FR3093803A1 - Capteur de motif thermique dont la couche de protection surfacique presente une resistance aux rayures amelioree - Google Patents
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Abstract
Capteur (100) de motif thermique, tel qu’un capteur d’empreinte digital, comportant plusieurs pixels (102) disposés sur un substrat (104), chaque pixel (102) comprenant successivement :- une capacité pyroélectrique formée par une couche de matériau pyroélectrique (106) disposée entre une électrode inférieure (108) et une électrode supérieure (110),- une couche diélectrique (112),- un élément chauffant (114),- une couche de protection (116), comprenant une première couche (116a) en un premier matériau polymère, le capteur (100) comprenant, en outre, entre la couche diélectrique (112) et la couche de protection (116), une couche d’alcoxydes de silicium (401). Le capteur peut également comprendre une couche de composé thiol (402) entre l’élément chauffant (114) et la couche de protection (116). La couche de protection (116) peut également comprendre une couche de renfort (500), la dureté de la couche de renfort (500) étant supérieure à la dureté de la première couche (116a). Figure pour l’abrégé : figure 2.
Description
L’invention se rapporte à un capteur de motif thermique dont la couche de protection présente une bonne résistance aux rayures.
L’invention concerne également un procédé pour réaliser un tel capteur de motif thermique.
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. Au niveau des crêtes de l’empreinte, le doigt est en contact physique direct avec le capteur. Un transfert thermique entre la peau et la surface de contact du capteur s’effectue par conduction, ce qui conduit à une première variation temporelle de température. Au niveau des vallées de l’empreinte, le doigt n’est pas en contact physique direct avec le capteur, le transfert thermique s’effectue donc à travers l’air qui est plutôt un isolant thermique, ce qui conduit à une seconde variation temporelle de température, moins importante. La différence entre ces deux variations temporelles de température se traduit par une différence entre des signaux mesurés par les capacités pyroélectriques, selon qu’elles se trouvent sous une vallée ou sous une crête de l’empreinte. L’image de l’empreinte présente donc un contraste qui dépend de cette différence.
Cependant, ces capteurs ont pour inconvénient de réaliser une mesure qui dépend uniquement de la différence entre la température du doigt et la température du capteur. Ainsi, après quelques secondes à peine, la température du doigt et la température de la surface de contact du capteur s’homogénéisent, et il n’est plus possible d’obtenir un contraste satisfaisant.
Il peut également arriver que le niveau du signal obtenu soit nul lorsque le doigt et le capteur sont à la même température, ou encore 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).
Un autre type de capteur, de type actif, offre une solution à ce problème grâce à l’ajout d’éléments chauffants sous la surface de contact du capteur. Un tel capteur est décrit par exemple dans la demande de brevet EP 2 385 486 A1. Les éléments chauffants dissipent une certaine quantité de chaleur dans chaque pixel du capteur et l’échauffement des pixels est mesuré au bout d’un certain temps. La variation de température obtenue est donc importante au niveau des vallées de l’empreinte, où la chaleur est transférée au doigt à travers l’air, et plus faible au niveau des crêtes de l’empreinte, où la chaleur est transférée directement au doigt, par conduction. 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. Cela permet d’améliorer et de conserver au cours du temps, le contraste d’une image acquise à l’aide dudit capteur.
Les éléments décrits ci-dessus pour la détection d’empreinte digitale s’appliquent également à la détection d’un motif thermique autre qu’une empreinte digitale, l’élément dont le motif thermique à détecter étant disposé sur le capteur lors de la mesure.
Un capteur de motifs thermiques comporte des moyens de détection thermique qui peuvent être 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.
Plus particulièrement, un capteur de type pyroélectrique comporte une matrice de capacités pyroélectriques disposées sur un substrat, par exemple en verre. Chaque capacité pyroélectrique comporte une portion en matériau pyroélectrique, disposée entre une électrode inférieure et une électrode supérieure. Une électrode est portée à un potentiel constant, et forme une électrode de référence. L’autre électrode collecte des charges pyroélectriques, générées par le matériau pyroélectrique en réponse à une variation de température.
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’AlN, du BaTiO3ou encore du ZnO. D’autres matériaux pyroélectriques sont possibles, à savoir tous ceux qui produisent des charges électriques en fonction d’un paramètre pyroélectrique.
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. Cet élément chauffant est par exemple réalisé sous la forme d’un serpentin entourant partiellement les électrodes supérieures et permettant de chauffer latéralement les capacités pyroélectriques, au niveau des électrodes supérieures.
Chaque capacité pyroélectrique forme un transducteur qui traduit une variation temporelle de température en un signal électrique tel qu’une différence de potentiels électriques.
Lorsque le capteur doit être réalisé avec une surface importante ou avec un faible coût, le capteur est avantageusement réalisé en technologie dite imprimée, ou dépôt par impression, moins onéreuse que la lithographie sur semi-conducteur. Les différentes portions conductrices formant les éléments des pixels du capteur peuvent dans ce cas être réalisées avec des encres conductrices suffisamment stables pour ne pas nécessiter d’encapsulation très performante. La réalisation du capteur est envisageable par impression, par exemple sur des substrats plastiques simples tels que des films de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), de polyimide (PI), de poly(naphtalate d’éthylène) (PEN) ou de polycarbonate (PC).
Les capteurs obtenus par la technologie d’impression sont, généralement, formés d’un tel substrat sur lequel sont empilées les différentes couches minces constitutives du capteur : la capacité pyroélectrique, une couche diélectrique disposée sur la capacité pyroélectrique, une couche diélectrique, et une portion conductrice formant l’élément chauffant du pixel. Cet empilement de couches a, typiquement, une épaisseur de l’ordre de 6µm. L’empilement est recouvert par une couche de protection surfacique sur laquelle le doigt est destiné à être disposé lors d’une capture d’empreinte. La couche de protection a une épaisseur inférieure à 5µm pour permettre un bon transfert thermique entre le doigt et la couche pyroélectrique. Elle est, généralement, en un matériau polymère pour protéger des agressions chimiques extérieures. De plus, elle doit être dure (dureté supérieure à 5H, mesurée par la mise en œuvre d’un test de dureté à la rayure conforme à la norme ISO 15184:2012) pour protéger le capteur des rayures.
Cependant, il a été observé que lors du test de dureté, la couche de protection est détériorée : elle se fragmente (figure 1). Cette fragmentation peut provoquer un arrachement et une fissuration des couches organiques sous-jacentes, et notamment une fissuration de la couche diélectrique, ce qui peut créer des chemins de conduction entre les portions conductrices formant les éléments chauffants et les électrodes supérieures des capacités pyroélectriques, engendrant des courants de fuite importants au sein des pixels. Ceci empêche le bon fonctionnement du dispositif et peut même aboutir à une détérioration totale du capteur, le rendant non fonctionnel.
Un but de la présente invention est de proposer un capteur de motif thermique, remédiant aux inconvénients de l’art antérieur et, en particulier, présentant une résistance aux rayures améliorées.
Pour cela, la présente invention propose un capteur de motif thermique, tel qu’un capteur d’empreinte digital, comportant plusieurs pixels disposés sur un substrat, chaque pixel comprenant successivement :
- une capacité pyroélectrique formée par une portion de matériau pyroélectrique disposée entre une électrode inférieure et une électrode supérieure, l’électrode inférieure étant disposée entre le substrat et la portion de matériau pyroélectrique,
- une couche diélectrique,
- un élément chauffant, recouvrant localement la couche diélectrique,
- une couche de protection, comprenant une première couche en un premier matériau polymère,
- une capacité pyroélectrique formée par une portion de matériau pyroélectrique disposée entre une électrode inférieure et une électrode supérieure, l’électrode inférieure étant disposée entre le substrat et la portion de matériau pyroélectrique,
- une couche diélectrique,
- un élément chauffant, recouvrant localement la couche diélectrique,
- une couche de protection, comprenant une première couche en un premier matériau polymère,
le capteur comprenant, en outre, entre la couche diélectrique et la couche de protection, une couche d’alcoxydes de silicium.
L’invention se distingue fondamentalement de l’art antérieur par la présence de la couche d’alcoxydes de silicium disposée entre la couche diélectrique et la couche de protection. La présence de la couche d’alcoxydes de silicium évite que le premier matériau polymère de la couche de protection se lie sur lui-même pendant les étapes de polymérisation/réticulation et forme des agrégats. La polymérisation/réticulation est réalisée de manière plus homogène : l’adhérence de la couche de protection sur la couche diélectrique est améliorée. Lorsqu’un corps, rugueux, pointu ou coupant est appliqué à la surface de la couche de protection, cette dernière ne se fragmente pas. La présence de la couche d’alcoxydes de silicium est particulièrement avantageuse lorsque le capteur comprend une couche diélectrique présentant des groupements –OH pendants.
Avantageusement, les alcoxydes de silicium ont une fonction (méth)acrylate.
Avantageusement, le capteur comprend entre l’élément chauffant et la couche de protection une couche de composés thiol. Les composés thiol se fixent sur l’élément chauffant via les fonctions thiol. La présence de cette autre couche moléculaire renforce l’adhérence de la couche de protection sur le pixel et sa stabilité mécanique.
Avantageusement, les composés thiol ont une fonction (méth)acrylate.
La présence des fonctions (méth)acrylate dans les alcoxydes de silicium et/ou dans les composés thiol permet de renforcer l’adhérence de la couche de protection sur la couche diélectrique et/ou sur l’élément chauffant.
Avantageusement, le premier matériau polymère est un (méth)acrylate pour renforcer l’adhérence de la couche de protection sur les (méth)acrylate des composés thiol et/ou sur les (méth)acrylate des alcoxydes de silicium.
Avantageusement, la couche de protection comprend une deuxième couche dite couche de renfort, de préférence en un deuxième matériau polymère, la dureté de la couche de renfort étant supérieure à la dureté de la première couche.
La couche de renfort présente, avantageusement, une dureté supérieure ou égale à 5H, par exemple de 6H, et donc une bonne résistance mécanique à la pénétration d’un élément, par exemple pointu, et aux rayures. La valeur de la dureté du matériau peut être mesurée par la mise en œuvre d’un test de dureté à la rayure conforme à la norme ISO 15184:2012. De manière alternative, la dureté peut également mesurée par un duromètre Shore, conformément à l’une des normes ISO 868 et 7619, ASTM D 2240 et DIN 53505. La dureté de la couche de renfort est avantageusement supérieure à 60 A.
Ainsi, même en utilisant un empilement de couches dites molles, par exemple, une électrode supérieure en PEDOT-PSS, une couche diélectrique organique et un matériau pyroélectrique en polymère, notamment en PVDF ou en l’un de ses copolymères, la couche supérieure du capteur sur laquelle on pose le doigt pourra fléchir sans se fracturer grâce à la présence de la couche de renfort qui s’oppose à la pénétration du doigt, notamment dans la couche diélectrique organique et dans les couches sous-jacentes, c’est-à-dire dans les autres couches du capteur disposées sous la couche diélectrique.
La couche de renfort est, avantageusement, rigide (elle a un module d’Young supérieur ou égal à 1GPa) et permet de renforcer mécaniquement la structure du capteur.
Ici, et par la suite, toutes les valeurs de modules d’Young sont données à température ambiante (20-25°C).
Avantageusement, le deuxième matériau polymère est un époxy.
Selon une première variante, la couche de renfort est disposée sur la première couche. Selon une autre variante, la couche de renfort est disposée sous la première couche, c’est-à-dire entre l’élément chauffant et la première couche.
Selon un mode de réalisation préféré, la couche de protection comprend une troisième couche en un troisième matériau polymère, la deuxième couche étant disposée entre la première couche et la troisième couche. La couche de renfort est disposée au sein de la couche de protection, c’est-à-dire qu’elle sépare la couche de protection en deux parties, la première partie étant formée par la première couche et la deuxième partie étant formée par la troisième couche. Une telle structure de type tricouche permet de positionner une couche très dure et/ou très rigide au centre de la couche de protection, au niveau du point neutre. Ainsi, même en présence de fortes contraintes mécaniques, la couche de renfort, en position centrale, ne se fissure pas.
Avantageusement, le troisième matériau polymère est un (méth)acrylate.
Avantageusement, le premier matériau polymère et le troisième matériau polymère sont identiques.
Avantageusement, la couche de protection est un tricouche comprenant, successivement, une première couche de PMMA, une deuxième couche d’époxy et une troisième couche de PMMA.
Avantageusement, la couche de protection a une épaisseur inférieure à 5µm, et de préférence inférieure à 3,5µm.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un capteur de motif thermique comportant les étapes successives suivantes :
a) formation d’une électrode inférieure sur un substrat,
b) formation d’une couche de matériau pyroélectrique,
c) formation d’une électrode supérieure,
d) formation d’une couche diélectrique,
e) formation d’un élément chauffant, recouvrant localement la couche diélectrique,
f) formation d’une couche de protection, comprenant une première couche en un premier matériau polymère,
a) formation d’une électrode inférieure sur un substrat,
b) formation d’une couche de matériau pyroélectrique,
c) formation d’une électrode supérieure,
d) formation d’une couche diélectrique,
e) formation d’un élément chauffant, recouvrant localement la couche diélectrique,
f) formation d’une couche de protection, comprenant une première couche en un premier matériau polymère,
le procédé comprenant, en outre, entre l’étape e) et l’étape f), une étape g) dans laquelle on forme une couche d’alcoxydes de silicium sur la couche diélectrique.
Avantageusement, le procédé comprend, entre l’étape g) et l’étape f), une étape dans laquelle on forme entre l’élément chauffant et la couche de protection une couche de composés thiol.
Avantageusement, l’étape f) est réalisée en formant successivement, une première couche, une deuxième couche dite couche de renfort, une troisième couche, la dureté de la couche de renfort étant supérieure à la dureté de la première couche et à la dureté de la deuxième couche.
Avantageusement, la couche de renfort est formée selon les étapes suivantes :
- dépôt d’une solution contenant un alcool, de préférence, choisi parmi l’éthanol et l’isopropanol, et les précurseurs du deuxième matériau polymère représentant, de préférence, jusqu’à 30% en poids de la solution,
- polymérisation des précurseurs du deuxième matériau polymère moyennant quoi on obtient une couche de renfort polymérisée.
- dépôt d’une solution contenant un alcool, de préférence, choisi parmi l’éthanol et l’isopropanol, et les précurseurs du deuxième matériau polymère représentant, de préférence, jusqu’à 30% en poids de la solution,
- polymérisation des précurseurs du deuxième matériau polymère moyennant quoi on obtient une couche de renfort polymérisée.
Les alcools sont des solvants qui ne détériorent ni le PDVF ni le PEDOT, classiquement utilisés pour réaliser, respectivement, la couche pyroélectrique et l’électrode supérieure. De telles solutions sont faciles à déposer par toute technique d’impression.
Avantageusement, la couche de renfort est déposée par toute technique de pulvérisation. Les couches formées ont des épaisseurs contrôlées.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n’est donné qu’à titre d’illustration de l’objet de l’invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
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 :
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 aux figures 2 à 5 qui représentent une vue en coupe d’un pixel 102 ou d’une partie d’un pixel 102 d’un capteur de motif thermique, selon différents modes de réalisation de l’invention.
Substrat 104 :
Le pixel 102 est réalisé sur un substrat 104 par exemple en verre ou en matériau semi-conducteur (par exemple du silicium).
Par exemple, le substrat 104 est un substrat de type « Eagle XG Slim Glass Substrates » commercialisé par la société de chez Corning.
Il peut également être en polymère. Il peut s’agir d’un polyimide, de PEN (polyéthylène naphtalate), de PET (polyéthylène téréphtalate), ou de polycarbonate (PC).
Des éléments électroniques d’un capteur, tels que des transistors en couches minces (TFT pour « Thin Film Transistor »), peuvent être réalisés, sur ces substrats, par technologie électronique imprimée (par exemples via une réalisation avec des têtes d’écriture de type jet d’encre, sérigraphie, offset et héliogravure) ou par lithographie.
Les pixels 102 :
Un seul pixel est représenté sur le substrat 104 représenté sur la figure 2, pour plus de lisibilité, mais le substrat d’un capteur de motif thermique comporte une pluralité de pixel 102. Les pixels 102 du capteur sont disposés en formant une matrice de plusieurs lignes et plusieurs colonnes de pixels 102. Le pas des pixels 102, dans le plan du substrat 104, est par exemple compris entre environ 50 µm et 100 µm. Dans le cas d’un capteur de résolution égale à 500 dpi (« dot per inch »), le pas des pixels 102 est égal à 50,8 µm.
Chacun des pixels 102 du capteur comporte des moyens de mesure, ou de détection, thermique formés par une capacité pyroélectrique. Chaque capacité pyroélectrique comporte successivement, depuis le substrat 104, une électrode inférieure 108, un matériau pyroélectrique 106 et une électrode supérieure 110. La capacité est décrite ici et par la suite comme étant une capacité verticale, mais il pourrait également s’agir d’une capacité horizontale.
Le matériau pyroélectrique 106 :
La couche en matériau pyroélectrique 106 comprend une première face principale en contact avec la première électrode 108. Par en contact, on entend que ces éléments sont adjacents. La seconde face principale est en regard de la seconde électrode 108.
Le matériau pyroélectrique produit des charges électriques en fonction d’un paramètre pyroélectrique.
Le matériau pyroélectrique peut être une céramique comme du titano-zirconate de plomb (PZT), ou encore de l’AlN.
Le matériau pyroélectrique peut être un homopolymère du fluorure de vinylidène (VDF) : c’est-à-dire du polyfluorure de vinylidène (PVDF).
Le matériau pyroélectrique peut être un copolymère du fluorure de vinylidène et d'au moins un autre monomère copolymérisable avec le VDF. Avantageusement, le copolymère comprend au moins 50% en mole, de préférence au moins 70% en poids, encore plus préférentiellement au moins 90% en mole de VDF.
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 allant de 10 % à 50 % pour le TrFe et allant de 90 % à 50 % pour le PVDF. Préférentiellement, le pourcentage en mole est d’environ 20 % pour le TrFe et d’environ 80 % pour le PVDF ou d’environ 25% pour le TrFe et d’environ 75% pour le PVDF, ce qui permet d’obtenir de meilleures caractéristiques en cristallisation du matériau pyroélectrique. Le PVDF présente, par exemple, une permittivité diélectrique de l'ordre de 10.
L’épaisseur de la couche en matériau pyroélectrique 106 va par exemple de 20 nm à 5 µm, et de préférence de 1µm à 5µm. Elle est, par exemple, de 2µm. De préférence, elle va de 100 nm à 3 µm, plus préférentiellement de 100 nm à 2 µm et par exemple égal à environ 1 µm. L’épaisseur de matériau pyroélectrique 106 déposée est contrôlée car cette épaisseur correspond à l’épaisseur de la capacité pyroélectrique (distance entre les électrodes) et intervient directement dans le calcul de la valeur de la capacité pyroélectrique C.
De préférence, la couche pyroélectrique est en P(VDF-TrFe) et a une épaisseur de 3µm.
Les électrodes 108, 110 :
L’électrode inférieure (ou première électrode) 108 et l’électrode supérieure (ou seconde électrode) 110 comportent chacune au moins un matériau électriquement conducteur.
Les électrodes 108, 110 peuvent comporter un métal ou un alliage de métal. Le ou les métaux sont, avantageusement, choisis parmi Ti, Pt, Ni, Au, Al, Mo, Ag, MoCr, AlSi, et AlCu. L’une des électrodes 108, 110, avantageusement l’électrode supérieure 110, ou chacune des deux électrodes 108, 110, peut être formée par un empilement de plusieurs matériaux électriquement conducteurs, par exemple un empilement Ti/TiN, Ti/TiN/AlCu, ou Ti/Au.
Selon une autre variante, les électrodes 108, 110 peuvent être en oxyde métallique. De préférence, il s’agit d’un oxyde transparent conducteur, tel l’oxyde d’indium étain (ou ITO pour « Indium Tin Oxide »).
L’électrode inférieure 108 forme un motif métallique recouvrant localement le substrat. Le motif métallique est, de préférence, en argent, en cuivre et/ou en aluminium.
L’épaisseur de chacune des électrodes 108, 110 est par exemple comprise entre environ 0,01 µm et 1 µm. L’épaisseur de chacune des électrodes 108, 110 peut être plus importante, allant par exemple jusqu’à environ 5 µm, notamment lorsque ces électrodes sont réalisées par impression en utilisant des matériaux tels que l’argent, le cuivre, le carbone ou encore le PEDOT-PSS (le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) -poly(styrène sulfonate) de sodium). Une couche d’or déposée par photolithographie a, par exemple, une épaisseur de 50nm.
A titre illustratif et non limitatif, l’électrode supérieure 110 et/ou l’électrode inférieure 108 est une couche d’épaisseur égale à environ 0,2 µm, en titane et/ou en molybdène et/ou en aluminium et/ou en un oxyde conducteur tel que de l’ITO (oxyde d’indium et d’étain) et/ou un polymère conducteur.
A titre illustratif et non limitatif, l’électrode supérieure 110 et/ou l’électrode inférieure 108 est 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. On pourra également utiliser un empilement Ti/Au avec une épaisseur de Ti de 5nm et une épaisseur de Au de 50 nm, ou une couche d’or de 50nm d’épaisseur, ou encore un alliage MoCr de 50 nm d’épaisseur. On pourra combiner, par exemple, une électrode inférieure en Ti/Au, par exemple déposée par photolithographie, et une électrode supérieure en PEDOT-PSS de 1µm d’épaisseur.
L’électrode supérieure 110 et/ou l’électrode inférieure 108 est, par exemple, sous la forme de lignes métalliques parallèles les unes aux autres. De telles lignes sont, par exemple, en or. L’électrode inférieure 108 peut également être en or, et l’électrode supérieure 110 peut être en PEDOT-PSS et peut avoir, par exemple, une épaisseur de 1µm.
De préférence, l’électrode inférieure est en or. Elle a une épaisseur de 30nm, par exemple, et les lignes peuvent faire 40µm de largeur et être espacées de 40µm.
De préférence, l’électrode supérieure est en PEDOT-PSS ou en argent et a une épaisseur allant de 600nm à 1µm.
La couche en PEDOT-PSS peut être renforcée mécaniquement par des nanoparticules dures (dureté supérieure à 1GPa). Selon une première variante, les nanoparticules peuvent être électriquement conductrices, par exemple en que WC, MoC, Zr, W, ou Cr. Selon une deuxième variante, les nanoparticules sont électriquement isolantes. Avantageusement, les nanoparticules isolantes représentent au plus 5% massique de l’électrode supérieure.
La couche diélectrique 112 :
L’électrode supérieure 110 est recouverte par une couche diélectrique 112. La couche diélectrique est de préférence en un matériau polymère. Elle est, par exemple, en polyimide. Elle permet d’isoler électriquement l’électrode supérieure 110 des éléments chauffants 114.
L’épaisseur de la couche diélectrique va par exemple de 0,1µm à 5 µm. de préférence, la couche de diélectrique a une épaisseur de 1µm.
Les éléments chauffants 114 :
Dans le mode de réalisation où le capteur est apte à réaliser une détection thermique active, en plus des éléments précédemment décrits, le capteur comporte également des éléments chauffants 108 dissipant une certaine quantité de chaleur dans les pixels 102, et notamment dans le matériau pyroélectrique 106. Ces éléments chauffants 108 sont par exemple formés par des portions électriquement conductrices issues de la même couche que celle servant à la réalisation des électrodes supérieures 110 ou des électrodes inférieures 108. Le ou les matériaux servant à la réalisation de l’élément chauffant 114 peuvent être choisis parmi mes matériaux suivants : Ti, Pt, Ni, Cu, Au, Al, Ag, AlSi, AlCu. Les éléments chauffants 114 sont par exemple réalisés par un dépôt d’une encre métallique, comprenant par exemple de l’argent, déposée par impression. Les éléments chauffants 114 sont, par exemple, sous la forme de lignes métalliques parallèles les unes aux autres. Comme représenté sur la figure 5, les lignes formant les éléments chauffants peuvent être perpendiculaires aux lignes de l’électrode inférieure 108. Les lignes formant les éléments chauffants sont, par exemple, espacées de 40µm et présentent une largeur de 40µm.
L’élément chauffant 114 peut comprendre une couche en Ti ayant une épaisseur allant d’environ 30 nm à 100 nm et une autre couche électriquement conductrice en AlSi ou en AlCu et ayant une épaisseur allant de 100 nm à 700 nm. Dans une telle configuration, la couche d’AlSi ou d’AlCu protège la couche de titane ou de TiAu contre l’oxydation.
De préférence, les éléments chauffants sont en argent imprimé.
Les éléments chauffants 114 ont, par exemple, une épaisseur allant de 0,5µm à 10µm, et de préférence allant de 1µm à 5µm.
Chacun des éléments chauffants 114 forme un élément métallique résistif (résistance électrique par exemple comprise entre environ 10 Ω et 100 Ω) associé à un pixel 102 et qui permet de chauffer ce pixel 102 indépendamment des éléments chauffants 114 associés aux autres pixels 102. Les éléments chauffants 114 permettent, lors d’une détection mise en œuvre par le dispositif, de dissiper une certaine quantité de chaleur dans les pixels 102, et notamment dans le matériau pyroélectrique de la couche 113. Dans chaque pixel 102, le chauffage de la portion 106 de matériau pyroélectrique est obtenu en faisant circuler un courant dans l’élément chauffant 114 formant la résistance de chauffage de chacun des pixels 102.
Le chauffage du matériau pyroélectrique 106 est obtenu en faisant circuler un courant dans l’élément chauffant 114 formant la résistance de chauffage de chacun des pixels 102. 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 µm (comme c’est le cas pour un capteur d’empreinte digitale standard de résolution égale à 500 dpi).
La couche de protection 116 :
Les éléments chauffants 114 ainsi que les parties de la couche diélectrique 112 sur lesquelles les éléments chauffants 114 ne sont pas présents sont, avantageusement, recouverts par une couche de protection 116.
La couche de protection 116 comprend au moins une première couche 116a en un premier matériau.
De préférence, comme représenté sur les figures 2, 5 et 6, la couche de protection 116 comprend, en outre, une deuxième couche appelée couche de renfort 500.
La couche de renfort 500 peut être disposée sur ou sous la couche de protection 116 de manière à former un bicouche.
De préférence, la couche de protection comprend une troisième couche 116b en un troisième matériau de manière à former un tricouche. La couche de renfort 500 est disposée dans l’épaisseur de la couche de protection 116 : Elle sépare la couche de protection 116 en deux parties une partie dite inférieure 116a, disposée entre la couche diélectrique et la couche de renfort 500, et une partie dite supérieure 116b, disposée entre la couche de renfort 500 et en contact avec l’environnement extérieur. La couche de renfort 500 peut séparer la protection de protection 116, par exemple en son milieu.
De préférence, le premier matériau et le troisième matériau sont des matériaux polymères. Encore plus préférentiellement ils sont identiques.
De préférence, le premier matériau polymère et/ou le troisième matériau polymère sont de type (méth)acrylate.
Il peut s’agir d’homo-polymère ou de copolymère.
Par exemple, il s’agit d’un uréthane (méth)acrylate, polyéther (méth)acrylate, polyéther (méth)acrylate à amine modifiée, époxy (méth)acrylate ou encore d’un polyester(méth)acrylate. Il peut s’agir, par exemple, du poly(méthacrylate de méthyle) (ou PMMA pour « poly(methyl methacrylate »), de pentaérythritol tétraacrylate ou de pentaérythritol triacrylate.
Il peut également s’agir d’une couche de PET, par exemple laminée, ou de tout autre matériau adapté à la réalisation de cette couche, comme par exemple du polyimide, du PVDF et/ou de ses copolymères, etc.
Le deuxième matériau est différent du premier matériau et du troisième matériau.
La dureté de la couche de renfort 500 est supérieure à la dureté de la première couche 116a de la couche de protection 116 et/ou à la deuxième partie 116b de la couche de protection 116, ce qui permet de renforcer la couche de protection 116.
La couche de renfort 500 présente également une dureté supérieure aux duretés de la couche pyroélectrique 106, de l’électrode supérieure 110 et de la couche diélectrique 112.
La couche de renfort 500 est, avantageusement, dure avec une dureté d’au moins 4H, par exemple de 4H à 9H, et de préférence d’au moins 5H.
La couche de renfort a un module d’Young allant de 1 à 5GPa, et de préférence, de 2 à 3GPa.
La couche de renfort est, par exemple, en un matériau polymère, en oxyde métallique, ou en céramique. Par exemple, elle peut être en silice ou en zircone.
De préférence la couche de renfort est en un matériau polymère. Il peut s’agir d’homo-polymère ou de copolymère. Avantageusement, la couche de renfort 500 comprend au moins un polymère de type époxyde (« époxy »).
Selon une autre variante, la couche de renfort peut comprendre plusieurs couches, par exemple trois couches 501, 502, 503 comme représenté sur la figure 6.
De préférence, la couche de protection 116 est un tricouche (figures 2 et 5. Chaque couche constitutive 116a, 500, 116b de la couche de protection 116, avantageusement, indépendamment les unes des autres, une épaisseur allant de 100nm à 2µm, de préférence de 0,5µm à 1,5µm.
Avantageusement, la couche de protection 116 est un tricouche comprenant successivement, une première couche 501 de PMMA, une deuxième couche d’époxy 502 et une troisième couche de PMMA 503).
Par exemple, la couche de protection 116 comprend :
- une couche 116a de pentaérythritol tétraacrylate et/ou pentaérythritol triacrylate de 1,5µm d’épaisseur,
- une couche 500 d’époxy très dure de 0,5µm d’épaisseur,
- une couche 116b de pentaérythritol tétraacrylate et/ou pentaérythritol triacrylate de 1,5µm d’épaisseur.
- une couche 116a de pentaérythritol tétraacrylate et/ou pentaérythritol triacrylate de 1,5µm d’épaisseur,
- une couche 500 d’époxy très dure de 0,5µm d’épaisseur,
- une couche 116b de pentaérythritol tétraacrylate et/ou pentaérythritol triacrylate de 1,5µm d’épaisseur.
Le ou les matériaux utilisés ainsi que l’épaisseur de la couche sont choisis pour obtenir un bon transfert de la chaleur depuis la face avant 116 vers la capacité pyroélectrique. Ainsi, la couche de protection 116 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 de la couche de protection 116 vers la capacité pyroélectrique), ni trop fine (l’épaisseur de la couche 116 doit tout de même être suffisante pour que son rôle de protection soit rempli). L’épaisseur de la couche de protection 116 peut aller de quelques microns (par exemple 5 µm) à environ 100 µm. L’épaisseur est par exemple inférieure ou égale à 10µm. La couche de protection 116 a, de préférence, une épaisseur inférieure à 5µm et de préférence inférieure à 3,5µm, par exemple de 3µm.
La face supérieure de la couche de protection 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. La partie d’un doigt 300 avec les creux et les bosses de l’empreinte sont représentées sur la figure 2.
La couche d’alcoxydes de silicium 401 :
Comme représenté sur les figures 2 à 6, le capteur comprend, en outre, une première couche moléculaire 401 entre la couche diélectrique 112 et la couche de protection 116 pour améliorer l’adhérence de la couche de protection 116. Cette couche moléculaire 401 comprend et de préférence est constituée d’alcoxydes de silicium.
Les alcoxydes de silicium de la couche 401 peuvent être identiques ou différents.
Les alcoxydes de silicium ont de préférence au moins une fonction (méth)acrylate pour renforcer les liaisons avec la couche de protection.
Les alcoxydes de silicium peuvent être des monoalkoxysilanes ou des polyalkoxysilanes, par exemple un dialkoxysilane ou un trialkoxysilane.
Ils peuvent comprendre des hétéroatomes, comme du chlore, et/ou des groupements fonctionnels tel que des fonctions amine ou isocyanate.
A titre illustratif et non limitatif, les alcoxydes de silicium sont choisis parmi le 3-(triméthoxysilyl)propyl acrylate, 3-(trichlorosilyl)propyl méthacrylate, l’éthyl 2-(triméthylsilylmethyl) acrylate, le triméthylsilyl acrylate, le 3-[tris(triméthylsiloxy)silyl]propyl méthacrylate, le triacétoxy(méthyl)silane, le tris(2-méthoxyéthoxy)(vinyl)silane, le triéthoxy(octyl)silane, le triacétoxy(vinyl)silane, le tris(triméthylsiloxy)silane, le triméthyl(propoxy)silane, le trichloro(hexyl)silane, le 3-(diméthylamino)propyl acrylate, le 2-chloroéthyl acrylate, le [(S)-(−)-1-(4-nitrophényl)-2-pyrrolidineméthyl] acrylate, le 3-(triéthoxysilyl)propyl isocyanate.
La couche de composés thiol 402 :
Comme représenté sur les figures 4 à 6, le capteur peut comprendre, en outre, entre l’élément chauffant 114 et la couche de protection 116 une deuxième couche moléculaire 402. Cette deuxième couche moléculaire 402 comprend et, de préférence, est constituée de composés thiol. Les composés thiol de la couche 402 peuvent être identiques ou différents.
De préférence, les composés thiol ont une fonction (méth)acrylate. Par exemple, il s’agit de thiol acrylates.
Les composés thiol peuvent avoir un ou plusieurs groupements fonctionnels, par exemple choisis parmi les groupements cyano, sulfanyl et alkoxysilane.
A titre illustratif et non limitatif, les composés thiol sont choisis parmi le 4-(méthylsulfanyl)-thiophénol (MeSTP), le 4-méthoxythiophénol (MeOTP), le 4-méthylthiophénol (MeTP), le 4-aminothiophénol (ATP), le 4-nitrothiophénol (NOTP), le (3-mercaptopropyl)triméthoxysilane, et le 5-Nitrobenzo[d]oxazole-2-thiol,O-[2-(3-Mercaptopropionylamino)éthyl]-O′-méthylpolyéthylène glycol.
Procédé de fabrication du capteur de motif thermique :
Un procédé de fabrication d’un capteur de motif thermique comprenant de telles capacités pyroélectriques va maintenant être décrit. Le procédé comporte les étapes successives suivantes :
a) formation d’une électrode inférieure 108 sur un substrat 104,
b) formation d’une couche de matériau pyroélectrique 106,
c) formation d’une électrode supérieure 112,
d) formation d’une couche diélectrique 112,
e) formation d’un élément chauffant 114,
f) formation d’une couche de protection 116.
a) formation d’une électrode inférieure 108 sur un substrat 104,
b) formation d’une couche de matériau pyroélectrique 106,
c) formation d’une électrode supérieure 112,
d) formation d’une couche diélectrique 112,
e) formation d’un élément chauffant 114,
f) formation d’une couche de protection 116.
Le capteur est réalisé à partir du substrat 104. Le matériau du substrat 104 (verre, polymère, semi-conducteur) est choisi selon la technologie avec laquelle les différents éléments électroniques du capteur 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 œuvre sera fonction du matériau du substrat 104.
Le motif 108 métallique ou en oxyde métallique formant la première électrode du pixel du capteur pyroélectrique est déposé sur le substrat. Cette étape peut être réalisée par dépôt en phase vapeur (PVD) par évaporation (« sputtering » en anglais), sérigraphie, pulvérisation (« spray » en anglais) ou même par jet d’encre. Lorsque la couche est formée par un dépôt PVD, l’épaisseur de la couche va, par exemple d’environ 100 nm à 2 µm. De manière générale, l’épaisseur de la couche est supérieure ou égale à environ 100 nm. D’autres types de dépôt peuvent permettre la réalisation d’une couche d’épaisseur supérieure à environ 2 µm. La structure des électrodes 108 peut être définie en mettant en œuvre une étape de photolithographie et, éventuellement, une étape de gravure de la couche.
La couche en matériau pyroélectrique 106 peut être déposée par « spin coating » (dépôt à la tournette). D’autres types de dépôts localisés peuvent être utilisés comme la sérigraphie ou la pulvérisation ou même le dépôt par jet d’encre.
Une étape d’irradiation du matériau pyroélectrique peut ensuite être mise en œuvre pour cristalliser au moins la seconde face de la couche en matériau pyroélectrique, pour améliorer les 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 µs 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 µm, l’irradiation peut être mise en œuvre 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.
P(VDF-TrFe) égale à environ 2 µm, l’irradiation peut être mise en œuvre 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.
Le matériau pyroélectrique ayant éventuellement subi une précédente cristallisation 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 peut donc être réalisée en deux temps : tout d’abord l’irradiation par impulsion lumineuse UV pour bien cristalliser la seconde face de la couche en matériau pyroélectrique afin d’augmenter sa conductivité thermique, puis un recuit thermique achevant la cristallisation pour le reste de matériau pyroélectrique non cristallisé par la précédente irradiation.
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 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 150V/µm d’épaisseur de la couche pyroélectrique pendant une durée par exemple comprise entre quelques secondes et quelques minutes. Par exemple, on appliquera une tension de 120V/µm pendant 20s. 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’épaisseur de la couche pyroélectrique 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 20 et 45 µC/(m².K).
P(VDF-TrFe), il est nécessaire de mettre en œuvre, avant la première utilisation du capteur 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 150V/µm d’épaisseur de la couche pyroélectrique pendant une durée par exemple comprise entre quelques secondes et quelques minutes. Par exemple, on appliquera une tension de 120V/µm pendant 20s. 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’épaisseur de la couche pyroélectrique 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 20 et 45 µC/(m².K).
Les molécules à l’intérieur de la couche pyroélectrique 106 restent orientées ainsi, même lorsque le matériau n’est plus soumis à ce champ électrique. Le matériau peut être ainsi polarisé en appliquant une tension de polarisation initiale aux bornes des électrodes 108, 110. On choisira, de préférence, une épaisseur de matériau pyroélectrique inférieure ou égale à environ 2 µm afin de favoriser la polarisation du matériau pyroélectrique de cette capacité, et 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).
Des portions du matériau pyroélectrique 106 sont définies par la mise en œuvre d’une photolithographie et d’une gravure du matériau pyroélectrique. Lorsque la gravure mise en œuvre correspond à une gravure plasma, un plasma O2peut être utilisé seul ou en combinaison avec du SF6(hexafluorure de soufre). Les portions de matériau pyroélectrique conservées après la mise en œuvre de cette gravure correspondent aux portions du matériau pyroélectrique localisées au niveau des pixels 102 du capteur.
En variante, les portions 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.
La seconde électrode, ou électrode supérieure, 110 est ensuite déposée, selon des techniques de dépôt qui peuvent être identiques ou différentes de celles utilisées pour déposer la première électrode.
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. 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 ou sous la forme d’une ligne rectangulaire. Une étape de photolithographie suivie d’une étape gravure plasma ou en humide sont par exemple mises en œuvre pour la formation de l’élément chauffant 118. La couche est gravée, par exemple via la mise en œuvre d’une gravure plasma.
Le ou les matériaux destinés à former la couche de protection 116 est ou sont ensuite déposés sur l’ensemble de la structure précédemment réalisée. Selon le ou les matériaux 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 sont déposés de manière localisée, comme par exemple par pulvérisation ou par jet d’encre, la couche de protection 116 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 116.
Dans le cas contraire, le ou les matériaux sont déposés également à côté des portions de matériau pyroélectrique, une gravure, par exemple par plasma, est ensuite mise en œuvre afin de supprimer les parties du ou des matériaux déposés à côté des portions, permettant ainsi l’accès aux extrémités.
Le procédé comprend, en outre, entre l’étape e) et l’étape f), une étape g) dans laquelle on forme une couche moléculaire d’alcoxydes de silicium 401.
Avantageusement, le procédé comprend entre l’étape g) et l’étape f), une étape dans laquelle on forme entre l’élément chauffant 114 et la couche de protection 116 une couche moléculaire de composés thiol 402.
Préalablement au dépôt des couches moléculaires 401, 402, on rincera la couche diélectrique 112 et les éléments chauffants 114, par exemple, à l'eau déminéralisée.
Préalablement au dépôt des couches moléculaires 401, 402, on pourra également réaliser un traitement plasma. Le traitement plasma permet de graver la surface de la couche sous-jacente et de créer une texturation de surface irrégulière ou régulière, ce qui augmente la rugosité de la surface, et/ou ce qui permet de modifier les fonctions pendantes de la couche sous-jacente. Les couches moléculaires 401, 402 présentent une meilleure adhérence sur la couche diélectrique 112 et/ou sur les éléments chauffants 114.
Avantageusement, la gravure est réalisée sous une pression allant de 10mT à 200mT, par exemple de l’ordre de 70mT.
Avantageusement, la puissance de la gravure plasma va de 10W à 800W, et de préférence de 50W à 200W, par exemple de l’ordre de 100W.
Avantageusement, la durée de la gravure plasma va de 30s à 500s, et de préférence de 45s à 90s, par exemple de l’ordre de 60s.
Les couches moléculaires 401, 402 sont de type monocouche auto-assemblées (ou SAM pour « Self-Assembled Monolayer »). Elles sont, par exemple, obtenues en dispersant les molécules en solution. De préférence, la solution comprendun solvant organique, par exemple un alcool, tel que l’éthanol ou l’isopropanol. Les molécules représentent, avantageusement, de 5% à 30% volumique de la solution. Puis la solution est déposée par toute technique de dépôt par impression ou d’enduction.
Avantageusement, la couche de protection 116 comprend une couche de renfort 500. Pour réaliser une telle couche, l’étape f) est, avantageusement, réalisée en formant, successivement, une première partie 116a de la couche de protection, une couche de renfort 500, une deuxième partie 116b de la couche de protection, la dureté de la couche de renfort 500 étant supérieure à la dureté de la première partie 116a de la couche de protection et à la deuxième partie 116b de la couche de protection.
La couche de renfort 500 est formée en déposant une solution comprenant un solvant et des précurseurs de la couche de renfort. Avantageusement, les précurseurs de la couche de renfort 500 représentent jusqu’à 30% en poids de la solution, par exemple de 5% à 30% en poids. Le solvant est de préférence un alcool, tel que l’éthanol ou l’isopropanol.
Par précurseur de polymère, on entend des monomères et/ou des oligomères et/ou des pré-polymères menant à la formation du polymère. Dans le cas d’un matériau polymère comprenant plusieurs polymères différents, la pâte comprendra les précurseurs des différents polymères.
La solution peut comprendre, en outre, un initiateur de polymérisation tel qu’un amorceur radicalaire ou anionique par exemple.
Avantageusement, après le dépôt de la couche de renfort 500, ou après le dépôt de chacune de ces différentes couches constitutives 501, 502, 503, on réalisera un recuit à une température supérieure à 100°C, par exemple de l’ordre de 150°C, pendant au moins 15 minutes pour durcir le matériau polymère de la couche déposée. L’étape de recuit peut être réalisée pour favoriser l’ancrage de la couche de renfort 500 et/ou son positionnement selon une conformation avantageuse à l’ancrage et/ou de finir complètement la réticulation de la couche de renfort 500.
Un rinçage, par exemple, à l'eau déminéralisée peut être réalisé après chaque recuit et/ou après chaque dépôt de la ou des couches 501, 502, 503 constituant la couche de renfort 500.
Dans les différents exemples décrits précédemment, le capteur est utilisé en tant que détecteur d’empreinte digitale. Toutefois, le capteur peut être utilisé pour réaliser une détection de motifs thermiques autres que des empreintes digitales, du fait que chaque pixel 102 du capteur lit la capacité calorifique placée au-dessus de lui et cela quelle que soit la nature du motif thermique.
D’une manière générale, le capteur peut correspondre à tout capteur de motifs thermiques, où la distance entre la peau et le pixel est, avantageusement, plus grande que la distance entre deux pixels. Par exemple, la distance entre la peau et le pixel est au moins 5 à 10 fois plus grande que la distance entre les pixels (« pitch »). A titre illustratif, dans le cas du capteur d’empreinte, la distance entre les pixels va de 50 à 80 microns, et la distance entre la peau et le pixel est au plus d’une dizaine de microns.
Par exemple, le capteur peut également servir à la réalisation d’un imageur infrarouge non refroidi. Les pixels 102 du capteur sont dans ce cas intégrés sur un circuit intégré de type CCD ou CMOS collectant les charges électriques générées par le capteur. Un tel imageur comporte en outre une lentille infrarouge filtrant la lumière arrivant sur le capteur. Afin que le capteur 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 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. Un élément absorbeur peut être ajouté sur le matériau pyroélectrique afin d’améliorer l’absorption du rayonnement infrarouge reçu.
Exemple illustratif et non limitatif d’un mode de réalisation :
Un capteur d’empreinte a été fabriqué en technologie dite imprimée, c’est-à-dire dans lequel au moins une partie des différents éléments présents sur le substrat 104 sont déposés par la mise en œuvre de techniques d’impression : sérigraphie, héliogravure, jet d’encre, flexographie, ou encore gravure offset, et faisant appel à des encres compatibles avec ces techniques de dépôt. Il comprend :
- un substrat 104 plastique en poly(naphtalate d’éthylène) ou en polyimide,
- une première électrode 108 en or de 30nm d’épaisseur déposée par en photolithographie (ligne espacée de 40µm avec 40 µm de large),
- une couche pyroélectrique 106 de PVDF-TrFe imprimée (3µm),
- une deuxième électrode 110 obtenue par dépôt d’une encre en argent ou en PEDOT : PSS (d’épaisseur environ 600nm à 1µm),
- une couche de diélectrique 112 pour isoler électriquement l’électrode supérieure des éléments chauffants (épaisseur de 1µm),
- des éléments chauffants 114 obtenus par dépôt d’une encre en argent sous forme de lignes perpendiculaires aux lignes de la première électrode (de 40µm de largeur et espacée de 40µm),
- une couche moléculaire 401 d’alcoxydes de silicium,
- une couche moléculaire 402 de composés thiol,
- une couche de protection 116 (de 10µm d’épaisseur maximum et préférentiellement de 3 à 3,5µm d’épaisseur) formée d’un tricouche PMMA 116a / époxy 500 / PMMA 116b.
- un substrat 104 plastique en poly(naphtalate d’éthylène) ou en polyimide,
- une première électrode 108 en or de 30nm d’épaisseur déposée par en photolithographie (ligne espacée de 40µm avec 40 µm de large),
- une couche pyroélectrique 106 de PVDF-TrFe imprimée (3µm),
- une deuxième électrode 110 obtenue par dépôt d’une encre en argent ou en PEDOT : PSS (d’épaisseur environ 600nm à 1µm),
- une couche de diélectrique 112 pour isoler électriquement l’électrode supérieure des éléments chauffants (épaisseur de 1µm),
- des éléments chauffants 114 obtenus par dépôt d’une encre en argent sous forme de lignes perpendiculaires aux lignes de la première électrode (de 40µm de largeur et espacée de 40µm),
- une couche moléculaire 401 d’alcoxydes de silicium,
- une couche moléculaire 402 de composés thiol,
- une couche de protection 116 (de 10µm d’épaisseur maximum et préférentiellement de 3 à 3,5µm d’épaisseur) formée d’un tricouche PMMA 116a / époxy 500 / PMMA 116b.
Pour déposer les couches moléculaires 401, 402, on réalise préalablement un traitement d’activation chimique et/ou par traitement plasma sur les éléments chauffants 114 et la couche diélectrique 112.
On prépare deux solutions contenant de l’éthanol, et d’une part, les alcoxydes de silicium et d’autre part les composés thiol. Les molécules (alcoxydes de silicium et composés thiol) sont dilués dans de l’éthanol à 5% en volume.
On commence à déposer la solution avec les composés thiol qui se greffent sur le métal des éléments chauffants 114. Après rinçage à l’alcool, on dépose la solution avec les alcoxydes de silicium qui se greffent sur la couche diélectrique 112. Après rinçage dans de l’alcool, on dépose par impression (sérigraphie ou autre) la première partie 116a de la couche de protection 116 : une couche de pentaérythritol tétraacrylate et/ou de pentaérythritol triacrylate. Après insolation sous une lampe mercure à 100mW/cm2pendant trois minutes afin de greffer et de réticuler la couche, on réalise un recuit thermique à 120°C pendant 5 minutes. On dépose la deuxième partie 500 de la couche de protection 116 qui joue le rôle de couche de renfort : une couche époxy très dure, puis on réalise un recuit à 120°C pendant 5 minutes. On dépose la troisième partie 116b de la couche de protection 116 : une couche de pentaérythritol tétraacrylate et/ou pentaérythritol triacrylate qu’on insole sous une lampe mercure à 100mW/cm2pendant trois minutes. On réalise un dernier traitement thermique à 150°C pendant 30 minutes pour tout réticuler. L’épaisseur totale de la couche de protection 500 est de 3,5µm.
La couche de protection 116 finale adhère bien au pixel. Elle est, de plus, très flexible et présente une dureté supérieure à 6H, mesurée par la mise en œuvre d’un test de dureté à la rayure conforme à la norme ISO 15184:2012. La couche de protection ne se fragmente lors du test de dureté (figure 7).
Claims (15)
- Capteur (100) de motif thermique, tel qu’un capteur d’empreinte digital, comportant plusieurs pixels (102) disposés sur un substrat (104), chaque pixel (102) comprenant successivement :
- une capacité pyroélectrique formée par une couche de matériau pyroélectrique (106) disposée entre une électrode inférieure (108) et une électrode supérieure (110), l’électrode inférieure (108) étant disposée entre le substrat (104) et la couche de matériau pyroélectrique (106),
- une couche diélectrique (112),
- un élément chauffant (114), recouvrant localement la couche diélectrique (112),
- une couche de protection (116), comprenant une première couche (116a) en un premier matériau polymère,
caractérisé en ce que le capteur (100) comprend, en outre, entre la couche diélectrique (112) et la couche de protection (116), une couche d’alcoxydes de silicium (401). - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur comprend entre l’élément chauffant (114) et la couche de protection (116) une couche de composé thiol (402).
- Capteur selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les alcoxydes de silicium ont une fonction (méth)acrylate.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les composés thiol ont une fonction (méth)acrylate.
- Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier matériau polymère est un (méth)acrylate.
- Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de protection (116) comprend une deuxième couche dite couche de renfort (500), de préférence en un deuxième matériau polymère, la dureté de la couche de renfort (500) étant supérieure à la dureté de la première couche (116a).
- Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième matériau polymère est un époxy.
- Capteur selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la couche de protection (116) comprend une troisième couche (116b) en un troisième matériau polymère, la couche de renfort (500) étant disposée entre la première couche (116a) et la troisième couche (116b).
- Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le troisième matériau polymère est un (méth)acrylate.
- Capteur selon l’une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le premier matériau polymère et le troisième matériau polymère sont identiques.
- Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de protection est un tricouche comprenant, successivement, une première couche (116a) en PMMA, une couche de renfort (500) en époxy et une troisième couche (116b) en PMMA.
- Procédé de réalisation d’un capteur (100) de motif thermique comportant les étapes successives suivantes :
a) formation d’une électrode inférieure (108) sur un substrat (104),
b) formation d’une couche de matériau pyroélectrique (106),
c) formation d’une électrode supérieure (110),
d) formation d’une couche diélectrique (112),
e) formation d’un élément chauffant (114), recouvrant localement la couche diélectrique (112),
f) formation d’une couche de protection (116), comprenant une première couche (116a) en un premier matériau polymère,
caractérisé en ce que le procédé comprend, en outre, entre l’étape e) et l’étape f), une étape g) dans laquelle on forme une couche d’alcoxydes de silicium (401) sur la couche diélectrique (112). - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le procédé comprend, entre l’étape g) et l’étape f), une étape dans laquelle on forme entre l’élément chauffant (114) et la couche de protection (116) une couche de composés thiol (402).
- Procédé selon l’une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que l’étape f) est réalisée en formant, successivement, une première couche (116a), une deuxième couche dite couche de renfort (500), une troisième couche (116b), la dureté de la couche de renfort (500) étant supérieure à la dureté de la première couche (116a) et à la dureté de la deuxième couche (116b).
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de renfort (500) est formée selon les étapes suivantes :
- dépôt d’une solution contenant un alcool, de préférence, choisi parmi l’éthanol et l’isopropanol, et les précurseurs du deuxième matériau polymère représentant, de préférence, jusqu’à 30% en poids de la solution,
- polymérisation des précurseurs du deuxième matériau polymère moyennant quoi on obtient une couche de renfort (500) polymérisée.
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| US4429413A (en) | 1981-07-30 | 1984-01-31 | Siemens Corporation | Fingerprint sensor |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DAVIDE MALTONI: "Handbook of Fingerprint Recognition", 1 January 2009, SPRINGER, pages: 67 - 69, XP055326749 * |
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