide, à travers la couche de protection 130 et la surface de contact 150.
L'efficacité du transfert de chaleur depuis la résistance chauffante 111 vers le doigt est donc élevée, de sorte que la température de la résistance chauffante 111 augmente faiblement entre les instants ti et t2 (variation de température ΔΤε).
On considère ensuite une résistance chauffante 111 située sous une vallée de l'empreinte digitale. Les échanges thermiques entre le doigt 200 et la résistance chauffante 111 se font par conduction dans un solide, entre la résistance chauffante 111 et la surface de contact 150, puis majoritairement par conduction dans la lame d'air au niveau de l'interstice formé par la vallée de l'empreinte.
L'efficacité du transfert de chaleur depuis la résistance chauffante 111 vers le doigt est donc moindre, de sorte que la température de la résistance chauffante 111 augmente fortement entre les instants ti et t2 (variation de température ΔΤν> ΔΤε).
Chaque résistance chauffante 111 forme un bon émetteur infrarouge lorsqu'elle s'échauffe. Elle émet alors un rayonnement électromagnétique infrarouge 300, notamment en direction du substrat 120. Ce rayonnement 300 traverse le substrat 120, ce dernier étant transparent dans l'infrarouge.
L'énergie du rayonnement infrarouge 300 émis par une résistance chauffante 111 est fonction de la température de cette dernière. La mesure de cette énergie fournit donc une information sur la température de la résistance chauffante 111, ce qui permet de déterminer si cette résistance chauffante se trouve sous une crête ou sous une vallée de l'empreinte.
Selon l'invention, le capteur d'empreinte digitale 100 comprend un capteur optique matriciel 160 sensible dans l'infrarouge (caméra thermique), disposé du côté du substrat opposé aux résistances chauffantes 111.
Le capteur optique matriciel comprend des moyens de lecture, pour former une image à partir des signaux électriques reçus par les pixels dudit capteur optique matriciel.
Ce capteur optique matriciel 160 reçoit le rayonnement infrarouge émis par chaque résistance chauffante 111, ce qui permet d'obtenir une image de l'empreinte digitale.
Du côté opposé aux résistances chauffantes 111, le substrat 120 peut être recouvert d'un traitement antireflet 125, efficace dans l'infrarouge, pour limiter la réflexion des rayons infrarouges sur la face de sortie du substrat 120.
La couche antireflet 125 est constituée d'un empilement de couches minces formé par une succession de couches choisies parmi les matériaux suivants : Ge, ZnS, ZnSe, carbone amorphe etc.
De préférence, la surface de détection du capteur optique matriciel 160 s'étend parallèle au plan de la matrice 110 de résistances chauffantes 111.
A chaque résistance chauffante 111 correspond un pixel ou groupe de pixels spécifique(s) du capteur optique matriciel 160.
De préférence, le capteur optique matriciel 160 comprend autant de pixels qu'il y a de résistances chauffantes 111 dans la matrice de résistances chauffantes, chaque pixel étant associé à une unique résistance chauffante 111.
De préférence, le capteur d'empreinte digitale 100 comprend également des moyens d'imagerie 165, disposés entre le substrat 120 et le capteur optique matriciel 160, et associant à chaque résistance chauffante 111, un pixel ou groupe de pixels respectif du capteur optique matriciel 160.
En d'autres termes, chaque résistance chauffante 111 est à l'origine d'un rayonnement infrarouge respectif émergeant du substrat 120, ce rayonnement étant concentré par les moyens d'imagerie 165 sur un pixel ou groupe de pixels respectif du capteur optique matriciel 160.
En particulier, les moyens d'imagerie 165 peuvent être agencés pour conjuguer optiquement deux à deux, une résistance chauffante 111 et un pixel ou groupe de pixels respectif du capteur optique matriciel 160.
Les moyens d'imagerie 165 sont constitués par exemple d'une simple lentille, ou d'un objectif, adapté(e) à l'imagerie infrarouge.
En résumé, la séquence d'étapes est la suivante : on pose le doigt sur la surface de contact 150.
on injecte un courant de polarisation dans la matrice 110 de résistances chauffantes. L'échauffement de chaque résistance 111 dépend de la puissance Joule dissipée dans celle-ci, et de la puissance transférée au doigt. La puissance transférée au doigt dépend de la présence d'une crête ou d'une vallée de l'empreinte digitale, au-dessus de cette résistance.
on acquiert une image avec le capteur optique matriciel 160 sensible à l'infrarouge. L'image est formée par les flux infrarouges respectifs générés par chaque résistance chauffante. Ce flux infrarouge est représentatif de la température de la résistance chauffante, et donc de la présence d'une crête ou d'une vallée au-dessus de celle-ci. Cette image est une image de l'empreinte digitale.
L'invention se propose donc d'utiliser, comme éléments sensibles, des éléments chauffants, réalisant des échanges thermiques avec l'empreinte digitale. Le paramètre pertinent pour la détection de l'empreinte est une mesure de l'émission infrarouge générée par chaque élément chauffant. On mesure directement un rayonnement infrarouge, et non des effets secondaires d'un tel rayonnement.
La caméra thermique permet notamment d'imager chaque élément chauffant, indépendamment des uns des autres.
Cette configuration, particulièrement simple, donne accès à de très grandes résolutions pour le capteur de motifs thermiques, en particulier des résolutions supérieures ou égales à 1000 dpi (pas de pixel de 25,4 pm), et même supérieures ou égales à 1200 dpi, permettant d'imager les pores de sudation de la peau.
Aucune électronique n'impose de limiter les capacités de miniaturisation d'un pixel de la matrice d'éléments sensibles.
En outre, un tel capteur de motifs thermiques ne met en oeuvre que des composants peu onéreux, donnant accès à de grandes surfaces de détection, même combinées à de hautes résolutions (plus de 500 dpi, et même plus de 1000 dpi, soit un pas de pixel inférieur à 50,8 pm, et même inférieur à 25,4 pm).
On remarque que si la matrice 110 d'éléments chauffants était remplacée par une simple plaque métallique pouvant échanger de la chaleur avec le doigt, il se produirait rapidement un équilibre thermique entre le doigt et cette plaque métallique, empêchant d'obtenir une image suffisamment contrastée de l'empreinte. La matrice 110 d'éléments chauffants permet d'éviter un tel équilibre thermique.
On remarque également que le capteur de motifs thermiques selon l'invention ne présente pas de source d'illumination dans l'infrarouge, qui viendrait éclairer l'objet à imager, en particulier une empreinte digitale. En effet, il ne s'agit pas ici de réaliser une image en réflexion de l'objet lui-même, mais une image thermique formée grâce à la matrice d'éléments chauffants.
On a illustré ici l'exemple d'un capteur d'empreinte digitale, exploitant la topographie de l'empreinte qui influence la température des éléments chauffants.
Dans le cas d'un capteur de motifs thermiques d'un objet plan, ce sont les températures locales de cet objet qui influencent la température des éléments chauffants, permettant de déterminer les motifs thermiques de l'objet.
La figure 3A illustre, selon une vue de dessus, un premier exemple d'une matrice 110 de résistances chauffantes 111.
Les résistances chauffantes 111 sont réparties en lignes et colonnes selon un maillage carré, sur une surface carré ou rectangulaire.
Le pas P du maillage carré vaut par exemple 50,8 pm, ou 25,4 pm.
A la figure 3A, toutes les résistances chauffantes 111 de la matrice 110 sont montées ensemble en série, et reliées à une même source d'alimentation 112, ici une source d'alimentation en tension permettant de générer un courant de polarisation.
Chaque résistance chauffante peut être constituée d'un simple filament métallique en forme de zigzag, espacé d'une résistance chauffante voisine par une portion droite de filament métallique.
La figure 3B illustre, selon une vue de dessus, un deuxième exemple d'une matrice 110' de résistances chauffantes 111'.
Les résistances chauffantes 111' sont ici montées en série, ligne par ligne.
Les différentes lignes 113' de résistances chauffantes 111' sont indépendantes les unes des autres. Chaque ligne de résistances chauffantes est reliée aux moyens d'alimentation électrique, indépendamment des autres lignes de résistances chauffantes.
Ainsi, l'alimentation électrique des résistances chauffantes 111' peut être réalisée ligne par ligne.
On a représenté en figure 3B une source d'alimentation 112', ici une source d'alimentation en tension permettant de générer un courant de polarisation.
La source d'alimentation 112' est reliée à des moyens de pilotage 114' configurés pour piloter l'injection du courant de polarisation dans chaque ligne 113' de résistances chauffantes, indépendamment des autres lignes 113'.
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux, puisqu'il est alors possible de synchroniser le chauffage ligne par ligne des éléments chauffants, et l'intégration ligne par ligne des lignes de pixels du capteur optique matriciel, (mode connu dans les imageurs infrarouge sous la dénomination « rolling shutter »)
Les moyens de pilotage 114' peuvent alors former des moyens de synchronisation, configurés pour caler une fréquence de balayage d'un chauffage ligne par ligne des éléments chauffants, sur une fréquence d'intégration des lignes de pixels du capteur optique matriciel. Ces deux fréquences sont alors égales, ou l'une est un multiple entier de l'autre.
Ainsi, toutes les lignes d'éléments chauffants ne sont pas chauffées simultanément. Chaque ligne d'éléments chauffants n'est alimentée par un courant ou une tension de polarisation, que durant l'intégration de l'au moins une ligne de pixels correspondante du capteur optique matriciel, recevant un flux infrarouge émis par cette ligne d'éléments chauffants.
On réduit ainsi la consommation énergétique du capteur de motifs thermiques selon l'invention.
Ce procédé est particulièrement avantageux lorsque les éléments chauffants et les pixels du capteur optique matriciel sont conjugués deux à deux.
En variante, chaque résistance chauffante est reliée électriquement à une source d'alimentation, indépendamment des autres résistances chauffantes. Ce mode de réalisation nécessite cependant d'intégrer les moyens d'adressage lignes et colonnes dans le substrat 120, et complexifie donc l'intégration technologique.
La figure 4A illustre un deuxième mode de réalisation d'un capteur de motifs thermiques selon l'invention.
Pour alléger la figure 4A, on n'a pas représenté le capteur optique matriciel ni les moyens d'imagerie.
Ce deuxième mode de réalisation ne sera décrit que pour ses différences relativement au premier mode de réalisation illustré en figure 1.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, la matrice 110 d'éléments chauffants 111 échange de la chaleur avec le substrat 120, par conduction. Le flux thermique n'est pas seulement vertical, mais également latéral, à l'intérieur du substrat 120. Cette diffusion latérale mélange donc les informations thermiques associées à chaque élément chauffant.
Afin de pallier cet inconvénient et ainsi améliorer la qualité de l'image de l'empreinte, on propose un second mode de réalisation, dans lequel une couche d'isolation thermique 170 est insérée entre le substrat 120 et la matrice 110 d'éléments chauffants 111. On limite ainsi des échanges de chaleur par conduction entre la matrice 110 d'éléments chauffants et le substrat 120.
La couche d'isolation thermique 170 s'étend ici en contact physique direct avec le substrat 120, et avec la matrice 110 d'éléments chauffants 111.
La couche d'isolation thermique 170 s'étend ici d'un seul tenant, avec une épaisseur constante, au-dessus du substrat 120.
La couche d'isolation thermique 170 est transparente dans l'infrarouge au sens défini plus haut. Elle est formée par exemple d'un verre, un oxyde, ou un polymère tel qu'un polyimide.
La figure 4B illustre une variante du mode de réalisation de la figure 4A.
Selon cette variante, la couche d'isolation thermique 170' est pixellisée. En d'autres termes, la couche d'isolation thermique 170' est structurée pour former des plots 17Γ, de sorte qu'une seule et unique résistance chauffante s'étende au-dessus de chaque plot 171'.
Ici, la couche d'isolation thermique est ouverte sur toute son épaisseur, pour former les plots 171'.
Selon une variante non représentée, les plots 171' sont formés par des tranchées non traversantes, creusées dans la couche d'isolation thermique.
Cette pixellisation de la couche d'isolation thermique 170' permet de limiter encore une diffusion thermique latérale dans les couches de matériau situées entre la matrice de résistances chauffantes et le capteur optique matriciel.
Deux résistances chauffantes 111 montées ensemble en série, s'étendant chacune sur un plot 171', sont reliées électriquement par un filament métallique 115 qui suit la topologie de la couche d'isolation thermique 170'.
Afin de faciliter la réalisation de ce filament métallique, il est avantageux que celui-ci ne présente pas de rupture de pente trop brutale.
Pour cela, les parois latérales respectives de chaque plot forment ensemble un angle saillant, par exemple inférieur ou égal à 90°. Chaque paroi latérale d'un plot est alors inclinée à 45° relativement à la paroi supérieure de ce plot et relativement à la face supérieure du substrat.
La figure 5A illustre un troisième mode de réalisation d'un capteur de motifs thermiques selon l'invention.
Pour alléger la figure 5A, on n'a pas représenté le capteur optique matriciel ni les moyens d'imagerie.
Ce troisième mode de réalisation ne sera décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation illustré en figure 4A.
On remarque sur la figure 4A que l'ensemble de l'empilement (la couche de protection 130, les résistances chauffantes 111, le cas échéant la couche d'isolation thermique 170, le substrat 120 et la couche anti-reflet 125) peut transmettre jusqu'au capteur optique matriciel un flux infrarouge qui n'est pas lié au contact de l'empreinte sur la surface de contact du capteur de motifs thermiques. Il s'agit par exemple d'un flux infrarouge émis par le doigt s'approchant de la surface de contact, avant tout contact physique direct.
Afin de pallier cet inconvénient, on propose un troisième mode de réalisation, présentant une couche de filtrage 180 pour bloquer un rayonnement infrarouge.
La couche de filtrage 180 est constituée de préférence d'un matériau formant un bon absorbeur infrarouge et donc un bon émetteur dans l'infrarouge.
Elle peut être constituée d'un métal ou d'un alliage, par exemple du titane ou du nitrure de titane, du tungstène, de l'aluminium ou du nickel/chrome, matériaux dont l'impédance est alors adaptée à celle du vide. Il peut également s'agir de matériau comme l'or noir ou le graphène.
Dans l'exemple représenté en figure 5A, la couche de filtrage 180 s'étend entre la matrice 110 de résistances chauffantes 111, et la couche d'isolation thermique 170 (optionnelle).
Pour éviter de court-circuiter électriquement les résistances chauffantes, une couche d'isolation électrique 190 est insérée entre les résistances chauffantes et la couche de filtrage 180.
Par conséquent, la couche de filtrage 180 s'étend ici en contact physique direct avec la couche d'isolation électrique 190, et avec la couche d'isolation thermique 170.
La couche d'isolation électrique 190 s'étend ici d'un seul tenant, au-dessus de la couche de filtrage 180.
La couche d'isolation électrique 190 forme également un bon conducteurthermique, permettant de transférer la chaleur par conduction depuis les résistances chauffantes 111 vers la couche de filtrage 180.
La couche de filtrage 180 est donc chauffée par les résistances chauffantes, par conduction, et émet alors un rayonnement infrarouge qui est reçu par le capteur optique matriciel.
En d'autres termes, le capteur optique matriciel reçoit alors un flux infrarouge émis directement par la couche de filtrage 180, et donc indirectement par les résistances chauffantes 111 ayant chauffé cette couche de filtrage.
Pour éviter une diffusion latérale de la chaleur à l'intérieur de la couche de filtrage 180, celle-ci est ouverte sur toute son épaisseur, pour former de fines tranchées séparant des plots 181 distincts les uns des autres, sans contact physique direct entre eux.
A chaque plot 181 correspond une résistance chauffante, située au-dessus de celuici.
La couche d'isolation électrique 190 s'étend également dans les tranchées, entre les plots 181.
La largeur des tranchées est de préférence inférieure au dixième de la longueur d'onde moyenne du rayonnement infrarouge, par exemple inférieure à 500 nm. La transmission du rayonnement infrarouge dépend alors du taux de remplissage de la couche de filtrage 180.
Selon ce mode de réalisation, les moyens d'imagerie sont agencés de préférence pour conjuguer optiquement deux à deux, un plot 180 de la couche de filtrage, et un pixel ou groupe de pixels respectif du capteur optique matriciel.
La figure 5B illustre une variante de ce troisième mode de réalisation, qui ne sera décrite que pour ses différences relativement au mode de réalisation illustré en figure 5A.
Ce mode de réalisation comprend ici une couche d'isolation thermique 170', optionnelle, constituée de plots 171' recevant chacun une résistance chauffante.
Chaque plot 181' de la couche de filtrage s'étend directement sur un plot 171' de la couche d'isolation thermique.
Ici, la couche d'isolation électrique 190' est également pixellisée, constituée de plots 191' distincts les uns des autres, sans contact physique direct entre eux.
Chaque plot 191' de la couche d'isolation électrique recouvre et entoure latéralement un plot 181' de la couche de filtrage. On évite ainsi de court-circuiter deux résistances chauffantes voisines, ce qui pourrait arriver si un filament électrique reliant deux résistances chauffantes se trouvait en contact avec les plots 181' situés en dessous, et si les plots 181' sont constitués d'un matériau conducteur électriquement.
Chaque plot 191' de la couche d'isolation électrique est donc en contact physique direct avec un plot 171' de la couche d'isolation thermique et le plot correspondant 181' de la couche de filtrage.
Une résistance chauffante respective 111 s'étend directement sur chaque plot 191' de la couche d'isolation électrique.
Ce mode de réalisation permet de s'affranchir de la diffusion thermique latérale à l'intérieur de la couche d'isolation électrique, afin que le flux infrarouge reçu par le capteur optique matriciel représente au mieux la répartition de températures dans la matrice d'éléments chauffants.
Afin de maximiser le filtrage par la couche de filtrage 180', l'espace entre deux plots voisins 181' de la couche de filtrage 180' est aussi faible que possible, inférieur à 500 nm lorsque c'est possible.
La figure 5C illustre une troisième variante, qui ne sera décrite que pour ses différences relativement au mode de réalisation illustré en figure 4B.
Selon ce mode de réalisation, la couche de filtrage 180'' s'étend au-dessus, et non plus en-dessous de la matrice 110 d'éléments chauffants.
La couche de filtrage 180'' forme alors également une couche de protection, et la surface de contact 150'' du capteur de motifs thermiques selon l'invention est formée par la face supérieure de la couche de filtrage 180'', du côté opposé au substrat 120.
La couche d'isolation électrique 190'' s'étend ici d'un seul tenant, entre la couche de filtrage 180'' et la matrice 110 d'éléments chauffants.
Ici, la couche d'isolation électrique 190'' est en contact physique direct, d'un côté avec la couche de filtrage 180'', et de l'autre côté avec les éléments chauffants et les plots 171' de la couche d'isolation thermique 170' (là où ils ne sont pas recouverts par les éléments chauffants, et si cette couche d'isolation thermique 170' existe).
La couche de filtrage 180'' et la couche d'isolation 190'' forment de bons conducteurs thermiques, permettant que la matrice d'éléments chauffants échange de la chaleur avec le doigt, lorsqu'il est en contact physique avec la surface de contact 150''.
Ici, la couche de filtrage 180'' est constituée de plots distincts 181'', s'étendant chacun au-dessus d'un unique élément chauffant. On évite ainsi une diffusion latérale de la chaleur à l'intérieur de la couche 180'', afin que le flux infrarouge reçu par le capteur optique matriciel représente au mieux la répartition de températures dans la matrice d'éléments chauffants.
Afin de maximiser le filtrage par la couche de filtrage 180'', l'espace entre deux plots voisins 181'' de la couche de filtrage 180'' est aussi faible que possible, par exemple inférieur à 500 nm.
Contrairement aux variantes des figures 5A et 5B, le capteur optique matriciel reçoit ici le flux infrarouge émis directement par les éléments chauffants.
Les différents modes de réalisations et variantes peuvent être combinés ensemble selon différentes combinaisons, sans sortir du cadre de l'invention.
Dans chaque mode de réalisation de la présente invention, la couche de protection peut être pixellisée, pour éviter ou limiter une diffusion latérale de la chaleur dans la couche de protection. La couche de protection présente alors des tranchées, qui s'enfoncent surtout ou partie de son épaisseur. Ces tranchées délimitent des plots associés chacun à un élément chauffant.
Le cas échéant, la topologie de la couche de protection suit la topologie de couches inférieures présentant des plots.
Selon une autre variante, le substrat peut être pixellisé pour former des plots, associés chacun à un unique élément chauffant. Les couches situées au-dessus du substrat peuvent alors suivre la topologie de ce dernier.
La fonction de filtrage du rayonnement infrarouge provenant de l'extérieur du capteur de motifs thermiques peut être réalisée par la matrice d'éléments chauffants ellemême. La forme de chaque élément chauffant est alors adaptée pour recouvrir une surface la plus grande possible d'un pixel de la matrice d'éléments chauffants. L'espacement entre chaque élément chauffant peut présenter une géométrie de dimension caractéristique inférieure à 500 nm, de sorte que la transmission du rayonnement infrarouge est sensible au taux de remplissage de la matrice d'éléments chauffants.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Capteur de motifs thermiques (100) d'un objet (200), en particulier capteur d'empreinte papillaire, comprenant :
    une surface de contact (150 ; 150'') poury appliquer l'objet (200), en particulier l'empreinte papillaire ;
    une matrice d'éléments sensibles (110 ; 110'), située entre un substrat (120) et la surface de contact (150 ; 150''), et configurée pour échanger de la chaleur avec l'objet (200) ;
    caractérisé en ce que :
    la matrice (110; 110') d'éléments sensibles est une matrice d'éléments chauffants (111 ; 111') ;
    le substrat (120) est transparent dans l'infrarouge ; et le capteur de motifs thermiques (100) comprend en outre un capteur optique matriciel (160) sensible au rayonnement infrarouge, agencé pour recevoir un flux infrarouge (300) émis directement et/ou indirectement par la matrice (110; 110') d'éléments chauffants.
  2. 2. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un système optique (165), disposé entre le substrat (120) et le capteur optique matriciel (160), associant à chaque élément chauffant (111; 11Γ), un pixel ou groupe de pixels respectif du capteur optique matriciel (160).
  3. 3. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque élément chauffant (111 ; 11Γ) est constitué d'une résistance chauffante, reliée à une source d'alimentation en courant ou en tension (112; 112') agencée pour fournir un courant de polarisation.
  4. 4. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les résistances chauffantes (111) sont montées toutes ensemble en série.
  5. 5. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les résistances chauffantes (11Γ) sont agencées en plusieurs lignes indépendantes (113') de résistances chauffantes, les résistances chauffantes d'une même ligne étant montées en série, et chaque ligne de résistances chauffante étant reliée aux moyens d'alimentation (112') indépendamment des autres lignes de résistances chauffantes.
  6. 6. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de synchronisation temporelle (114'), configurés pour synchroniser une fréquence d'intégration des lignes de pixels du capteur optique matriciel (160), et une fréquence de balayage d'un chauffage ligne par ligne des éléments chauffants (111') de la matrice (110') d'éléments chauffants.
  7. 7. Capteur de motifs thermiques (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche d'isolation thermique (170; 170'), disposée entre le substrat (120) et la matrice (110 ; 110') d'éléments chauffants, et transparente dans l'infrarouge.
  8. 8. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche d'isolation thermique (170') est constituée d'une matrice de plots (171'), un unique élément chauffant (111 ; 111') étant disposé au-dessus de chaque plot (171').
  9. 9. Capteur de motifs thermiques (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche dite de filtrage (180; 180' ; 180''), adaptée à bloquer au moins 90% du flux infrarouge provenant de l'extérieur du capteur de motifs thermiques (100).
  10. 10. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de filtrage (180; 180') s'étend entre le substrat (120) et la matrice (110; 110') d'éléments chauffants, et est configurée pour bloquer un rayonnement infrarouge ayant traversé la surface de contact (150), et pour échanger de la chaleur avec la matrice (110 ; 110') d'éléments chauffants.
  11. 11. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une couche d'isolation électrique (190 ; 190' ; 190'') s'étend entre la couche de filtrage (180 ; 180' ; 180'') et la matrice (110 ; 110') d'éléments chauffants.
  12. 12. Capteur de motifs thermiques (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de filtrage (180'') forme également une couche de protection, et s'étend audessus de la matrice (110 ; 110') d'éléments chauffants.
  13. 13. Capteur de motifs thermiques (100) selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la couche de filtrage (180 ; 180' ; 180'') est constituée d'une matrice de plots (181 ; 181' ; 181''), un unique élément chauffant (111 ; 111') étant disposé au-dessus ou en-dessous de chaque plot (181 ; 18Γ).
  14. 14. Procédé d'utilisation d'un capteur de motifs thermiques (100) selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que :
    le chauffage des lignes (113') de résistances chauffantes est réalisé ligne par ligne ;
    l'intégration des pixels du capteur optique matriciel (160) est réalisée ligne par ligne et synchronisée avec le chauffage ligne par ligne des lignes (113') des résistances chauffantes.
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