FR3102609A1 - Capteur de motif thermique comportant des portions dielectriques de renfort mecanique - Google Patents
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Abstract
Capteur (100) de motif thermique comportant : - une matrice de pixels disposée sur une face (105) d’un substrat (104), chaque pixel comprenant une capacité pyroélectrique formée par une portion de matériau pyroélectrique disposée entre une électrode inférieure (108) et une électrode supérieure (110), l’électrode inférieure étant disposée entre le substrat et la portion de matériau pyroélectrique, - une couche de protection (114) comprenant un matériau diélectrique et recouvrant les pixels, et telle que, dans chaque pixel, l’électrode supérieure soit disposée entre la couche de protection et la portion de matériau pyroélectrique, - des portions diélectriques (112) disposées entre les pixels, s’étendant entre la face du substrat et la couche de protection et qui comportent un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique. Figure pour l’abrégé : Figure 1.
Description
L’invention se rapporte à un capteur de motif thermique exploitant les propriétés de pyroélectricité d’un matériau et formant avantageusement un capteur d’empreinte digitale.
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, la peau du 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, la peau du doigt n’est pas en contact physique direct avec le capteur. Un transfert thermique entre la peau et la surface de contact du capteur s’effectue 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 du capteur, 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.
Ces capteurs passifs 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 de contact entre le doigt et le capteur, 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 au sein des pixels est donc importante au niveau des vallées de l’empreinte où la chaleur est peu transférée au doigt grâce à l’air présent entre les vallées et le capteur, 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 où la chaleur est plutôt conservée dans le pixel. Cela permet d’améliorer et de conserver au cours du temps, le contraste d’une image acquise à l’aide dudit capteur.
Un capteur de motif thermique 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. Chaque capacité pyroélectrique comporte une couche en matériau pyroélectrique disposée entre une électrode inférieure et une électrode supérieure. Une de ces deux électrodes 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. L’électrode supérieure est recouverte d’une couche de protection sur laquelle l’élément dont le motif thermique est mesuré, par exemple un doigt, est destiné à être disposé lors de la mesure.
Dans le cas d’un capteur thermique actif, le capteur est également muni d’un élément chauffant. 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 avoir une surface importante et être réalisé avec un faible coût, il est avantageusement réalisé en technologie dite imprimée, ou par impression, moins onéreuse que la lithographie sur semi-conducteur. Différentes portions de matériaux formant les éléments des pixels du capteur peuvent dans ce cas être réalisées avec des encres suffisamment stables pour ne pas nécessiter d’encapsulation très performante. La réalisation d’au moins une partie des éléments du capteur est envisageable par impression sur des substrats souples, par exemple sur des substrats plastiques simples.
Lorsque le capteur est réalisé par impression sur un substrat de plastique, des problèmes d’adhérence sont souvent observés, par exemple entre le matériau pyroélectrique et le substrat. Des défauts de décollement peuvent alors apparaître. De plus, la couche de protection est également vulnérable à cause de sa faible épaisseur et du manque d’adhérence de l’ensemble sur le substrat de plastique. Des problèmes de fracturation de la couche de protection peuvent également apparaître en raison de la plus grande dureté du matériau de la couche de protection par rapport à celles des matériaux des autres éléments du capteur localisés sous la couche de protection. En outre, même lorsque le capteur est réalisé sur un substrat rigide comme un substrat en verre ou en semi-conducteur, la couche de protection peut ne pas être suffisante pour assurer la rigidité nécessaire à une bonne tenue dans le temps du capteur.
Un but de la présente invention est de proposer un capteur de motif thermique à capacités pyroélectriques présentant une meilleure rigidité que les capteurs de l’art antérieur.
Pour cela, la présente invention propose un capteur de motif thermique comportant :
- une matrice de pixels disposée sur une face d’un substrat, chaque pixel comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion de matériau pyroélectrique disposée entre au moins une électrode inférieure et au moins une électrode supérieure, l’électrode inférieure étant disposée entre le substrat et la portion de matériau pyroélectrique,
- une couche de protection comprenant un matériau diélectrique et recouvrant les pixels, et telle que, dans chaque pixel, l’électrode supérieure soit disposée entre la couche de protection et la portion de matériau pyroélectrique,
- des portions diélectriques disposées entre les pixels, s’étendant entre la face du substrat et la couche de protection et qui comportent un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique.
Il est donc proposé ici de réaliser, entre les pixels et au sein du capteur, des portions diélectriques comprenant un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique. Ces portions diélectriques améliorent ainsi la rigidité du capteur, le rendent moins vulnérable aux contraintes pouvant s’exercer sur le capteur et augmentent ainsi la durée de vie du capteur.
Le matériau diélectrique des portions diélectriques est de nature différente de celle du matériau pyroélectrique et correspond à un matériau non pyroélectrique.
La matrice de pixels peut être formée par un empilement de couches comprenant au moins :
- une première couche électriquement conductrice structurée disposée sur le substrat et formant les électrodes inférieures,
- une couche de matériau pyroélectrique disposée sur la première couche électriquement conductrice et dans les parties structurées de la première couche électriquement conductrice,
- une deuxième couche électriquement conductrice structurée disposée sur la couche de matériau pyroélectrique,
et les portions diélectriques peuvent traverser au moins une partie de l’épaisseur de cet empilement de couches, c’est-à-dire être disposées au même niveau (ou dans un même plan parallèle au substrat) qu’au moins une des couches de l’empilement.
Le matériau diélectrique des portions diélectriques peut être choisi tel que sa dureté soit supérieure ou égale à 2H (correspondant à une valeur de dureté mesurée par la mise en œuvre d’un test de dureté à la rayure), ou que sa dureté Shore A soit supérieure ou égale à 40, ou bien que sa dureté soit supérieure ou égale à 100 MPa (valeur obtenue par exemple par une mesure de dureté Vickers ou dureté Brinell ou par nanoindentation).
De manière avantageuse, le matériau diélectrique des portions diélectriques peut être choisi tel que sa dureté soit supérieure ou égale à 3H, ou que sa dureté Shore A soit supérieure ou égale à 60, ou que sa dureté soit supérieure ou égale à 200 MPa. De manière encore plus avantageuse, le matériau diélectrique des portions diélectriques peut être choisi tel que sa dureté soit supérieure ou égale à 5H ou 6H, ou que sa dureté Shore A soit supérieure ou égale à 80 ou 90, ou que sa dureté soit supérieure ou égale à 300 MPa.
La dureté Shore A du matériau diélectrique des portions diélectriques peut être mesurée par un duromètre Shore, conformément à l’une des normes ISO 868 et 7619, ASTM D 2240 et DIN 53505.
De manière alternative, la valeur de la dureté du matériau diélectrique des portions diélectriques 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 du matériau diélectrique des portions diélectrique, exprimée en MPa, peut être obtenue par une mesure de dureté Vickers avec indenteur en forme de pyramide normalisée en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre faces égal à 136° sur lequel on applique une force, conformément à la norme EN ISO 6507-1, ou par une mesure de dureté Brinell (mesure par compression d’une bille) conformément à la norme ISO 6506-1, ou par une mesure par nanoindentation.
Pour chaque capacité pyroélectrique, les électrodes inférieure et supérieure et la portion de matériau pyroélectrique peuvent former un empilement disposé sur le substrat.
De manière avantageuse, le matériau diélectrique des portions diélectriques peut être choisi tel que sa conductivité thermique soit inférieure à celle du matériau pyroélectrique. Dans cette configuration, outre l’augmentation de la rigidité du capteur, les portions diélectriques réduisent le phénomène de diathermie au sein du capteur (chaleur passant d’un pixel à un autre de manière non contrôlée), améliorant ainsi la sensibilité du capteur.
Selon une première configuration, chacune des portions diélectriques peut comporter une première face en contact avec la face du substrat et une deuxième face, opposée à la première face, en contact avec la couche de protection. Ainsi, les portions diélectriques peuvent s’étendre le long de toute l’épaisseur des capacités pyroélectriques et peuvent former, avec la couche de protection, une structure rigide encapsulant les capacités pyroélectriques. Cette première configuration permet d’améliorer fortement l’adhérence entre les capacités pyroélectriques et le substrat.
Dans une deuxième configuration, le capteur peut être tel que :
- les électrodes inférieures des pixels sont formées par des premières bandes de matériau électriquement conducteur, chaque première bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes inférieures de tous les pixels d’une même ligne de la matrice de pixels,
- les électrodes supérieures des pixels sont formées par des deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur orientées perpendiculairement aux premières bandes de matériau électriquement conducteur, chaque deuxième bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes supérieures de tous les pixels d’une même colonne de la matrice de pixels,
- les portions diélectriques ont chacune une forme allongée orientée parallèlement aux deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur, c’est-à-dire comportent chacune une plus grande dimension parallèle à la plus grande dimension d’une des deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur, et sont chacune disposée entre deux deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur voisines, ou deux colonnes d’électrodes supérieures voisines.
Dans cette deuxième configuration, les portions diélectriques s’étendent entre les électrodes supérieures et occupent ainsi de plus grands volumes au sein du capteur, assurant une plus grande rigidité du capteur. Une meilleure isolation thermique est également obtenue lorsque la conductivité thermique du matériau des portions diélectriques est inférieure à celle du matériau pyroélectrique.
Dans cette deuxième configuration, de manière avantageuse, chacune des portions diélectriques peut recouvrir des parties des premières bandes de matériau électriquement conducteur disposées entre les pixels. Le contact obtenu dans ce cas entre les portions diélectriques et les parties des premières bandes de matériau électriquement conducteur permet d’améliorer l’adhérence entre les capacités pyroélectriques et le substrat.
De manière avantageuse, les portions diélectriques peuvent être en contact avec des parois latérales des pixels. Ainsi, la taille des portions diélectriques est maximisée du fait que les portions diélectriques occupent une plus grande partie de l’espace disponible entre les pixels. Cette configuration permet donc d’augmenter de manière plus importante la rigidité du capteur et, lorsque la conductivité thermique du matériau des portions diélectriques est inférieure à celle du matériau pyroélectrique, de réduire davantage la diathermie entre les pixels.
De manière avantageuse, la couche de protection et les portions diélectriques peuvent comporter un même matériau diélectrique. Une telle configuration permet de faciliter la réalisation du capteur car la couche de protection et les portions diélectriques peuvent être réalisées par la mise en œuvre d’une ou plusieurs étapes communes. De plus, cette homogénéité des matériaux assurent une meilleure rigidité au capteur.
Les portions diélectriques peuvent comporter au moins un matériau de type acrylique ou époxy ou siloxane. De tels matériaux sont bien adaptés pour former des portions diélectriques assurant un bon renfort mécanique du capteur, c’est-à-dire une bonne rigidité du capteur, ainsi qu’une réduction de la diathermie entre les pixels du fait de leur faible conductivité thermique.
Dans une configuration avantageuse, le matériau diélectrique des portions diélectriques peut incorporer au moins l’un des matériaux de renfort mécanique suivants : fibres de verre, kevlar, charges céramiques. Cette configuration avantageuse permet d’augmenter davantage la rigidité du capteur.
Le matériau diélectrique des portions diélectriques peut être réticulable et présenter des liaisons covalentes entre les atomes de ce matériau. La réticulation d’un tel matériau permet de renforcer la cohésion du matériau et ainsi le durcir.
Les portions diélectriques peuvent comporter au moins un matériau polymère organique et/ou au moins un matériau inorganique de type sol-gel et/ou du SOG (« Spin-On-Glass ») et/ou un matériau céramique de type sol-gel (un matériau organométallique qui, après recuit, crée un réseau semblable à un réseau obtenu par réticulation).
Le SOG peut correspondre au matériau obtenu après un recuit d’une solution liquide contenant du siloxane ou du silicate dans un solvant tel qu’un alcool.
Un matériau de type sol-gel peut être obtenu à partir de précurseurs organométalliques tels que de l’alcoxyde métallique de silicium ou de titane, se trouvant dans des solutions organiques, permettant d’obtenir du SiO2ou du TiO2.
Le matériau polymère organique réticulable peut correspondre à l’un des matériaux suivants : époxy, polyuréthane, acrylique, et/ou le SOG peut correspondre à l’un des matériaux suivants : PMMSQ, MSQ, polyquinoxaline, et/ou le matériau inorganique de type sol-gel peut comporter au moins l’un des composés suivants : Al2O3, TiO2, WO3, SiO2, ZrO2.
Chaque pixel peut comporter en outre une couche diélectrique et une couche électriquement conductrice disposées entre la couche de protection et les portions de matériau pyroélectrique et telles que la couche diélectrique soit disposée entre les électrodes supérieures et la couche électriquement conductrice. Dans un tel capteur, la couche électriquement conductrice joue le rôle de couche de blindage notamment contre les décharges électrostatiques. Du fait que cette couche électriquement conductrice présente une conductivité thermique importante, les portions diélectriques disposées entre les pixels réduisent fortement la diathermie entre les pixels due à cette couche électriquement conductrice.
Dans un premier cas, la couche électriquement conductrice et la couche diélectrique peuvent être disposées entre les électrodes supérieures et les portions de matériau pyroélectrique, la couche de protection étant dans ce cas en contact avec les électrodes supérieures. Dans un deuxième cas, la couche électriquement conductrice et la couche diélectrique peuvent être disposées entre la couche de protection et les électrodes supérieures, la couche de protection étant dans ce cas en contact avec la couche électriquement conductrice.
Le capteur peut être tel que :
- le substrat comprend au moins un matériau plastique, et/ou
- les électrodes inférieures et supérieures comportent au moins l’un des matériaux suivants : argent, or, cuivre, nickel, carbone, graphène, polymère conducteur.
De tels matériaux sont adaptés pour une réalisation au moins partielle du capteur de motif thermique par impression.
Lorsque le substrat comprend au moins un matériau plastique, le renfort mécanique apporté par les portions diélectriques devient particulièrement intéressant en raison de la faible rigidité du substrat.
Le capteur de motif thermique peut être un capteur d’empreinte digitale.
L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un capteur de motif thermique comportant une matrice de pixels, comprenant la mise en œuvre des étapes suivantes :
- réalisation d’électrodes inférieures des pixels sur une face d’un substrat ;
- réalisation d’au moins une couche de matériau pyroélectrique recouvrant les électrodes inférieures et des parties de la face du substrat non recouvertes par les électrodes inférieures ;
- réalisation d’électrodes supérieures des pixels sur la couche de matériau pyroélectrique, chaque pixel comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion de la couche de matériau pyroélectrique disposée entre au moins une des électrodes inférieures et au moins une des électrodes supérieures ;
- réalisation d’ouvertures traversant, entre les pixels, au moins une partie de l’épaisseur de la couche de matériau pyroélectrique ;
- réalisation de portions diélectriques disposées dans les ouvertures et qui comportent un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique ;
- réalisation d’au moins une couche de protection comprenant un matériau diélectrique et recouvrant les pixels telle que, dans chaque pixel, l’électrode supérieure soit disposée entre la couche de protection et la portion de matériau pyroélectrique.
La réalisation des électrodes inférieures et/ou la réalisation des électrodes supérieures et/ou la réalisation de la couche de matériau pyroélectrique peuvent comporter la mise en œuvre de dépôts par impression. Un dépôt par impression correspond par exemple à la réalisation d’un dépôt de matériau par au moins l’une des techniques suivantes : sérigraphie, héliogravure, jet d’encre, flexographie, ou encore gravure offset.
Les étapes peuvent être mises en œuvre selon une première configuration ou selon une deuxième configuration, la première configuration pouvant être telle que :
- le procédé comporte en outre, entre la réalisation de la couche de matériau pyroélectrique et la réalisation des électrodes supérieures, la réalisation d’une couche électriquement conductrice sur la couche de matériau pyroélectrique, puis la réalisation d’une couche diélectrique sur la couche électriquement conductrice,
- les électrodes supérieures sont réalisées sur la couche diélectrique,
- les ouvertures sont réalisées à travers au moins une partie de la couche diélectrique et non à travers la couche électriquement conductrice et la couche de matériau pyroélectrique, ou à travers la couche diélectrique et au moins une partie de la couche électriquement conductrice et non à travers la couche de matériau pyroélectrique, ou à travers la couche diélectrique, la couche électriquement conductrice et au moins une partie de la couche de matériau pyroélectrique, et
- la couche de protection est réalisée sur les électrodes supérieures et des parties de la couche de matériau pyroélectrique non recouvertes par les électrodes supérieures,
la seconde configuration pouvant être telle que :
- le procédé comporte en outre, entre la réalisation des électrodes supérieures et la réalisation de la couche de protection, la réalisation d’une couche diélectrique sur les deuxièmes électrodes et des parties de la couche de matériau pyroélectrique non recouvertes par les deuxièmes électrodes, puis la réalisation d’une couche électriquement conductrice sur la couche diélectrique,
- les ouvertures sont réalisées à travers au moins une partie de la couche électriquement conductrice et non à travers la couche diélectrique et la couche de matériau pyroélectrique, ou à travers la couche électriquement conductrice et au moins une partie de la couche diélectrique et non à travers la couche de matériau pyroélectrique, ou à travers la couche électriquement conductrice, la couche diélectrique et au moins une partie de la couche de matériau pyroélectrique, et
- la couche de protection est réalisée sur la couche électriquement conductrice et les portions diélectriques.
Les ouvertures peuvent être réalisées par gravure laser.
Les éléments décrits dans cette demande 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.
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 :
représentent un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation ;
représentent un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon une première variante du premier mode de réalisation ;
représentent un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon une deuxième variante du premier mode de réalisation ;
représentent un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon un deuxième mode de réalisation ;
représentent des étapes d’un procédé de réalisation d’un capteur de motif thermique, objet de la présente invention, selon le deuxième mode de réalisation.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un capteur de motif thermique 100 est décrit ci-dessous en lien avec les figures 1 à 3 qui représentent des vues en coupe d’une partie du capteur 100 selon un premier mode de réalisation. La figure 1 correspond à une vue en coupe selon un axe AA visible sur la figure 3, la figure 2 correspond à une vue en coupe selon un axe BB visible sur la figure 3, et la figure 3 correspond à une vue en coupe selon un axe CC visible sur les figures 1 et 2.
Le capteur 100 comporte une matrice de pixels 102 réalisée sur un substrat 104, et plus particulièrement sur une première face 105 du substrat 104. Le substrat 104 est ici un substrat souple à base de matériau plastique, comprenant par exemple du polyimide et/ou du PEN (poly(naphtalate d'éthylène)) et/ou du PET (poly(téréphtalate d'éthylène)), sur lequel les différents éléments du capteur 100 (capacités pyroélectriques dans le cas présent) sont réalisés en technologie imprimée.
En variante, il est possible que le substrat 102 ne corresponde pas à un substrat souple à base de matériau plastique, mais corresponde à un substrat rigide tel qu’utilisé classiquement dans la filière microélectronique, comme par exemple un substrat semi-conducteur (silicium, germanium, etc.) ou un substrat de verre ou bien un substrat de saphir.
L’épaisseur du substrat 104 (dimension selon l’axe Z représenté sur les figures 1 à 3) est par exemple égale à environ 125 µm ou plus généralement comprise entre environ 50 µm et 250 µm.
Les pixels 102 du capteur 100 sont disposés en formant une matrice de plusieurs lignes et plusieurs colonnes de pixels 102. Le pas des pixels 102 (distance entre les centres de deux pixels 102 voisins), dans le plan (X,Y) (c'est-à-dire un plan parallèles aux faces principales du substrat 104), est par exemple compris entre environ 50 µm et plusieurs centimètres. 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 100 comporte des moyens de mesure, ou de détection, thermique formés par une capacité pyroélectrique. Chaque capacité pyroélectrique comporte une portion de matériau pyroélectrique 106 disposée entre une électrode inférieure 108 et une électrode supérieure 110.
Le matériau pyroélectrique des portions 106 est ici un copolymère, avantageusement du P(VDF-TrFE) et/ou du PVDF. En variante, les portions 106 peuvent comporter de l’AlN et/ou du PZT et/ou tout autre matériau pyroélectrique adapté pour former une capacité pyroélectrique. L’épaisseur des portions 106 (dimension selon l’axe Z représenté sur les figures 1 à 3) est par exemple égale à environ 3 µm, et par exemple comprise entre environ 2 et 10 µm.
Le matériau pyroélectrique des portions 106 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 BaTiO3, du ZnO, du SBN (oxyde de SrBaNb) ou du SBT (oxyde de SrBaTi). D’autres matériaux pyroélectriques sont possibles, à savoir tous ceux qui produisent des charges électriques en fonction d’un paramètre pyroélectrique.
Les portions 106 de matériau pyroélectrique sont par exemple issues d’une même couche de matériau pyroélectrique. Les portions de matériau pyroélectrique de cette couche qui sont disposées entre les pixels 102 et qui ne font pas partie des pixels 102 (car ces portions ne sont pas disposées entre une électrode inférieure et une électrode supérieure) portent, sur les figures 1 à 3, la référence 109.
Dans chaque pixel 102, l’électrode inférieure 108 et l’électrode supérieure 110 comportent chacune au moins un matériau électriquement conducteur. Les électrodes 108, 110 peuvent comporter de l’argent, de l’or, du cuivre, du nickel, du carbone, du graphène ou encore un polymère conducteur tel que du PEDOT:PSS (poly(3,4-éthylènedioxythiophène). L’épaisseur de chacune des électrodes 108, 110 est par exemple comprise entre environ 0,01 µm et 1 µm, et par exemple égale à 100 nm. L’épaisseur de chacune des électrodes 108, 110 peut être plus importante et être comprise entre environ 0,01 µm et 3 µm.
Les électrodes supérieures 110 sont réalisées par exemple sous la forme de lignes électriquement conductrices parallèles les unes aux autres, et les électrodes inférieures 108 peuvent également être réalisées sous la forme de lignes électriquement conductrices parallèles les unes aux autres et perpendiculaires à celles formant les électrodes supérieures 110. Dans le premier mode de réalisation décrit ici, les électrodes inférieures 108 sont formées par des premières bandes de matériau électriquement conducteur, chaque première bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes inférieures de tous les pixels d’une même ligne de la matrice de pixels 102. En outre, les électrodes supérieures 110 sont formées par des deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur, chaque deuxième bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes supérieures de tous les pixels d’une même colonne de la matrice de pixels 102. Ainsi, les électrodes inférieures 108 et/ou les électrodes supérieures 110 sont par exemple réalisées sous la forme de bandes de matériau électriquement conducteur ayant chacune une largeur égale à environ 40 µm et espacées les unes des autres d’une distance égale à environ 40 µm.
Sur la figure 1, une deuxième bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes supérieures 110 des pixels 102 d’une même colonne de la matrice est représentée en traits pointillés car cette deuxième bande n’est pas disposée dans le plan de coupe de la figure 1. De même, sur la figure 3, des premières bandes de matériau électriquement conducteur formant les électrodes inférieures 108 des pixels 102 de plusieurs lignes de la matrice sont représentées en traits pointillés car ces premières bandes ne se trouvent pas dans le plan de coupe de la figure 3.
Dans chaque pixel 102, l’une des électrodes supérieure et inférieure 108, 110, ici l’électrode supérieure 110, est destinée à être reliée à une potentiel électrique de référence. L’autre électrode, c’est-à-dire ici l’électrode inférieure 108, est destinée à recevoir les charges électriques générées lors de la mesure du motif thermique par le capteur 100.
Lorsque le capteur de motif thermique 100 est apte à réaliser une détection thermique active, en plus des éléments précédemment décrits, le capteur 100 comporte également des éléments chauffants dissipant une certaine quantité de chaleur dans les pixels 102, et notamment dans le matériau pyroélectrique des portions 106. Le ou les matériaux servant à la réalisation du ou des éléments chauffants de chaque pixel 102 peuvent être similaires à ceux mentionnés précédemment pour la réalisation des électrodes 108, 110. En particulier, l’une des couches de matériaux électriquement conducteurs servant à la réalisation des électrodes inférieures 108 ou des électrodes supérieures 110 peut être utilisée pour former les éléments chauffants. De manière avantageuse, les électrodes inférieures 108 ou les électrodes supérieures 110 peuvent servir d’éléments chauffants dans les pixels 102.
Le capteur 100 comporte en outre des portions diélectriques 112 disposées entre les pixels 102.
Dans le premier mode de réalisation décrit ici, les portions diélectriques 112 s’étendent à travers toute l’épaisseur de la couche de matériau pyroélectrique formant les portions 106 et 109, et sont en contact avec le substrat 104. En variante, il est possible que les portions diélectriques 112 ne s’étendent qu’à travers une partie seulement de l’épaisseur de la couche de matériau pyroélectrique. Dans ce cas, du matériau pyroélectrique est présent entre le substrat 104 et les portions diélectriques 112.
En outre, dans ce premier mode de réalisation, les portions diélectriques 112 sont réalisées à travers des parties de la couche de matériau pyroélectrique qui ne sont pas disposées au-dessus des premières bandes électriquement conductrices formant les électrodes inférieures 108 et qui ne sont pas recouvertes par les deuxièmes bandes électriquement conductrices formant les électrodes supérieures 110. De plus, dans ce premier mode de réalisation, les portions diélectriques 112 sont en contact avec des parois latérales des pixels 102.
Sur la figure 2, des portions diélectriques 112 sont représentées en traits pointillés car ces portions diélectriques 112 ne sont pas disposées dans le plan de coupe de la figure 2.
La forme de la section des portions diélectriques 112 dans un plan parallèle aux faces principales du substrat 104 (plan parallèle au plan (X,Y) sur les figures 1 à 3) dépend notamment de la forme des bandes électriquement conductrices formant les électrodes inférieures 108 et les électrodes supérieures 110 qui définissent les emplacements des portions diélectriques 112. Dans l’exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, chaque portion diélectrique 112 a une section, dans le plan du substrat 104, de forme rectangulaire ou carrée. Chaque portion diélectrique 112 a ici une forme de parallélépipède rectangle.
Les portions diélectriques 112 comportent un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique des portions 106 et 109. De manière avantageuse, le matériau diélectrique des portions diélectriques 112 peut être choisi tel que sa dureté soit supérieure ou égale à 2H (correspondant à une valeur de dureté mesurée par la mise en œuvre d’un test de dureté à la rayure), ou supérieure ou égale à 3H, ou de manière encore plus avantageuse supérieure ou égale à 5H ou 6H.
De manière avantageuse, les portions diélectriques 112 comportent au moins un matériau polymère de type acrylique ou époxy ou siloxane. En termes de résistance mécanique, la réalisation des portions diélectriques 112 avec une résine acrylique est avantageuse car une telle résine présente un bon compromis entre flexibilité et dureté.
Le matériau des portions diélectriques 112 peut incorporer au moins l’un des matériaux de renfort mécanique suivants : fibres de verre, kevlar, charges céramiques, ce qui permet d’augmenter davantage la rigidité apportée par les portions diélectriques 112. L’addition de ces matériaux de renfort améliore également les propriétés de résistance au choc et la plasticité obtenue.
De manière avantageuse, le matériau utilisé pour former les portions diélectriques 112 et la couche de protection 114 comporte du pentaerythritol tetraacrylate et du pentaerythritol triacrylate de monomères tri et tetra-fonctionnels.
Le matériau des portions diélectriques 112 peut être réticulable et présenter des liaisons covalentes entre les atomes de ce matériau.
De manière générale, les portions diélectriques 112 peuvent comporter au moins un matériau polymère organique et/ou au moins un matériau inorganique de type sol-gel et/ou du SOG (« Spin-On-Glass ») et/ou un matériau céramique de type sol-gel (un matériau organométallique qui, après recuit, crée un réseau semblable à un réseau obtenu par réticulation).
Le SOG peut correspondre au matériau obtenu après un recuit d’une solution liquide contenant du siloxane ou du silicate dans un solvant tel qu’un alcool.
Un matériau de type sol-gel peut être obtenu à partir de précurseurs organométalliques tels que de l’alcoxyde métallique de silicium ou de titane, se trouvant dans des solutions organiques, permettant d’obtenir du SiO2ou du TiO2.
Le matériau polymère organique réticulable peut correspondre à l’un des matériaux suivants : époxy, polyuréthane, acrylique, et/ou le SOG peut correspondre à l’un des matériaux suivants : PMMSQ, MSQ, polyquinoxaline, et/ou le matériau inorganique de type sol-gel peut comporter au moins l’un des composés suivants : Al2O3, TiO2, WO3, SiO2, ZrO2.
Le matériau des portions diélectriques 112 est préférentiellement choisi tel qu’il ait une conductivité thermique inférieure à celle du matériau pyroélectrique utilisé dans le capteur 100, afin que les portions diélectriques 112 servent à réduire la diathermie au sein du capteur 100.
Les électrodes supérieures 110 ainsi que les portions diélectriques 112 et les parties 109 de matériau pyroélectrique se trouvant à côté des pixels 102 sont recouvertes par une couche de protection 114 comprenant un matériau diélectrique.
Comme le matériau des portions diélectriques 112, le matériau diélectrique de la couche de protection 114 a une dureté supérieure à celle du matériau pyroélectrique des portions 106 et 109. Le matériau diélectrique de la couche de protection 114 peut correspondre à au moins l’un des exemples de matériau précédemment mentionnés pour les portions diélectriques 112. De manière avantageuse, les portions diélectriques 112 et la couche de protection 114 comportent le ou les mêmes matériaux.
Il est également possible que la couche de protection 114 corresponde à une couche laminée de PET ou de tout autre matériau adapté à la réalisation de cette couche 114. D’autres matériaux sont envisageables pour cette couche 114, comme par exemple du polyimide, du PVDF et/ou ses copolymères, du PMMA, etc. Le ou les matériaux utilisés ainsi que l’épaisseur de la couche 114 sont choisis pour obtenir un bon transfert de la chaleur depuis une face avant 116 du capteur 100 vers les capacités pyroélectriques des pixels 102. Ainsi, la couche de protection 114 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 100), ni trop épaisse (pour avoir un transfert de chaleur s’opérant depuis la face avant 116 du capteur 100 vers les capacités pyroélectriques), ni trop fine (l’épaisseur de la couche 114 doit tout de même être suffisante pour que son rôle de protection soit rempli). L’épaisseur de la couche de protection 114 peut être comprise entre environ 1 micron et environ 10 µm, et est par exemple comprise entre environ 3 µm et 5 µm, par exemple égale à environ 5 µm.
La face supérieure 116 de la couche de protection 114 correspond à la surface sur laquelle se trouve l’élément dont le motif thermique est destiné à être détecté, par exemple un doigt dont l’empreinte est destinée à être détectée.
Dans l’exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, chacune des portions diélectriques 112 comporte une première face 118 en contact avec la première face 105 du substrat 104 et une deuxième face 120, opposée à la première face 118, en contact avec la couche de protection 114. De plus, il est possible que la hauteur des portions diélectriques 112 (dimension selon l’axe Z) soit de l’ordre d’une dizaine de microns, ce qui correspond à la hauteur, ou épaisseur, de l’empilement de couches traversé par les portions diélectriques 112.
Un capteur de motif thermique 100 est décrit ci-dessous en lien avec les figures 4 à 6 qui représentent des vues en coupe d’une partie du capteur 100 selon une première variante du premier mode de réalisation. La figure 4 correspond à une vue en coupe selon un axe AA visible sur la figure 6, la figure 5 correspond à une vue en coupe selon un axe BB visible sur la figure 6, et la figure 6 correspond à une vue en coupe selon un axe CC visible sur les figures 4 et 5.
Dans cette première variante du premier mode de réalisation, le capteur 100 comporte tous les éléments précédemment décrits en lien avec les figures 1 à 3. Toutefois, contrairement au capteur 100 précédemment décrit en lien avec les figures 1 à 3 dans lequel les portions diélectriques 112 sont en contact avec des parois latérales des pixels 102, les portions diélectriques 112 du capteur 100 selon cette variante ne sont pas en contact avec les flancs latéraux des pixels 102. Dans cette première variante de réalisation, les sections des portions diélectriques 112, dans un plan parallèle aux faces principales du substrat 104, ont des dimensions inférieures à celles de l’exemple de réalisation précédemment décrit en lien avec les figures 1 à 3. Le reste du volume se trouvant entre les pixels 102 et qui n’est pas occupé par les portions diélectriques 112 est occupé par les portions 109 de matériau pyroélectrique qui ne font pas partie des pixels 112.
Un capteur de motif thermique 100 est décrit ci-dessous en lien avec les figures 7 à 9 qui représentent des vues en coupe d’une partie du capteur 100 selon une deuxième variante du premier mode de réalisation. La figure 7 correspond à une vue en coupe selon un axe AA visible sur la figure 9, la figure 8 correspond à une vue en coupe selon un axe BB visible sur la figure 9, et la figure 9 correspond à une vue en coupe selon un axe CC visible sur les figures 7 et 8.
Dans cette deuxième variante du premier mode de réalisation, le capteur 100 comporte tous les éléments précédemment décrits en lien avec les figures 1 à 3. Toutefois, contrairement au capteur 100 précédemment décrit en lien avec les figures 1 à 3 dans lequel les portions diélectriques 112 sont localisées à des emplacements qui se trouvent à côté des bandes électriquement conductrices formant les électrodes inférieures 108 et supérieures 110, les portions diélectriques 112 du capteur 100 selon cette deuxième variante ont chacune une forme allongée et sont chacune disposée telle qu’elle s’étende entre deux colonnes d’électrodes supérieures 110. Dans cette deuxième variante de réalisation, les portions diélectriques 112 recouvrent en outre les parties des premières bandes de matériau électriquement conducteur disposées entre les pixels 102.
Un capteur de motif thermique 100 est décrit ci-dessous en lien avec les figures 10 à 12 qui représentent des vues en coupe d’une partie du capteur 100 selon un deuxième mode de réalisation. La figure 10 correspond à une vue en coupe selon un axe AA visible sur la figure 12, la figure 11 correspond à une vue en coupe selon un axe BB visible sur la figure 12, et la figure 12 correspond à une vue en coupe selon un axe CC visible sur les figures 10 et 11.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le capteur 100 comporte tous les éléments précédemment décrits en lien avec les figures 1 à 3.
Le capteur 100 selon ce deuxième mode de réalisation comporte en outre une couche électriquement conductrice 122 et une couche diélectrique 124 disposées entre la couche de protection 114 et la couche servant à former les portions de matériau pyroélectriques 106, 109. La couche électriquement conductrice 122 est disposée entre la couche de matériau pyroélectrique et la couche diélectrique 124 qui sert à isoler électriquement la couche électriquement conductrice 122 vis-à-vis des électrodes supérieures 110.
La couche électriquement conductrice 122 correspond par exemple à du PEDOT:PSS et a une épaisseur par exemple égale à 1 µm. L’épaisseur de la couche diélectrique 124 est par exemple comprise entre 0,1 µm et 5 µm, et est de préférence égale à environ 1,5 µm. La couche diélectrique 124 comporte, par exemple, du polyimide.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la couche électriquement conductrice 122 sert de couche de blindage et permet de protéger le capteur 100 notamment vis-à-vis des décharges ESD.
La couche électriquement conductrice 122 et la couche diélectrique 124 sont traversées par les portions diélectriques 112.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la réduction de la diathermie obtenue grâce aux portions diélectriques 112 est encore plus importante du fait que la couche électriquement conductrice 122 a naturellement une conduction thermique importante qui est ici fortement réduite grâce à la présence des portions diélectriques 112 qui traverse la couche électriquement conductrice 122.
Selon une variante du deuxième mode de réalisation, il est possible que la couche électriquement conductrice 122 ne soit pas disposée à un niveau situé entre les électrodes inférieures 108 et les électrodes supérieures 110, mais soit disposée au-dessus des électrodes supérieures 110 telles que les électrodes supérieures 110 soient disposées à un niveau situé entre les électrodes inférieures 108 et la couche électriquement conductrice 122. Dans ce cas, la couche diélectrique 124 recouvre les électrodes supérieures 110 pour assurer l’isolation électrique entre les électrodes supérieures 110 et la couche électriquement conductrice 122.
Les deux variantes précédemment décrites pour le premier mode de réalisation peuvent s’appliquer à ce deuxième mode de réalisation. Lorsque la deuxième variante est appliquée à ce deuxième mode de réalisation, la couche électriquement conductrice 122 se retrouve fractionnée en plusieurs portions électriquement conductrices disjointes séparées par le matériau des portions diélectriques 112. Dans ce cas, ces portions électriquement conductrices disjointes sont toutes reliées entre elles par une autre portion conductrice se trouvant à côté de la matrice de pixels 102, ce qui permet d’appliquer un même potentiel électrique (par exemple la masse) à toutes ces portions électriquement conductrices disjointes.
De manière avantageuse, le capteur 100 correspond à un capteur réalisé 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.
Un exemple de procédé de fabrication du capteur de motif thermique 100 est décrit ci-dessous en lien avec les figures 13 à 15. Sur ces figures, le capteur 100 réalisé correspond à celui décrit ci-dessus en lien avec le deuxième mode de réalisation. De plus, ces figures correspondent à des vues en coupe selon l’axe AA visible sur la figure 12.
Le capteur est réalisé à partir du substrat 104. Le matériau du substrat 104 (verre, semi-conducteur, plastique, etc.) est choisi selon la technologie avec laquelle les différents éléments du capteur 100 sont réalisés. Le substrat 104 est tout d’abord nettoyé afin d’éliminer les résidus organiques présents sur celui-ci. Le type de nettoyage mis en œuvre est fonction du matériau du substrat 104.
La deuxième étape consiste à former, sur la face avant 105 du substrat 104, les électrodes inférieures 108, par exemple par impression d’une encre électriquement conductrice (par exemple sérigraphie, pulvérisation (« spray » en anglais) ou par jet d’encre). En variante, les électrodes inférieures 108 peuvent être formées par un dépôt d’une première couche électriquement conductrice, par exemple métallique, à partir de laquelle les électrodes inférieures 108 sont réalisées par photolithographie et gravure de cette première couche. Par exemple, pour la réalisation d’électrodes inférieures 108 comportant de l’or, ces électrodes inférieures 108 sont formées en réalisant un dépôt d’une couche d’or ayant une épaisseur par exemple égale à environ 100 nm, cette couche étant ensuite soumise à une photolithographie puis gravée pour former les électrodes inférieures 108.
Le matériau pyroélectrique destiné à former les portions 106 est ensuite déposé, par exemple par impression, sur les électrodes inférieures 108 et les parties de la face 105 du substrat 104 non recouvertes par les électrodes inférieures 108 sous la forme d’une couche 126.
La couche électriquement conductrice 122 est ensuite déposée sur la couche 126 de matériau pyroélectrique, puis la couche diélectrique 124 est déposée sur la couche électriquement conductrice 122.
Les électrodes supérieures 110 sont ensuite déposées, par exemple par impression, comme précédemment décrit pour les électrodes inférieures 108. La structure obtenue à ce stade du procédé est représentée sur la figure 13.
Des ouvertures 128 sont ensuite réalisées à travers les couches 122, 124 et 126, formant des emplacements des portions diélectriques 112 (voir figure 14). Les dimensions et la forme des ouvertures 128 dépendent des dimensions et de la forme des portions diélectriques 112 destinées à être réalisées.
Les ouvertures 128 sont par exemple réalisées par gravure laser. Cette gravure laser peut être mise en œuvre avec un laser YAG de longueur d’onde égale à 1054 nm. Le type de laser utilisé dépend de la nature des matériaux à graver. Il convient de noter que la gravure laser laisse généralement de défauts au niveau des bords gravés. Ces défauts ne sont toutefois pas préjudiciables car ils seront recouverts par la couche de protection 114.
Sur l’exemple de la figure 14, les ouvertures 128 sont réalisées à travers toute l’épaisseur des couches 122, 124 et 126, les portions diélectriques 112 étant dans ce cas destinées à être en contact avec la face 105 du substrat 104. En variante, selon la hauteur souhaitée pour les portions diélectriques 112, les ouvertures 128 peuvent être réalisées à travers au moins une partie de la couche diélectrique 124 et non à travers la couche électriquement conductrice 122 et la couche de matériau pyroélectrique 126, ou à travers la couche diélectrique 124 et au moins une partie de la couche électriquement conductrice 122 et non à travers la couche de matériau pyroélectrique 126, ou à travers la couche diélectrique 124, la couche électriquement conductrice 122 et une partie de la couche de matériau pyroélectrique 126.
Les portions diélectriques 112 sont ensuite réalisées dans les ouvertures 128. Lorsque les portions diélectriques 112 et la couche de protection 114 comportent un même matériau, la couche de protection 114 peut être formée par la mise en œuvre d’étapes communes avec celles formant les portions diélectriques 112, comme c’est le cas sur la figure 15.
Lorsque le matériau diélectrique des portions diélectriques 112, et éventuellement de la couche de protection 114, est réticulable, correspondant par exemple à un polymère, ce matériau est déposé puis réticulé, par exemple par recuit(s), afin de former les portions diélectriques 112 et éventuellement la couche de protection 114. Le dépôt mis en œuvre correspond par exemple à un dépôt par enduction centrifuge, ou « spin coating ».
Deux types de procédés chimiques peuvent être mis en œuvre pour réticuler et durcir le ou les matériaux formant les portions diélectriques 112 et/ou la couche de protection 114 : la réticulation thermique et la photo-réticulation.
La réticulation thermique a pour avantage d’être l'un des moyens les plus efficaces pour polymériser les films durs. En effet, l'énergie d'activation de l'amorceur se présente sous forme de chaleur. Le procédé consiste donc à chauffer un mélange amorceur/polymère à une température à laquelle l’amorceur se décompose et enclenche la réticulation du système.
La photo-réticulation est l'une des voies les plus rapides et les plus économiques pour polymériser des résines. Elle permet de transformer un matériau liquide en un matériau dur faiblement ou fortement réticulé. L'activation photochimique se fait généralement par une irradiation dans le domaine UV après l’ajout d’un photo-amorceur aux monomères. Les espèces réactives du photo-amorceur générées par l'irradiation vont réagir avec le monomère multifonctionnel. A la suite de l'activation du photo-amorceur, et en fonction des espèces actives générées, deux types de photo-réticulation peuvent être définis :
- une photo-réticulation radicalaire quand les espèces actives générées sont des radicaux libres capables de réagir avec le monomère de base. Cela concerne par exemple les monomères ayant des doubles liaisons ou un cycle pouvant s'ouvrir par réaction avec un radical actif, comme notamment les acrylates, les méthacrylates, les polyesters insaturés et les polymères téléchéliques possédant des structures polyuréthane, polyester, polyéther, époxy ou polysiloxane.
- une photo-réticulation cationique quand les espèces actives générées ont des cations possédant des temps de vie suffisamment longs pour permettre la formation de produits de masse molaire élevée. Les monomères adaptés pour ce type de polymérisation sont par exemple les époxydes et les éthers vinyliques.
Lorsque le matériau de la couche de protection 114 est différent de celui des portions diélectriques 112, la couche de protection 114 est alors réalisée après les portions diélectriques 112.
Lorsque les électrodes supérieures 110 sont disposées entre les électrodes inférieures 108 et la couche électriquement conductrice 122, les ouvertures 128 peuvent être réalisées à travers au moins une partie de la couche électriquement conductrice 122 et non à travers la couche diélectrique 124 et la couche de matériau pyroélectrique 126, ou à travers la couche électriquement conductrice 122 et au moins une partie de la couche diélectrique 124 et non à travers la couche de matériau pyroélectrique 126, ou à travers la couche électriquement conductrice 122, la couche diélectrique 124 et au moins une partie de la couche de matériau pyroélectrique 126.
Dans les différents exemples décrits précédemment, le capteur de motif thermique 100 est utilisé en tant que détecteur d’empreinte digitale. Toutefois, le capteur 100 peut être utilisé pour former un capteur d’empreinte palmaire, notamment lorsque le capteur 100 a des dimensions importantes et est réalisé par impression sur un substrat souple. Le capteur 100 peut également être adapté pour réaliser une détection de motifs thermiques autres que des empreintes digitales, du fait que chaque pixel 102 du capteur 100 lit la capacité calorifique placée au-dessus de lui et cela quelle que soit la nature du motif thermique. La réalisation des portions diélectriques 112 au sein du capteur 100 est particulièrement adaptée pour des capteurs 100 tels que la distance entre la surface supérieure 116 du capteur 100 et les pixels 102 est plus grande que la distance entre deux pixels 102 voisins. Il est préférable que la distance entre la surface supérieure 116 du capteur 100 et les capacités pyroélectriques des pixels 102 ne soit pas inférieure à environ 10 fois le pitch (distance entre deux pixels 102 voisins) des pixels 102. Par exemple, pour un capteur 100 dont le pitch est compris entre environ 50 microns et 80 microns, il est préférable que la distance entre la surface supérieure 116 du capteur 100 et les capacités pyroélectriques des pixels 102 soit supérieure à environ 10 µm.
De plus, le capteur de motif thermique 100 peut également servir à la réalisation d’un imageur infrarouge non refroidi. Les pixels 102 du capteur 100 sont dans ce cas intégrés sur un circuit intégré de type CCD ou CMOS collectant les charges électriques générées par le capteur 100. Un tel imageur comporte en outre une lentille infrarouge filtrant la lumière arrivant sur le capteur 100. Afin que le capteur 100 puisse être soumis à une différence de températures (nécessaire compte tenu de la mesure réalisée par les capacités pyroélectriques), l’imageur comporte un dispositif permettant successivement de bloquer la lumière infrarouge arrivant sur le capteur 100 puis de laisser passer cette lumière. Un tel dispositif peut correspondre à un « chopper », c’est-à-dire une roue munie d’un trou et tournant devant le capteur 100. Un élément absorbeur peut être ajouté sur le matériau pyroélectrique afin d’améliorer l’absorption du rayonnement infrarouge reçu.
Claims (15)
- Capteur (100) de motif thermique comportant :
- une matrice de pixels (102) disposée sur une face (105) d’un substrat (104), chaque pixel (102) comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion (106) de matériau pyroélectrique disposée entre au moins une électrode inférieure (108) et au moins une électrode supérieure (110), l’électrode inférieure (108) étant disposée entre le substrat (104) et la portion (106) de matériau pyroélectrique,
- une couche de protection (114) comprenant un matériau diélectrique et recouvrant les pixels (102), et telle que, dans chaque pixel (102), l’électrode supérieure (110) soit disposée entre la couche de protection (114) et la portion (106) de matériau pyroélectrique,
- des portions diélectriques (112) disposées entre les pixels (102), s’étendant entre la face (105) du substrat (104) et la couche de protection (114) et qui comportent un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique. - Capteur (100) selon la revendication 1, dans lequel la dureté Shore A du matériau diélectrique des portions diélectriques est supérieure ou égale à 40.
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la conductivité thermique du matériau diélectrique des portions diélectriques (112) est inférieure à celle du matériau pyroélectrique.
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chacune des portions diélectriques (112) comporte une première face (118) en contact avec la face (105) du substrat (104) et une deuxième face (120), opposée à la première face (118), en contact avec la couche de protection (114).
- Capteur (100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel :
- les électrodes inférieures (108) des pixels (102) sont formées par des premières bandes de matériau électriquement conducteur, chaque première bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes inférieures (108) de tous les pixels (102) d’une même ligne de la matrice de pixels (102),
- les électrodes supérieures (110) des pixels (102) sont formées par des deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur orientées perpendiculairement aux premières bandes de matériau électriquement conducteur, chaque deuxième bande de matériau électriquement conducteur formant les électrodes supérieures (110) de tous les pixels (102) d’une même colonne de la matrice de pixels (102),
- les portions diélectriques (112) ont chacune une forme allongée et sont chacune disposée entre deux deuxièmes bandes de matériau électriquement conducteur voisines. - Capteur (100) selon la revendication 5, dans lequel chacune des portions diélectriques (112) recouvre des parties des premières bandes de matériau électriquement conducteur disposées entre les pixels (102).
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les portions diélectriques (112) sont en contact avec des parois latérales des pixels (102).
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de protection (114) et les portions diélectriques (112) comportent un même matériau diélectrique.
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les portions diélectriques (112) comportent au moins un matériau de type acrylique ou époxy ou siloxane.
- Capteur (100) selon la revendication 9, dans lequel le matériau diélectrique des portions diélectriques (112) incorpore au moins l’un des matériaux de renfort mécanique suivants : fibres de verre, kevlar, charges céramiques.
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque pixel (102) comporte en outre une couche diélectrique (124) et une couche électriquement conductrice (122) disposées entre la couche de protection (114) et les portions (106) de matériau pyroélectrique et telles que la couche diélectrique (124) soit disposée entre les électrodes supérieures (110) et la couche électriquement conductrice (122).
- Capteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel :
- le substrat (104) comprend au moins un matériau plastique, et/ou
- les électrodes inférieures et supérieures (108, 110) comportent au moins l’un des matériaux suivants : argent, or, cuivre, nickel, carbone, graphène, polymère conducteur. - Capteur (100) de motif thermique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit capteur (100) de motif thermique est un capteur d’empreinte digitale.
- Procédé de réalisation d’un capteur (100) de motif thermique comportant une matrice de pixels (102), comprenant la mise en œuvre des étapes suivantes :
- réalisation d’électrodes inférieures (108) des pixels (102) sur une face (105) d’un substrat (104) ;
- réalisation d’au moins une couche de matériau pyroélectrique (126) recouvrant les électrodes inférieures (108) et des parties de la face (105) du substrat (104) non recouvertes par les électrodes inférieures (108) ;
- réalisation d’électrodes supérieures (110) des pixels (102) sur la couche de matériau pyroélectrique (126), chaque pixel (102) comprenant au moins une capacité pyroélectrique formée par au moins une portion (106) de la couche de matériau pyroélectrique (126) disposée entre au moins une des électrodes inférieures (108) et au moins une des électrodes supérieures (110) ;
- réalisation d’ouvertures (128) traversant, entre les pixels (102), au moins une partie de l’épaisseur de la couche de matériau pyroélectrique (126) ;
- réalisation de portions diélectriques (112) disposées dans les ouvertures (128) et qui comportent un matériau diélectrique dont la dureté est supérieure à celle du matériau pyroélectrique ;
- réalisation d’au moins une couche de protection (114) comprenant un matériau diélectrique et recouvrant les pixels (102) telle que, dans chaque pixel (102), l’électrode supérieure (110) soit disposée entre la couche de protection (114) et la portion (106) de matériau pyroélectrique. - Procédé selon la revendication 14, dans lequel les étapes sont mises en œuvre selon une première configuration ou selon une deuxième configuration, la première configuration étant telle que :
- le procédé comporte en outre, entre la réalisation de la couche (126) de matériau pyroélectrique et la réalisation des électrodes supérieures (110), la réalisation d’une couche électriquement conductrice (122) sur la couche de matériau pyroélectrique (126), puis la réalisation d’une couche diélectrique (124) sur la couche électriquement conductrice (122),
- les électrodes supérieures (110) sont réalisées sur la couche diélectrique (124),
- les ouvertures (128) sont réalisées à travers au moins une partie de la couche diélectrique (124) et non à travers la couche électriquement conductrice (122) et la couche de matériau pyroélectrique (126), ou à travers la couche diélectrique (124) et au moins une partie de la couche électriquement conductrice (122) et non à travers la couche de matériau pyroélectrique (126), ou à travers la couche diélectrique (124), la couche électriquement conductrice (122) et au moins une partie de la couche de matériau pyroélectrique (126), et
- la couche de protection (114) est réalisée sur les électrodes supérieures (110) et des parties de la couche de matériau pyroélectrique (126) non recouvertes par les électrodes supérieures (110),
la seconde configuration étant telle que :
- le procédé comporte en outre, entre la réalisation des électrodes supérieures (110) et la réalisation de la couche de protection (114), la réalisation d’une couche diélectrique (124) sur les deuxièmes électrodes (110) et des parties de la couche de matériau pyroélectrique (126) non recouvertes par les deuxièmes électrodes (110), puis la réalisation d’une couche électriquement conductrice (122) sur la couche diélectrique (124),
- les ouvertures (128) sont réalisées à travers au moins une partie de la couche électriquement conductrice (122) et non à travers la couche diélectrique (124) et la couche de matériau pyroélectrique (126), ou à travers la couche électriquement conductrice (122) et au moins une partie de la couche diélectrique (124) et non à travers la couche de matériau pyroélectrique (126), ou à travers la couche électriquement conductrice (122), la couche diélectrique (124) et au moins une partie de la couche de matériau pyroélectrique (126), et
- la couche de protection (114) est réalisée sur la couche électriquement conductrice (124) et les portions diélectriques (112).
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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