Brevet FR2903207A1 — publié le 20080104

CAPTEUR TACTILE MULTIPOINT À MATRICE ACTIVE La présente invention concerne le domaine des capteurs tactiles multipoints, permettant de commander un équipement, de préférence par l'intermédiaire d'une interface graphique, le capteur étant munie de moyens d'acquisition simultanée de la position, la pression, la taille, la forme et le déplacement de plusieurs doigts sur sa surface. On connaît dans l'état de la technique des capteurs tactiles multipoints. A titre d'exemple, le brevet WO2005/091104 décrit un dispositif pour le contrôle d'un équipement informatisé comportant un capteur bidimensionnel multicontact pour l'acquisition d'informations tactiles, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un écran de visualisation disposé sous le capteur tactile bidimensionnel, ainsi qu'une mémoire pour l'enregistrement d'objets graphiques associés chacun à au moins une loi de traitement, et un calculateur local pour l'analyse de la position des informations tactiles acquises et l'application d'une loi de traitement en fonction de ladite position par rapport à la position des objets graphiques. Les capteurs de l'état de la technique présentent l'inconvénient d'une réponse erronée dans le cas où trois contacts sont alignés selon deux axes orthonormaux. Dans ce cas, il n'est pas possible de détecter la présence ou la disparition d'un contact additionnel. Les trois premiers contacts masquent la détection de contacts supplémentaires. Pour répondre à cet inconvénient, l'invention concerne selon son acception la plus générale un capteur tactile multipoint à matrice active comprenant : - une couche matricielle présentant NxM cellules indépendantes, chacune des cellules PX,y étant reliée à une ligne LX et à une colonne Cy au travers d'un élément de 2903207 2 commutation, les lignes LX étant communes à toutes les cellules P,4 i i étant compris entre 1 et N, et les colonnes Cy étant communes à toutes les cellules P~ y j étant compris entre 1 et Q, Q étant au plus égal à M, 5 - une couche intermédiaire apte à provoquer une modification locale des propriétés électriques des cellules situées sous la zone d'activation tactile, ladite couche intermédiaire étant placée entre la surface active et la surface adjacente desdites P,t,y 10 - une couche supérieure d'activation permettant une interaction tactile - un circuit électronique commandant séquentiellement, pour chaque ensemble de cellules Ca, bl-b2 avec b2-bl étant compris entre 1 et Q, une première étape d'activation 15 desdites cellules Ca, b14b2 puis une seconde étape de détection des propriétés électriques de chaque cellule Ca,bl_ 1,2 de manière individuelle pour délivrer une information représentative des zones activées tactilement. L'indépendance de chacune des cellules permet d'éviter 20 l'inconvénient des capteurs de l'état de la technique, en évitant le phénomène de masquage lorsque trois contacts sont positionnés orthogonalement. Selon une variante préférée, chacune des couches est transparente. Cette variante permet de visualiser à travers 25 le capteur des informations graphiques, notamment des informations dont la configuration est commandée par les actions détectées par le capteur positionné sur cet écran. De préférence, le capteur comporte en outre une couche additionnelle d'affichage commune à l'ensemble des 30 cellules. Alternativement, chacune des cellules P,t,y comprend en outre des moyens d'affichage. Avantageusement, lesdits moyens d'affichage sont activés par le signal généré pendant ladite première étape d'activation. Cette variante permet de réaliser des 2903207 3 capteurs interactifs procédant à l'affichage d'informations variant de manière synchrone avec les actions exercées sur la surface extérieure. Ces réalisations constituent des écrans tactiles multipoints. 5 Selon une autre variante, le circuit comporte un moyen de commande dudit signal généré pendant ladite première étape d'activation en fonction des paramètres d'affichage recherchés, et moyen de pilotage de la détection pendant ladite deuxième étape, fonction du signal appliqué à ladite 10 cellule pendant la première étape. Cette variante permet de commander alternativement l'affichage et la détection du signal. Selon un premier mode de mise en œuvre, la couche intermédiaire est découpée en éléments séparés 15 correspondant chacun à au moins une cellule. Selon un deuxième mode de mise en œuvre, la couche intermédiaire est formée par une zone unique. Selon un premier mode de réalisation, la couche intermédiaire comprend un matériau piézoélectrique. 20 Avantageusement, un tel capteur est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes réparties pour former une matrice active de cellules, cette couche matricielle étant recouverte par une couche intermédiaire de détection formée par une feuille de 25 matériau piézo-électrique, cette feuille étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. Alternativement, il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes revêtues chacune d'un matériau piézo-électrique, cette 30 couche matricielle étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. Selon un deuxième mode de réalisation, le capteur selon l'invention comporte des moyens d'activation du 2903207 4 matériau piézo-électrique par des signaux électriques appliqués auxdites électrodes. Selon un troisième mode de réalisation, la couche intermédiaire comprend un matériau diélectrique, la 5 détection étant réalisée par une mesure d'impédance. Avantageusement, un tel capteur est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes réparties pour former une matrice active de cellules, cette couche matricielle étant recouverte par une 10 couche intermédiaire de détection formée par une feuille de matériau dont la résistivité est fonction de la déformation selon une direction perpendiculaire à la surface du capteur, cette feuille étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 15 Selon une variante, il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes revêtue chacune d'un matériau dont la résistivité est fonction de la déformation selon une direction perpendiculaire à la surface du capteur, cette couche 20 matricielle étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. Selon un mode de réalisation particulier, le capteur est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes réparties pour former une matrice 25 active de cellules, cette couche matricielle étant recouverte par une couche isolante. Selon une variante, ledit élément de commutation est un élément bidirectionnel. Cette solution permet de modifier le comportement de la couche intermédiaire et de 30 mesurer les variations de son comportement. Avantageusement, le capteur est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes formant une matrice revêtue par une couche de 2903207 5 cristaux liquide, cette couche étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. Selon un autre mode de réalisation, le capteur est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont 5 déposées des électrodes formant une matrice active revêtue par une couche de cristaux liquide, cette couche étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. Selon un autre mode de réalisation, ledit élément de 10 commutation est un transistor MOSFET. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés correspondant à des modes de réalisation non limitatifs 15 où . - la figure 1 représente une vue éclatée d'un capteur selon un mode de réalisation où la couche intermédiaire est uniforme, - la figure 2 représente une vue éclatée d'un capteur 20 selon un mode de réalisation où la couche intermédiaire est découpée en zones isolées, - la figure 3 représente une vue détaillée d'un ensemble de cellules d'un premier mode de réalisation, - la figure 4 représente une vue détaillée d'un 25 ensemble de cellules d'un deuxième mode de réalisation, - la figure 5 représente une vue détaillée en coupe d'un ensemble de cellules d'un troisième mode de réalisation, - la figure 6 représente une vue détaillée en coupe 30 d'un ensemble de cellules d'un quatrième mode de réalisation, - la figure 7 représente une vue détaillée en coupe d'un ensemble de cellules d'un cinquième mode de réalisation. 2903207 6 La figure 1 représente une vue éclatée d'un capteur selon un mode de réalisation où la couche intermédiaire est uniforme. 5 La figure 2 représente une vue éclatée d'un capteur selon un mode de réalisation où la couche intermédiaire est découpée en zones isolées La figure 3 représente une vue détaillée d'un ensemble de cellules d'un premier mode de réalisation. 10 Dans cet exemple de réalisation, l'écran tactile multicontact est constitué par une matrice active TFT présentant NxM cellules indépendantes, chaque cellule Ci étant adressée indépendamment par deux signaux. Le matriçage actif permet d'adresser indépendamment 15 une matrice composée de X cellules identiques. Le matriçage s'opère à l'aide de deux signaux par cellule. Les signaux sont communs pour les cellules alignées sur la même colonne ou sur la même ligne. De cette manière, le nombre de signaux à faire transiter (2 minimums par cellule) pour 20 contrôler N x M cellules est seulement de N + M au lieu de N x M x 2. L'usage d'un transistor aux bornes de chaque cellule permet d'adresser indépendamment une cellule. Chaque cellule comprend un transistor MOSFET (20) avec trois électrodes (21 à 23) : une grille (22), un drain 23) 25 et une source (21). Le transistor est passant lorsque la tension Grille/Source (Vgs) est supérieure à un seuil (Vth). Le drain (23) est connecté à la case (24). La grille (gate) est connectée à la ligne et la source (21) à la colonne. 30 La figure 4 représente une vue en coupe d'un capteur capacitif utilisant la construction d'un écran à cristaux liquide TFT. Ce capteur comprend : 2903207 7 - un substrat (40), par exemple une feuille de verre d'une épaisseur de deux millimètres, - une matrice TFT métallisée sur une couche inférieure comprenant des cellules conductrices transparentes formant 5 des électrodes (41) réalisé en un matériau tel que ITO, polymères conducteurs, autre matériau conducteur transparent, d'une surface de 10mm2 par exemple. - une couche supérieure (42) diélectrique transparente de faible épaisseur (100pm) et de forte permittivité 10 relative (par ex PVC : 5) et protégeant la couche inférieure des agressions extérieures. Cette couche (42) est transparente. Le système d'activation (par exemple un doigt) crée un circuit électrique fermé avec une des tensions de référence 15 du système de mesure (par ex la masse) lorsqu'il se trouve à proximité de la cellule (il se comporte alors comme une électrode). Grâce à l'adressage matriciel actif, on peut effectuer une mesure capacitive sur chaque cellule indépendamment. 20 Avec les dimensions susmentionnées, la capacité créée par la présence d'un doigt à proximité de la couche supérieure est de l'ordre de 4pF. La figure 5 représente un capteur sensible à la pression basé sur un matériau piézo-électrique transparent. 25 Ce capteur comprend : - un substrat (50) formé par une feuille de verre d'une épaisseur de deux millimètres, - une matrice TFT métallisée sur une couche inférieure 30 (50) comprenant des cellules conductrices transparentes (51 à 53), - une couche intermédiaire (54) de matériau piézo-électrique transparent (ex. : polymère piézo-électrique, céramique piézo-électrique, ...), uniforme ou formant des 2903207 8 cellules indépendantes les unes des autres et recouvrant les électrodes inférieures. - une couche supérieure conductrice (55) formant un substrat transparent métallisé sur un film de protection 5 (56). Une pression exercée sur la couche supérieure crée une différence de potentiel entre les deux faces du matériau piézo-électrique. Le substrat unifiant la tension de son côté, la matrice TFT permet de mesurer indépendamment les 10 tensions à chaque endroit où se trouve une électrode. Si le matériau piézo-électrique est déposé en cellules indépendantes, les effets dus à l'effort mécanique (pression) seront localisés et ne créeront pas d'interdépendance mécaniqueûpiézoélectrique. 15 La couche piézoélectrique est, dans l'exemple décrit, commune à toutes les cellules. Alternativement, le capteur comprend une couche piézo-électrique formant des cellules indépendantes correspondant aux cellules TFT. la figure 6 représente une vue détaillée en coupe d'un 20 ensemble de cellules d'un quatrième mode de réalisation. Cette variante est un capteur sensible à la pression basé sur un matériau conducteur transparent dont la résistivité change sous l'effet d'une déformation (due à une pression mécanique). 25 Ce capteur comprend : - un substrat (60) formé par une feuille de verre d'une épaisseur de deux millimètres, - une matrice TFT métallisée sur une couche inférieure comprenant des cellules conductrices transparentes (61 à 30 63), - une couche intermédiaire de matériau conducteur transparent (64), par exemple un polymère conducteur, uniforme ou formant des cellules indépendantes les unes des autres et recouvrant les électrodes inférieures. 2903207 9 - une couche supérieure conductrice (65) formant un substrat transparent métallisé sur un film de protection (66). Une pression exercée sur la couche supérieure crée une 5 variation de résistivité entre les deux faces du matériau conducteur sus indiqué. Le substrat unifiant le potentiel électrique de son côté, la matrice TFT permet de mesurer indépendamment la résistance à chaque endroit où se trouve une électrode. 10 L'implémentation peut être effectuée de deux manières : - une couche intermédiaire de matériau conducteur transparent commune à toutes les cellules, - une couche intermédiaire de matériau conducteur 15 transparent formant des cellules indépendantes correspondant aux cellules TFT. La figure 7 représente une vue détaillée en coupe d'un ensemble de cellule d'un cinquième mode de réalisation 20 capteur utilisant la construction intégrale d'un écran LCD TFT standard. Lorsqu'une pression est exercée sur la couche supérieure d'un LCD, il s'ensuit des modifications optiques dans la zone de la pression, et des modifications de 25 propriétés électriques du cristal liquide dans cette même zone. Lors de l'établissement de la tension de commande sur les pixels, on mesure les caractéristiques électriques (R, C, temps de charge...) qui sont comparés aux caractéristiques mesurées à l'état de repos (sans pression exercée). 30 Pour ces différents modes de réalisation, le capteur est relié à un circuit électronique de commande comprenant N+M connexions. Le circuit électrique délivre un signal de balayage temporel activant séquentiellement les NxM cellules, et détectant les variations du signal produit par 2903207 10 le passage de la cellule activée. Les informations sont enregistrées dans une mémoire temporaire pour former une image du capteur, pour chaque cycle de balayage. REVENDICATIONS 1 - Capteur tactile multipoint à matrice active comprenant : - une couche matricielle présentant NxM cellules indépendantes, chacune des cellules P,,y étant reliée à une ligne LX et à une colonne Cy au travers d'un élément de commutation, les lignes LX étant communes à toutes les cellules P7z,i i étant compris entre 1 et N, et les colonnes Cy étant communes à toutes les cellules P~,y j étant compris entre 1 et Q, Q étant au plus égal à M, - une couche intermédiaire apte à provoquer une modification locale des propriétés électriques des cellules situées sous la zone d'activation tactile, ladite couche intermédiaire étant placée entre la surface active et la surface adjacente desdites P,,y - une couche supérieure d'activation permettant une interaction tactile, - un circuit électronique commandant séquentiellement, pour chaque ensemble de cellules Ca, b1-b2 avec b2-bl étant compris entre 1 et Q, une première étape d'activation desdites cellules Ca, b1-b2 puis une seconde étape de détection des propriétés électriques de chaque cellule Ca,blb2 de manière individuelle pour délivrer une information représentative des zones activées tactilement. 2 - Capteur tactile selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des couches est transparente. 3 - Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche additionnelle d'affichage. 2903207 12 4 - Capteur tactile selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des cellules PX,, comprend en outre des moyens d'affichage. 5 5 - Capteur tactile selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'affichage sont activés par le signal généré pendant ladite première étape d'activation. 10 6 - Capteur tactile selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit comporte un moyen de commande dudit signal généré pendant ladite première étape d'activation en fonction des paramètres d'affichage recherchés, et moyen de pilotage de la détection pendant 15 ladite deuxième étape, fonction du signal appliqué à ladite cellule pendant la première étape. 7 - Capteur tactile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite 20 couche intermédiaire est découpée en éléments séparés correspondant chacun à au moins une cellule. 8 - Capteur tactile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite 25 couche intermédiaire est formée par une zone unique. 9 - Capteur tactile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire comprend un matériau piézoélectrique. 10 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes réparties pour former une matrice active de 30 2903207 13 cellules, cette couche matricielle étant recouverte par une couche intermédiaire de détection formée par une feuille de matériau piézo-électrique, cette feuille étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 5 11 - Capteur tactile selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes revêtue chacune d'un matériau piézo-électrique, cette 10 couche matricielle étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 12 - Capteur tactile selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'activation du 15 matériau piézo-électrique par des signaux électriques appliqués auxdites électrodes. 13 - Capteur tactile selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite couche 20 intermédiaire comprend un matériau diélectrique, la détection étant réalisée par une mesure d'impédance. 14 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué par un 25 substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes réparties pour former une matrice active de cellules, cette couche matricielle étant recouverte par une couche intermédiaire de détection formée par une feuille de matériau dont la résistivité est fonction de la déformation 30 selon une direction perpendiculaire à la surface du capteur, cette feuille étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 2903207 14 15 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes revêtue chacune d'un matériau dont la 5 résistivité est fonction de la déformation selon une direction perpendiculaire à la surface du capteur, cette couche matricielle étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 10 16 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes réparties pour former une matrice active de cellules, cette couche matricielle étant recouverte par une 15 couche isolante. 17 - Capteur tactile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément de commutation est un élément bidirectionnel. 20 18 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué par un substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes formant une matrice revêtue par une couche de 25 cristaux liquide, cette couche étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 19 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué par un 30 substrat diélectrique sur lequel sont déposées des électrodes formant une matrice revêtue par une couche de cristaux liquide, cette couche étant recouverte par une feuille de conducteur transparent uniforme. 2903207 15 20 - Capteur tactile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit élément de commutation est un transistor MOSFET.