FR3107989A1 - Capteur de motif thermique dont la couche de protection surfacique presente une conduction thermique anisotrope - Google Patents
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/02—Elements
- C08K3/04—Carbon
- C08K3/041—Carbon nanotubes
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 (200) comprenant une couche (201) polymérique maintenant un tapis de micropiliers métalliques (202) thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, alignés perpendiculairement au pixel (102). Figure pour l’abrégé : 2
Description
L’invention se rapporte à un capteur de motif thermique dont la couche de protection présente une conduction thermique anisotrope.
L’invention concerne également un procédé pour fabriquer un capteur de motif thermique comprenant une telle couche de protection.
L’invention concerne également un procédé pour fabriquer un dispositif pouvant jouer le rôle de couche de protection pour un capteur de motif thermique.
L’invention concerne également un tel dispositif. L’invention trouve des applications dans de nombreux domaines, et en particulier, dans le domaine des capteurs, des dissipateurs de chaleur ou des absorbeurs.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
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 4394773, US4429413 et US6289114. 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 2385486 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, du SBN (oxyde de Sr-Ba-Nb) ou du SBT (oxyde de Sr-Ba-Ti). 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.
Cependant, dans la couche de protection, on observe souvent des phénomènes de conduction thermique horizontale, ce qui limite les performances du capteur.
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 bonne conduction thermique verticale et une faible conduction thermique horizontale au niveau de la couche de protection surfacique.
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 maintenant un tapis de micropiliers métalliques, thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, alignés perpendiculairement au pixel, les micropiliers métalliques ayant une première extrémité et une deuxième extrémité, la deuxième extrémité étant positionnée en regard de l’élément chauffant.
- 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 maintenant un tapis de micropiliers métalliques, thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, alignés perpendiculairement au pixel, les micropiliers métalliques ayant une première extrémité et une deuxième extrémité, la deuxième extrémité étant positionnée en regard de l’élément chauffant.
L’invention se distingue fondamentalement de l’art antérieur par la présence d’un tapis de micropiliers métalliques thermiquement conducteurs dans la couche de protection. Les micropiliers métalliques, alignés perpendiculairement au pixel, permettent d’améliorer la conduction thermique verticale tout en limitant la conduction thermique horizontale.
Par micropiliers, on entend des piliers de dimensions micrométrique, c’est-à-dire dont la plus grande dimension est inférieure à un millimètre et supérieure à 1µm. Les micropiliers métalliques sont de préférence des nanotubes de carbone.
Une telle structure permet de limiter la diathermie tout en améliorant la résistance du circuit à l’abrasion et de protéger le dispositif contre les rayures.
Avantageusement, le premier matériau polymère est un époxyde, un polysiloxane ou un (méth)acrylate, ce qui confère de bonnes propriétés de résistance mécanique à la couche de protection. De préférence, le premier matériau est un (méth)acrylate pour avoir à la fois de bonnes propriétés ) la fois en terme de dureté et de flexibilité.
Selon une première variante de réalisation avantageuse, la première extrémité des micropiliers métalliques dépasse de la première couche. La conduction thermique verticale est ainsi améliorée puisque l’objet à détecter est directement en contact avec les micropiliers thermiques.
Selon une autre variante de réalisation avantageuse, la première couche enrobe complètement le tapis de micropiliers métalliques. Une telle couche présente de bonnes propriétés mécaniques.
Avantageusement, la couche de protection comprend une deuxième couche en un deuxième matériau polymère disposée entre l’élément chauffant et la première couche, la deuxième couche maintenant la deuxième extrémité des micropiliers métalliques.
Avantageusement, le deuxième matériau polymère est un époxyde ou un (méth)acrylate. Le deuxième matériau polymère peut être identique ou différent du premier matériau polymère.
Selon une variante avantageuse de réalisation, les micropiliers métalliques sont métallisés et/ou fonctionnalisés par des nanoparticules métalliques. La conduction thermique peut ainsi être améliorée.
Selon une autre variante avantageuse de réalisation, les micropiliers métalliques sont recouverts par une couche d’oxyde métallique, pour éviter/limiter la conduction thermique selon un plan horizontal (i.e. parallèle à l’empilement des différents éléments du pixel).
L’invention concerne également un procédé pour fabriquer un tapis de micropiliers métalliques maintenus par une couche polymériquecomprenant les étapes suivantes :
- fournir un premier substrat, par exemple en silicium, recouvert par un tapis de micropiliers métalliques alignés thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, les micropiliers métalliques comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, les micropiliers métalliques étant fixés sur le premier substrat par leur première extrémité,
- déposer sur un deuxième substrat une solution contenant un solvant et les précurseurs d’un premier matériau polymère ou le premier matériau polymère dissous,
- positionner la première extrémité des micropiliers métalliques dans la solution, faire évaporer le solvant et, éventuellement, polymériser les précurseurs du premier matériau polymère, moyennant quoi la première extrémité des micropiliers métalliques est maintenue dans une première couche en un premier matériau polymère,
- séparer la première couche du deuxième substrat,
- séparer le tapis de micropiliers métalliques alignés thermiquement conducteurs du premier substrat, moyennant quoi on obtient un dispositif comprenant un tapis de micropiliers métalliques maintenus par une couche polymérique.
- fournir un premier substrat, par exemple en silicium, recouvert par un tapis de micropiliers métalliques alignés thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, les micropiliers métalliques comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, les micropiliers métalliques étant fixés sur le premier substrat par leur première extrémité,
- déposer sur un deuxième substrat une solution contenant un solvant et les précurseurs d’un premier matériau polymère ou le premier matériau polymère dissous,
- positionner la première extrémité des micropiliers métalliques dans la solution, faire évaporer le solvant et, éventuellement, polymériser les précurseurs du premier matériau polymère, moyennant quoi la première extrémité des micropiliers métalliques est maintenue dans une première couche en un premier matériau polymère,
- séparer la première couche du deuxième substrat,
- séparer le tapis de micropiliers métalliques alignés thermiquement conducteurs du premier substrat, moyennant quoi on obtient un dispositif comprenant un tapis de micropiliers métalliques maintenus par une couche polymérique.
Ce procédé est simple à mettre en œuvre.
L’invention concerne également un dispositif obtenu par un tel procédé. Le dispositif comprenant et, de préférence, constitué d’une première couche en un premier matériau polymère maintenant un tapis de micropiliers métalliques alignés et thermiquement conducteurs.
Un tel dispositif peut être facilement reporté sur un substrat d’intérêt et est intéressant pour de nombreuses applications: pour la fabrication de bio-capteurs ou de capteurs chimique, par exemple de capteur de gaz, de dispositifs électroniques, de jauges de contrainte/déformation, pour la filtration, d’une manière générale pour fabriquer des matériaux composites nécessitant une conductivité thermique ou électrique anisotrope, et en particulier pour la fabrication de capteur de motif thermique ou encore de dissipateur/absorbeur de chaleur.
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) report d’un dispositif comprenant une première couche en un premier matériau polymère maintenant un tapis de micropiliers métalliques thermiquement conducteurs, les micropiliers métalliques comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, la deuxième extrémité des micropiliers métalliques étant disposée en regard de l’élément chauffant, les micropiliers étant alignés perpendiculairement au pixel, moyennant quoi on forme une couche de protection sur le capteur de motif thermique.
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) report d’un dispositif comprenant une première couche en un premier matériau polymère maintenant un tapis de micropiliers métalliques thermiquement conducteurs, les micropiliers métalliques comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, la deuxième extrémité des micropiliers métalliques étant disposée en regard de l’élément chauffant, les micropiliers étant alignés perpendiculairement au pixel, moyennant quoi on forme une couche de protection sur le capteur de motif thermique.
Avantageusement, entre l’étape e) et l’étape f), on forme une deuxième couche en un deuxième matériau polymère entre l’élément chauffant et le tapis de micropiliers métalliques, la deuxième couche en un deuxième matériau polymère maintenant la deuxième extrémité des micropiliers métalliques. Une telle couche facilite le report des micropiliers métalliques et leur tenue mécanique sur l’élément chauffant.
Ce procédé est particulièrement avantageux puisqu’avec une simple étape de report, on obtient un pixel ayant une couche de protection dont les propriétés de conduction thermique sont anisotropes. La couche de protection est fabriquée ex situ, ce qui permet d’utiliser de larges gammes de températures et/ou réactifs chimiques sans risquer de détériorer le capteur de motif thermique.
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.
En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation, tels que « dessus », «dessous », etc. d’une structure s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée sur les figures.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Par la suite, même si la description fait, plus particulièrement référence à un capteur de motif thermique de technologie imprimée, l’invention est transposable aux technologies, silicium, ou encore de transistors en couche mince (TFT pour «Thin Film Transistor») sur verre.
On se réfère aux figures 1A à 1D qui représentent une vue en coupe d’un pixel 102 ou d’une partie d’un pixel 102 d’un capteur de motif thermique 100, 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), de l’AlN, du SBT(oxyde de Sr Ba Ti) ou du SBN (oxyde de Sr Ba Nb).
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 3µm, 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 700nm. 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 5mW/pixel dans le cas de pixels ayant des côtés de dimension égale à environ 50µm (comme c’est le cas pour un capteur d’empreinte digitale standard de résolution égale à 500 dpi).
La couche de protection 200:
Les éléments chauffants 114 ainsi que les parties de la couche diélectrique 112 sur lesquelles les éléments chauffants 114 ne sont pas présents sont recouverts par une couche de protection 200.
Comme représenté sur les figures 1A à 1D, la couche de protection 200 comprend une première couche 201 en un premier matériau polymère enrobant au moins partiellement un tapis de micropiliers métalliques 202. Les micropiliers métalliques 202 sont thermiquement conducteurs. Ils ont une première extrémité et une deuxième extrémité, séparées par une partie centrale. La première extrémité est orientée vers la face avant du pixel 102 et la deuxième extrémité est orientée vers le substrat 104. Les micropiliers 202 sont alignés les uns avec les autres de manière à former un tapis. Ils sont alignés perpendiculairement à l’épaisseur de la première couche 201 en premier matériau polymère. L’épaisseur correspond à la dimension de plus faible dimension de la couche 201.
La première couche 201 en premier matériau polymère peut enrober partiellement les micropiliers métalliques 202 (figure 1A, 1B, 1C).
La première couche 201 en premier matériau polymère peut enrober complètement les micropiliers métalliques 202 (figure 1D).
La première extrémité peut être recouverte par la première couche 201 en premier matériau (figure 1A).
La première extrémité peut dépasser de la première couche en premier matériau de manière à être en contact avec la peau d’un doigt 300 par exemple (figure 1B).
Selon un mode de réalisation préféré, la deuxième extrémité des micropiliers métalliques est maintenue par une deuxième couche 203 en un deuxième matériau polymère (figures 1A et 1C). La deuxième couche 203 est disposée sur, et de préférence, en contact avec l’élément chauffant 114.
La disposition de la première couche 201 et de la deuxième couche 203 peut être choisie de manière à laisser libre la partie centrale des micropiliers métalliques (figure 1A).
De préférence, les micropiliers 202 sont complètement enrobés soit par la première couche 201 soit par la première couche 201 et la deuxième couche 203 pour enrober complètement, à elles deux, les micropiliers 202. Ces modes de réalisation permettent de renforcer la tenue mécanique de la couche de protection 200.
Le premier matériau polymère et/ou le deuxième matériau polymère sont, avantageusement, des polymères dit «hardcoat» (HC), et de préférence des polymères de type (méth)acrylate, polysiloxane ou polyépoxyde (époxy). Ces polymères sont compatibles avec les techniques d’impressions et répondent aux critères recherchés pour une couche de protection 200.
Il peut s’agir d’homo-polymère ou de copolymère.
En termes de résistance mécanique, les meilleurs candidats sont les résines acryliques car elles présentent un bon compromis entre flexibilité et dureté. 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.
Le premier matériau polymère et le deuxième matériau polymère peuvent être identiques ou différents.
La première couche 201 de matériau polymère a une épaisseur allant de 10µm à 100µm, et de préférence de 25µm à 50µm.
La deuxième couche 203 de matériau polymère a une épaisseur allant de 10µm à 100µm, et de préférence de 25µm à 50µm.
Des matériaux de renforts peuvent être incorporés dans la première couche 201 et/ou la deuxième couche 203. Il peut s’agir de fibres de verre, de carbone, de poly(p-phénylènetéréphtalamide) (PPD-T, commercialisé sous la dénomination Kevlar) ou encore des charges céramiques (SiO2). L’addition de ces éléments modifie les propriétés de résistance au choc et la plasticité des matériaux.
Comme représenté sur les figures 1A à 1D, les micropiliers métalliques 202 sont lignés perpendiculairement au pixel 102 (i.e. aux différentes couches formant le pixel 102).
La densité de micropiliers métalliques 202 va, par exemple, de 100 tubes par 2500nm2à 100 tubes par 100nm2.
Les micropiliers métalliques 202 sont, de préférence, en carbone, par exemple en graphène. De préférence, les micropiliers 202 sont des nanotubes de carbone.
Selon une autre variante de réalisation, ils peuvent être en un métal, un métalloïde ou un de leurs alliages. Par exemple, on pourra utiliser du nickel, de l’argent et/ou du cuivre.
Les micropiliers métalliques 202 peuvent être métallisés partiellement ou complètement. Par exemple, on pourra réaliser des micropiliers en Ag ou Ni recouverts par une couche métallique de Au ou de Cu. La métallisation peut améliorer la conductivité thermique.
Les micropiliers métalliques 202 peuvent être fonctionnalisés, de préférence, avec des nanoparticules métalliques. A titre illustratif, on peut réaliser des micropiliers en Ag. recouverts par des nanoparticules de Au et également ils peuvent être non recouvert. Les nanoparticules ont, par exemple, une plus grande dimension allant de 3 à 100nm. Il peut également s’agir de particules en graphène.
Selon une autre variante de réalisation, les micropiliers métalliques 202 sont recouverts, partiellement ou complètement, par une couche électriquement isolante. Il s’agit, par exemple, d’une couche d’oxyde métallique. Il pourrait également d’une couche de polymère différent du premier et du deuxième matériau des première 201 et deuxième 203 couches. Il peut s’agir d’une couche de silane, d’une couche de polysilane ou de polysilsesquioxane (comme le polyméthylsilsesquioxane ou PMSQ). La couche électriquement isolante a, par exemple, une épaisseur allant de 5nm à 100nm. Cette couche limite ou évite la conduction thermique entre deux micropiliers thermiques adjacents. Par exemple, la couche électriquement isolante peut être obtenue en recouvrant les micro-piliers en les trempant dans une solution de silane ou poly-silane dilué juste après l’étape de croissance.
Les micropiliers métalliques 202 peuvent être pleins ou creux.
Le diamètre moyen des micropiliers métalliques 202 est, avantageusement, inférieur à 200nm. De préférence, le diamètre va de 3nm à 200nm, plus préférentiellement de 10nm à 200nm, plus préférentiellement de 15nm à 200nm, encore plus préférentiellement de 20nm à 80nm et de manière encore plus préférentielle de 40nm à 80nm. La longueur moyenne des micropiliers 202 est, avantageusement, de 10µm à 100µm, de préférence la longueur va de 20µm à 30µm.
Le ou les matériaux utilisés ainsi que les épaisseurs sont choisis pour obtenir un bon transfert de la chaleur depuis la face avant 200 vers la capacité pyroélectrique.
L’épaisseur totale de la couche de protection 200 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 200 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 200 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 1B.
Procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant une couche polymérique dans laquelle
est positionné
un tapis de nanotubes de carbone:
Le procédé de fabrication d’un tapis de micropiliers métalliques 202 thermiquement conducteur piégé dans une couche polymérique 201 est représenté sur les figures 2A à 2E.
Le procédé comprend les étapes suivantes:
i) fournir un premier substrat 401, aussi appelé substrat de croissance, recouvert par un tapis de micropiliers métalliques 202 alignés et thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, les micropiliers métalliques 202 comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, les micropiliers métalliques 202 étant fixés sur le premier substrat 401 par leur première extrémité (figure 2A),
ii) déposer sur un deuxième substrat 402, aussi appelé substrat de transfert, une solution contenant un solvant et les précurseurs d’un matériau polymère ou le matériau polymère dissous (figure 2B),
iii) positionner la première extrémité des micropiliers métalliques 202 dans la solution, faire évaporer le solvant et/ou polymériser les précurseurs du matériau polymère, moyennant quoi la première extrémité des micropiliers métalliques 202 est maintenue dans une couche 201 en un matériau polymère (figure 2C),
iv) séparer la couche 201 en matériau polymère du deuxième substrat 402 (figure 2D),
v) éventuellement, séparer le premier substrat 401 du tapis de micropiliers métalliques 202 (figure 2E).
Le tapis, fourni à l’étape a), est, de préférence, un tapis de nanotubes de carbone (NTC). Le tapis de nanotubes de carbone peut être obtenu par croissance par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour «chemical vapor deposition»), comme décrit dans la publication de Liatard et al. (“Vertically-aligned carbon nanotubes on aluminum as a light-weight positive electrode for lithium-polysulfide batteries”, Chem. Commun., 2015, 51, 7749—7752).
Le premier substrat 401 est, de préférence, un substrat de silicium, recouvert par une couche nanométrique de catalyseur métallique, tel que Fe.
Le démouillage du fer aboutit à la formation de nanoparticules métalliques qui enclenchent aux alentours de 500°C le craquage du gaz précurseur carboné (par exemple de l’acétylène) à leur surface, ce qui conduit à la formation et la croissance des NTC.
Lors de l’étape ii), on dépose sur un deuxième substrat 402 une solution contenant:
- un solvant, les précurseurs d’un matériau polymère, et un initiateur de polymérisation, ou
- un solvant et le matériau polymère dissous.
- un solvant, les précurseurs d’un matériau polymère, et un initiateur de polymérisation, ou
- un solvant et le matériau polymère dissous.
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.
L’initiateur de polymérisation peut être un photo-amorceur, un amorceur radicalaire ou anionique par exemple.
Après dépôt de la solution, une étape de pré-recuit peut être réalisée, pour faire évaporer une partie du solvant. On obtient ainsi une couche pré-polymérisée. Le pré-recuit peut être réalisé à 100°C pendant quelques minutes (2 minutes par exemple).
De préférence, le matériau polymère est un polyméthacrylate. Les couches en (méth)acrylate sont très flexibles. Un tel polymère peut être réticulé sous UV en présence d’un photo-amorceur.
On choisira, avantageusement, un deuxième substrat 402 ayant peu d’affinité chimique avec le premier matériau polymère de manière à pouvoir les séparer facilement. Avantageusement, le deuxième substrat 402 est transparent aux longueurs d’onde du rayonnement nécessaire à une photo-polymérisation. Le deuxième substrat 402 est, de préférence, du verre.
Lors de l’étape iii), on positionne la première extrémité (appelée tête) des micropiliers métalliques 202 dans la couche pré-polymérisée. Après polymérisation, par exemple sous UV et/ou avec un traitement thermique, on obtient une couche polymérique 201, dans laquelle les micropiliers métalliques 202 sont piégés.
Selon un mode de réalisation particulier, la couche polymérique 201 peut enrober les micropiliers 202 de leur première extrémité à leur deuxième extrémité.
Lors de l’étape iv), on sépare la couche polymérique 201 du deuxième substrat 402.
Lors de l’étape v), on sépare le tapis de micropiliers métalliques 202 du premier substrat 401, par exemple, par simple action mécanique (pelage).
Les étapes iv) et v) peuvent être inversées.
Le dispositif ainsi obtenu est un matériau composite comprenant et de préférence constitué par une couche polymérique 201 maintenant un tapis de micropiliers métalliques 202, les micropiliers étant alignés les uns aux autre et thermiquement conducteurs. (figure 2E) Les micropiliers 202 sont orientés perpendiculairement à la couche polymérique 201 de manière à conférer une conduction thermique verticale.
Un tel dispositif est particulièrement intéressant pour de nombreuses applications, outre que celle de capteur thermique: capteur (bio)chimique, absorbeur, dissipateur de chaleur, etc.
Les micropiliers 202 peuvent être fonctionnalisés et/ou métallisés et/ou recouverts d’une couche électriquement isolante (telle qu’une couche d’oxyde) entre les étapes i) et ii), après l’étape iii),après l’étape iv) ou encore après l’étape v).
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 substrat104,
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 200.
a) formation d’une électrode inférieure 108 sur un substrat104,
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 200.
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 17J/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 17J/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 45µC/(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 45µC/(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 matériau composite polymère/micropiliers métalliques est ensuite déposé sur l’ensemble de la structure précédemment réalisée pour former la couche de protection 200 du pixel 102 (figure 3).
Lorsque la première couche 201 en matériau polymère enrobe complètement les micropiliers métalliques 202, il est possible de ne pas ajouter de deuxième couche 203 sur l’élément chauffant 114. L’accroche de la couche de protection 200 se faisant sur l’élément chauffant 114 par la première couche 201. Par exemple, il est possible de dissoudre partiellement la première couche avant de la positionner sur l’élément chauffant 114 et de la re-polymériser in situ.
Avantageusement, on dépose au préalable sur l’élément chauffant 114 et/ou sur la deuxième extrémité des micropiliers métalliques 202, une solution contenant le deuxième matériau dissous ou les précurseurs du deuxième matériau.
Après report du matériau composite, et polymérisation/réticulation du deuxième matériau, on obtient une couche de protection 200 comprenant une première couche polymérique 201 et une deuxième couche polymérique 203 maintenant le tapis de piliers métalliques 202.
La réticulation peut être une réticulation thermique et/ou sous UV dans le cas où le substrat 104 est transparent.
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).
La tête des micropiliers 202 peut être rendue accessible par dissolution d’une partie de la première couche 201 en premier matériau.
La couche de protection 200 a de bonnes propriétés mécaniques et présente une conduction thermique anisotrope.
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:
Le procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant un tapis de nanotubes de carbone 202 piégés dans une couche polymérique 201 comprend les étapes suivantes:
- Croissance d’un tapis de nanotubes de carbone 202 (NTC) par CVD en présence d’acétylène, à 500°C sur un substrat de croissance 401 en Si; la surface recouverte est de 1cm2, les nanotubes 202 ont une hauteur d’une trentaine de microns et un diamètre moyen de 4-5 nm.
- Dépôt d’une solution de polyméthacrylate sur un substrat de transfert 402.
- Mise en contact de la tête des NTC avec la solution.
- Réticulation du polymère par irradiation UV, avec une lampe UV F400, de manière à former une couche de résine acrylate 201, sur le substrat de transfert 402.
- Séparation du substrat de croissance 401, du tapis de nanotubes 202.
- Séparation du substrat de transfert 402 de la couche de résine 201.
- Croissance d’un tapis de nanotubes de carbone 202 (NTC) par CVD en présence d’acétylène, à 500°C sur un substrat de croissance 401 en Si; la surface recouverte est de 1cm2, les nanotubes 202 ont une hauteur d’une trentaine de microns et un diamètre moyen de 4-5 nm.
- Dépôt d’une solution de polyméthacrylate sur un substrat de transfert 402.
- Mise en contact de la tête des NTC avec la solution.
- Réticulation du polymère par irradiation UV, avec une lampe UV F400, de manière à former une couche de résine acrylate 201, sur le substrat de transfert 402.
- Séparation du substrat de croissance 401, du tapis de nanotubes 202.
- Séparation du substrat de transfert 402 de la couche de résine 201.
Les figures 4A et 4B représentent le matériau composite ainsi obtenu. La tête des nanotubes de carbone est piégée dans la couche en polyméthacrylate.
A titre illustratif, les spectres de différentes résines de type «Hard Coat» ont été mesurés: UV3000K, UV7300, UVL3, OC3021, OC4122, CPS 900153, et CPS 900156 (figure 5). La principale absorption se situe en dessous de 300nm. Une lampe mercure UV F400 a donc été utilisée pour réticuler les couches minces dans le domaine des UVB et UVA.
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 de protection 200 de 20µm d’épaisseur obtenue endéposant une couche de résine réticulable thermiquement sur l’élément chauffant 114, puis en positionnant la deuxième extrémité des NTC 202 du matériau composite, obtenu précédemment, dans la couche de résine réticulable puis finalement en réticulant la couche de résine.
- 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 de protection 200 de 20µm d’épaisseur obtenue endéposant une couche de résine réticulable thermiquement sur l’élément chauffant 114, puis en positionnant la deuxième extrémité des NTC 202 du matériau composite, obtenu précédemment, dans la couche de résine réticulable puis finalement en réticulant la couche de résine.
Claims (12)
- 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 :
- 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 (200) comprenant une première couche (201) en un premier matériau polymère maintenant un tapis de micropiliers métalliques (202), thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, alignés perpendiculairement au pixel (102), les micropiliers métalliques (202) ayant une première extrémité et une deuxième extrémité, la deuxième extrémité étant positionnée en regard de l’élément chauffant (114). - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau polymère est un époxyde, un polysiloxane ou un (méth)acrylate.
- Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première extrémité des micropiliers métalliques (202) dépasse de la première couche (201).
- Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première couche (201) enrobe complètement le tapis de micropiliers métalliques (202).
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de protection (202) comprend une deuxième couche (203) en un deuxième matériau polymère disposée entre l’élément chauffant (114) et la première couche (201), la deuxième couche (203) maintenant la deuxième extrémité des micropiliers métalliques.
- Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième matériau polymère est un époxyde ou un (méth)acrylate, le deuxième matériau polymère pouvant être identique ou différent du premier matériau polymère.
- Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les micropiliers métalliques (202) sont métallisés et/ou fonctionnalisés par des nanoparticules métalliques.
- Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les micropiliers métalliques (202) sont recouverts par une couche d’oxyde métallique.
- Procédé pour fabriquer un tapis de micropiliers métalliques (202) maintenus par une première couche (201) en un premier matériau polymère comprenant les étapes suivantes :
- fournir un premier substrat (401), par exemple en silicium, recouvert par un tapis de micropiliers métalliques (202) alignés, thermiquement conducteurs, de préférence en carbone, les micropiliers métalliques (202) comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, les micropiliers métalliques (202) étant fixés sur le premier substrat (401) par leur première extrémité,
- déposer sur un deuxième substrat (402) une solution contenant un solvant et les précurseurs d’un premier matériau polymère ou le premier matériau polymère dissous,
- positionner la première extrémité des micropiliers métalliques (202) dans la solution, faire évaporer le solvant et, éventuellement, polymériser les précurseurs du premier matériau polymère, moyennant quoi la première extrémité des micropiliers métalliques (202) est maintenue dans une première couche (201) en un premier matériau polymère,
- séparer la première couche (201) du deuxième substrat (402),
- séparer le tapis de micropiliers métalliques (202) du premier substrat (401), moyennant quoi on obtient un dispositif comprenant un tapis de micropiliers métalliques (202) maintenus par une première couche (201) en un premier matériau polymère. - Dispositif comprenant, et de préférence, constitué d’une première couche (201) en un premier matériau polymère maintenant un tapis de micropiliers métalliques (202) alignés et thermiquement conducteurs fabriqué selon le procédé de la revendication 9.
- Procédé pour fabriquer 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) report d’un dispositif comprenant une première couche (201) en un premier matériau polymère maintenant un tapis de micropiliers métalliques (202) thermiquement conducteurs, les micropiliers métalliques (202) comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité, la deuxième extrémité des micropiliers métalliques (202) étant disposée en regard de l’élément chauffant (114), les micropiliers métqlliques (202) étant alignés perpendiculairement au pixel (102), moyennant quoi on forme une couche de protection (200) sur le capteur de motif thermique (100). - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, entre l’étape e) et l’étape f), on forme une deuxième couche (203) en un deuxième matériau polymère entre l’élément chauffant (114) et le tapis de micropiliers métalliques (202), la deuxième couche (203) en un deuxième matériau polymère maintenant la deuxième extrémité des micropiliers métalliques (202).
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