Brevet FR2792089A1 — publié le 20001013

La présente invention concerne les dispositifs ou rétines photosensibles. Les dispositifs photosensibles sont utilisés dans de nombreux domaines, notamment l'imagerie ou la reconnaissance d'empreintes. Dans le cas de la reconnaissance d'empreintes, différentes méthodes de détection d'empreintes sont utilisées. On connaît, en particulier, des méthodes de détection optique. Une méthode généralement utilisée est représentée sur la figure 1. Elle consiste en un prisme 1 en verre fonctionnant en réflexion totale interne. Ce prisme est associé à une source lumineuse comportant une lampe 2 et un réflecteur 3 dirigeant les rayons lumineux vers une face a du prisme. Les rayons lumineux viennent se réfléchir sur la grande face b du prisme et sont renvoyés à travers la face c vers une optique 4 ou système de lentilles et une rétine photosensible 5. Si l'on pose un doigt 6 sur la grande face b du prisme 1, les zones du doigt en contact avec le prisme rompent la réflexion totale de la lumière qui entre alors dans la peau o elle est absorbée. Une zone sombre est alors imagée sur la rétine 5 alors que les zones hors-contact permettent de réfléchir totalement la lumière créant des zones images claires sur la rétine 5. Ce dispositif de détection d'empreintes selon l'art antérieur présente l'inconvénient d'être particulièrement encombrant. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un dispositif photosensible amélioré présentant l'avantage d'être compact et de pouvoir être réalisé en utilisant des techniques de dépôt en couches minces, bien connues de l'homme de l'art. La présente invention a donc pour objet un dispositif photosensible, caractérisé en ce qu'il est constitué par - un substrat transparent, - une matrice bidimensionnelle déposée sur le substrat et comportant au moins un point-image formé d'une zone opaque comportant un élément photodétecteur, associé à une fenêtre optique, - des moyens d'éclairage du substrat sous un angle permettant la réflexion totale interne, 2 2792089 - une couche transparente déposée sur la matrice et renvoyant par réflexion totale interne la lumière émise par les moyens d'éclairage vers l'élément photodétecteur. Selon un mode de réalisation préférentiel, le substrat transparent est réalisé en un matériau transparent tel que le verre ou le quartz. La matrice est réalisée en un matériau tel que le silicium amorphe, le silicium polycristallin basse température avec un substrat en verre, le silicium polycristallin haute température avec un substrat en quartz, ou du silicium monocristallin. De préférence, l'élément photodétecteur est choisi parmi les photodiodes ou les phototransistors. De plus, la couche transparente déposée sur la matrice est constituée par une plaque de verre ou un matériau plastique et présente une épaisseur inférieure ou égale à l'espacement entre éléments photodétecteurs. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la couche transparente peut être revêtue d'une couche conductrice transparente servant à écranter les champs électriques externes. Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, le moyen d'éclairage du substrat comporte une lampe, un réflecteur envoyant la lumière émise par la lampe vers le substrat et un moyen permettant à la lumière d'entrer dans le substrat sous un angle permettant la réflexion totale. Selon un premier mode de réalisation, le moyen permettant à la lumière d'entrer sous un angle permettant la réflexion totale interne est constitué par un réseau de prismes ou un réseau de Fresnel. Selon un second mode de réalisation, le moyen d'éclairage du substrat est positionné de manière à utiliser ledit substrat comme guide d'ondes dirigeant la lumière vers la matrice bidimensionnelle et les zones opaques de la matrice bidimensionnelle sont revêtues côté substrat d'une couche réfléchissante. Cela permet d'obtenir un système plus compact évitant l'utilisation d'un réseau de Fresnel ou d'un réseau de prismes. 3 2792089 De préférence, les points-image de la matrice bidimensionnelle sont disposés en lignes et en colonnes, l'élément photodétecteur de chaque point-image étant connecté par un circuit de commutation à une ligne de sélection et à une ligne de données. Les lignes de sélection sont connectées à un circuit de commande sélectionnant séquentiellement chaque ligne de sélection et les lignes de données sont connectées à un circuit de détection susceptible de lire le signal émis par l'élément photodétecteur sélectionné. Ainsi, le dispositif photosensible décrit ci-dessus peut être utilisé dans des appareils tels que les capteurs d'empreintes, les dispositifs d'imagerie classiques ou par contact. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 1 5 apparaîtront à la lecture de différents modes de réalisation décrits ciaprès avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels: La figure 1 déjà décrite est une vue schématique d'un détecteur d'empreintes selon l'art antérieur. La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un dispositif photosensible utilisé comme détecteur d'empreintes selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif photosensible conforme à la présente invention. Les figures 4a et 4b représentent respectivement une cellule de la matrice bidimensionnelle ainsi que son circuit électrique associé. Les figures 5a et 5b représentent schématiquement un autre mode de réalisation d'une cellule de la matrice bidimensionnelle avec son circuit électrique associé. Pour simplifier la description, notamment dans les figures 2 et 3, les mêmes éléments portent les mêmes références. D'autre part, par cellule dans les figures 4 et 5, on entend le point-image de la matrice bidimensionnelle et son circuit de commutation associé. Un premier mode de réalisation d'un dispositif photosensible conforme à la présente invention est représenté sur la figure 2. Ce 4 2792089 dispositif photosensible comporte essentiellement un substrat 10 en un matériau transparent tel que du verre ou du quartz. Sur ce substrat est réalisée une matrice bidimensionnelle 11 portant des zones opaques 13 dans lesquelles sont réalisés des éléments photodétecteurs 14 tels que des photodiodes ou des phototransistors et des fenêtres 15 associées à chaque photodétecteur. La matrice bidimensionnelle est réalisée par des techniques de couches minces en utilisant du silicium amorphe, du silicium polycristallin basse température, du silicium polycristallin haute température, du silicium monocristallin. Toutefois, si le silicium utilisé est du silicium polycristallin basse température, le substrat transparent 1 0 est réalisé en verre; si le silicium est du silicium polycristallin haute température, le substrat transparent 10 est réalisé en quartz et si le silicium est du silicium monocristallin, il est déposé sur un isolant transparent, qui peut être du verre ou du quartz. Sur cette matrice 1 5 bidimensionnelle dont la structure complète sera décrite de manière plus détaillée ci-après, est déposée une couche transparente 12 dont l'épaisseur est sensiblement égale ou inférieure à l'espacement entre les éléments photodétecteurs 14. Cette couche est réalisée soit par une plaque de verre soit par une couche en matériau plastique. Elle peut être réalisée directement sur la matrice bidimensionnelle ou collée sur cette dite matrice. Selon une caractéristique supplémentaire non représentée, cette couche 12 peut être recouverte d'une couche conductrice transparente telle qu'une couche d'lTO (oxyde d'indium et d'étain) servant à écranter les champs électriques externes. Comme représenté sur la figure 2, le dispositif photosensible décrit cidessus est éclairé par un système d'éclairage comportant de manière connue une lampe 17 et un réflecteur 18 renvoyant les rayons lumineux rl, r'l sur la face externe du substrat 10. Le système d'éclairage est positionné de manière à permettre aux rayons lumineux d'entrer dans le dispositif photosensible selon un angle supérieur ou égal à celui de la réflexion totale interne au niveau des faces parallèles du substrat 10 et de la couche 12. De ce fait, sur la face externe côté système d'éclairage du substrat 10 est donc prévu un moyen permettant à la lumière d'entrer dans ledit substrat sous un angle permettant la réflexion totale interne. Ce moyen 16 est, de préférence, constitué par un réseau de prismes ou un réseau de Fresnel. Dans ce cas, si un doigt 19 2792089 est posé sur la face externe de la couche 12, les rayons lumineux rl, r'1 qui sont passés à travers le substrat 10 et sont passés à travers les fenêtres 15 de la matrice bidimensionnelle viennent se réfléchir par réflexion totale sur la face externe de la couche 12. Si le doigt 19 est posé sur la couche 12, la lumière r'l rentre dans les zones du doigt au contact et n'éclaire plus les éléments photodétecteurs 14 correspondant, tandis que dans les zones o il n'y a pas de contact, la lumière rl se réfléchit par réflexion totale et est détectée par les photodétecteurs 14. On décrira maintenant avec référence à la figure 3 un autre mode de réalisation d'un dispositif photosensible conforme à la présente invention. Dans ce cas, pour limiter l'encombrement du dispositif total, le système d'éclairage est positionné sur le côté de l'ensemble formé par le substrat 10, la matrice bidimensionnelle 11 et la couche 12, comme représenté sur la figure 3. Le système d'éclairage comporte de manière connue une lampe 17' et un réflecteur 18'. La lampe est positionnée de manière à envoyer les rayons lumineux r2, r'2 vers la face externe 10a du substrat 10 qui, dans ce cas, fonctionne comme un guide d'ondes. Pour permettre le fonctionnement du dispositif photosensible, la face côté substrat 10 des zones opaques 13 de la matrice bidimensionnelle est recouverte d'une couche réfléchissante 13' telle qu'une couche métallique. Ainsi, comme représenté sur la figure 3, les rayons r2, r'2 après s'être réfléchis sur la face 10a du substrat 10, sont réfléchis soit sur les surfaces 13' soit passent à travers les fenêtres 15. Les rayons r'2 ayant traversés les fenêtres 15 sont réfléchis par réflexion totale interne sur la face externe de la couche 12 pour être renvoyés vers les photodétecteurs 14 s'il n'y a pas d'empreintes en contact avec la face externe de la couche 12. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de manière équivalente au dispositif de la figure 2. On décrira maintenant avec référence aux figures 4 et 5 différents modes de réalisation de la matrice bidimensionnelle dans lesquels les pointsimage comportant chacun au moins une zone opaque 13, une fenêtre 15 et un photodétecteur 14 sont disposés en lignes et en colonnes et sont connectés chacun par l'intermédiaire d'un circuit de commutation à des lignes de sélection et des lignes de données, elles- mêmes connectées à des dispositifs de commande de sélection de lignes 6 2792089 et à des dispositifs de lecture des données fournies par les photodétecteurs 14 sur les lignes de données. Comme représenté sur les figures 4a et 4b, le photodétecteur 14 des figures 2 et 3 est constitué par un phototransistor TP1 dont la grille est connectée à une ligne de polarisation LC et dont la source est connectée à la masse tandis que le drain est connecté à une capacité de stockage Ca1 montée en parallèle sur le phototransistor TP1. Le drain du phototransistor TPl1 est aussi connecté à la source d'un dispositif de commutation constitué par un transistor T1 du type TFT par exemple, dont la grille est connectée à une ligne de sélection L1 et dont l'autre électrode, à savoir le drain, est connectée à une ligne de données ou colonnes C1. La cellule, immédiatement adjacente selon la direction des colonnes, présente une structure identique à la cellule décrite cidessus. Elle est constituée, comme représenté sur la figure 4b, d'un phototransistor TP2 dont la grille est connectée à une ligne de polarisation LC commune à la ligne de polarisation LC du phototransistor TP1. La source du transistor TP2 est connectée à la masse. L'autre électrode, à savoir "le drain" dans le mode de réalisation représenté, est connectée à une borne d'une capacité de stockage Ca2 dont l'autre borne est connectée à la masse et à une des électrodes du transistor de commutation T2 dont l'autre électrode est connectée à la colonne C1. D'autre part, comme représenté sur la figure 4b, la colonne Cl1 est connectée par l'intermédiaire d'un commutateur S soit à un potentiel de référence V, soit à un circuit de lecture de charge comportant essentiellement au niveau de chaque colonne C1 un l'amplificateur A, dont la sortie est connectée par l'intermédiaire d'une capacité C sur Il'entrée. On expliquera maintenant le fonctionnement du dispositif des figures 4a et 4b. On réalise tout d'abord une précharge des colonnes Cl... en positionnant le commutateur S de chaque colonne sur le potentiel de référence V. Si l'on adresse l'ensemble des lignes L1, L2,.. . de la matrice bidimensionnelle, les transistors de commutation T1, T2 sont rendus passant et l'on charge les capacités Ca1, Ca2,... au potentiel V. Les transistors TP1 et TP2 sont à l'état bloqué (tension de 7 2792089 LC négative) et déchargent partiellement les capacités Cal1 et Ca2 proportionnellement au flux de lumière que reçoit chacun d'eux. Lors d'une opération de lecture, le commutateur S est commuté vers un circuit de lecture de charge constitué, comme mentionné ci-dessus, d'un amplificateur A dont la sortie est reliée à l'entrée par l'intermédiaire d'une capacité C. Lors de la sélection successive des lignes L1, L2,..., les transistors T1, T2 sont successivement rendus passants et les charges résiduelles stockées sur les condensateurs Ca1, Ca2 sont lues par les circuits de lecture donnant une information sur la présence ou non d'une empreinte à détecter. On décrira maintenant, avec référence aux figures 5a et 5b, un autre mode de réalisation d'une matrice bidimensionnelle conforme à la présente invention. Dans ce cas, le transistor photosensible TP'l d'une cellule à sa grille connectée à la ligne de sélection L'2 de la cellule suivante. Sa source est connectée à une tension de référence, tandis que son drain est connecté à une des électrodes d'une capacité de stockage de charge Ca'1 et à la source d'un transistor de commutation T'1 dont la grille est connectée à la ligne L'l et dont le drain est connecté à la colonne C'1. Comme décrit préalablement, chaque colonne ou ligne de données C'1... est connectée par l'intermédiaire d'un commutateur S', soit à une tension de référence V' positive, soit à un lecteur de charge Le constitué de manière connue d'un amplificateur et d'une capacité montée entre la sortie de l'amplificateur et son entrée. D'autre part, comme représenté sur la figure 5a, la capacité C'al comporte une seconde électrode connectée à la tension de référence V'. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne lui aussi en deux passes. Lors d'une première passe, les lignes de données ou colonnes C'1 sont chargées au potentiel de référence V'. Chaque ligne de sélection L'2, L'1...est activée en partant du bas et en remontant vers le haut du dispositif. Lorsque la ligne L'2 est activée, le transistor T'P1 est passant et la capacité C'al est déchargée. Lorsque la ligne L'1 est activée, le transistor T'1 devient passant et la capacité C'al est chargée au potentiel V'. 8 2792089 Lors de la deuxième passe, on réalise la lecture des charges dans les capacités C'al.... Dans ce cas le dispositif de commutation S' est positionné de sorte que l'amplificateur de lecture Le soit connecté aux colonnes C'1.... Lors de la sélection des différentes lignes de sélection L'l1, L'2, les transistors T'1,... sont successivement passant et on lit successivement les charges des condensateurs C'al, C'a2 à l'aide des amplificateurs Le. Les valeurs des charges lues dépendent du courant de fuite des transistors T'P1, eux-mêmes proportionnels à l'éclairement qu'ils reçoivent à travers les fenêtres 5 et après réflexion totale éventuelle sur la face de sortie des lames 12. Les circuits de balayage des lignes peuvent être réalisés sur le verre en utilisant la même technologie de transistors que celle de la matrice (Tl, TP1, T'1, T'P1). De la même façon, I'extrémité d'un paquet de colonnes peut être multiplexée vers un amplificateur unique à l'aide de registres et d'interrupteurs réalisés sur le substrat isolant à l'aide de la technologie de transistors de la matrice. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits ci-dessus ne sont que des exemples et peuvent être modifiés de nombreuses manières. 9 2792089 REVENDICATIONS 1. Dispositif photosensible, caractérisé en ce qu'il est constitué par: un substrat transparent (10), -une matrice bidimensionnelle (11) déposée sur le substrat et comportant au moins un point-image formé d'une zone opaque (13) comportant un élément photodétecteur (14), associé à une fenêtre optique, - des moyens d'éclairage (17, 18, 17', 18') du substrat sous un angle permettant la réflexion totale interne, - une couche transparente (12) déposée sur la matrice et renvoyant par réflexion totale interne la lumière émise par les moyens 1 5 d'éclairage vers l'élément photodétecteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'éclairage du substrat comporte une lampe (17), un réflecteur (18) renvoyant la lumière émise par la lampe vers le substrat et un moyen (1 6) permettant à la lumière d'entrer dans le substrat sous un angle permettant la réflexion totale interne. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen (16) permettant à la lumière d'entrer sous un angle permettant la réflexion totale interne est constitué par un réseau de prismes ou un réseau de Fresnel. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'éclairage du substrat comporte une lampe (17') et un réflecteur (18') renvoyant la lumière émise par la lampe vers le substrat, ledit moyen d'éclairage étant positionné de manière à utiliser ledit substrat comme guide d'ondes dirigeant la lumière vers la matrice bidimensionnelle. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les zones opaques de la matrice bidimensionnelle sont revêtues, côté substrat, d'une couche réfléchissante (13'). 2792089 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments image de la matrice bidimensionnelle sont disposés en lignes et en colonnes, I'élément photodétecteur de chaque élément image étant connecté par un circuit de commutation à une ligne de sélection et à une ligne de données. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément photodétecteur est connecté aux bornes d'une capacité de stockage (Cal1, Ca2), elle-même connectée au circuit de commutation, l'élément photodétecteur étant relié à une ligne de polarisation. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément photodétecteur est connecté aux bornes d'une capacité de 1 5 stockage (Cal1, Ca2) dont une électrode est reliée au circuit de commutation, I'élément photodétecteur étant connecté à la ligne de sélection suivante. 9. Dispositif selon les revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les lignes de sélection sont connectées à un circuit de commande sélectionnant séquentiellement chaque ligne de sélection. 10. Dispositif selon les revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les lignes de données sont connectées à un circuit de détection susceptible de lire le signal émis par l'élément photodétecteur sélectionné. 1 1. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que le substrat transparent est réalisé en un matériau transparent tel que le verre ou le quartz. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les circuits de commande sont réalisés sur le substrat transparent. 1 1 2792089 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la matrice est réalisée en un matériau tel que le silicium amorphe, le silicium polycristallin, le silicium monocristallin. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que, si le silicium polycristallin est du silicium polycristallin basse température, le substrat est en verre et si le silicium polycristallin est du silicium polycristallin haute température, le substrat est en quartz. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'élément photodétecteur est choisi parmi les photodiodes ou les phototransistors. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la couche transparente est constituée par une plaque de verre ou un matériau plastique. 17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la couche transparente présente une épaisseur inférieure ou égale à I'espacement entre éléments photodétecteurs. 18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que la couche transparente est revêtue d'une couche conductrice transparente. 19. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, dans des appareils tels que les capteurs d'empreintes, les dispositifs d'imagerie classiques ou par contact. 20. Procédé de lecture d'une matrice photosensible selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que: - lors d'une étape de précharge, on rend le dispositif de commutation passant et l'on charge les capacités de stockage à une tension de référence, puis les éléments photodetecteurs étant à l'état bloqué, on décharge les capacités proportionnellement au flux lumineux reçu par lesdits éléments photodétecteurs, et 12 2792089 - lors d'une étape de lecture, les transistors de commutation sont rendus passants et on lit les charges résiduelles stockées dans les condensateurs de stockage. 21. Procédé de lecture d'une matrice photosensible selon les revendications 6 et 8, caractérisé en ce que: - lors d'une étape de précharge, on active successivement les lignes de sélection du bas vers le haut de manière a charger les capacités de stockage à un potentiel de référence, - lors d'une étape de lecture, on lit les charges des condensateurs de stockage en fonction du courant de fuite des éléments photodétecteurs proportionnel à l'éclairement reçu.