Brevet FR2998088A1 — publié le 20140516

CAPTEUR SURFACIQUE SENSIBLE A L'HUMIDITÉ DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un capteur surfacique sensible à l'humidité, notamment pour des applications de panneaux lumineux et panneaux de commande. ETAT DE L'ART Créer des surfaces lumineuses d'affichages à base de diodes électroluminescentes (LED) à grande échelle demande souvent une logistique importante. L'architecture en cascade des données transmises pour contrôler les séquences d'allumages demande de déporter l'intelligence du système vers une unité centrale ce qui implique une maintenance et un réseau important de câble. Il est de plus compliqué pour des raisons mécaniques ou d'encombrement de permettre au public d'interagir avec ces dispositifs. Cet ensemble de contraintes fait qu'il est assez complexe de proposer un dispositif novateur d'interaction à grande échelle et simple de mise en oeuvre. Récemment, des installations interactives ont été proposées, dans lesquelles le public peut modifier la brillance de LED par l'application d'un pinceau ou d'un chiffon humide. Il a été montré par exemple comment deux tiges métalliques pouvaient être utilisées pour établir un contact électrique en présence d'eau, le contact générant l'allumage d'une diode électroluminescente par l'intermédiaire d'un circuit de commande. Ces installations ne permettent pas cependant de réaliser des surfaces planes et présentent l'inconvénient d'accumuler de l'eau entre les tiges. Par ailleurs, ces installations fonctionnent en général avec de très faibles tensions et nécessitent de ce fait un circuit de commande électronique de type microcontrôleur pour le contrôle des LED à partir des tensions générées au niveau de chaque contact. L'invention propose un capteur surfacique sensible à l'humidité, présentant une très bonne sensibilité à la densité d'humidité, et permettant la réalisation de surfaces intelligentes planes qui peuvent s'adapter à des supports de formes variables. Notamment, l'invention s'applique à la réalisation de surfaces lumineuses d'affichage à grande échelle, simples de conception tout en présentant une grande sensibilité. RESU1VIE DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne un capteur surfacique sensible à l'humidité comprenant : - Un support en matériau non conducteur électriquement présentant une première surface, - Un ensemble de premiers éléments de contact, déposés sur la première surface, destinés à être reliés chacun à un pôle d'une alimentation électrique, - Un ensemble de seconds éléments de contact, déposés sur la première surface, destinés à être reliés chacun à l'entrée d'un actionneur, chaque second élément de contact étant associé à un premier élément de contact pour former un capteur élémentaire, les premier et second éléments de contact d'un capteur élémentaire étant séparés par une piste isolante électriquement telle que la présence d'une quantité donnée d'humidité sur la piste fasse contact électrique entre les premier et le second éléments de contact, et au moins l'un des premier et second éléments de contact comprenant un matériau conducteur électriquement, non métallique. Le capteur surfacique ainsi décrit permet de rendre une surface intelligente en réagissant au contact de l'eau ou de tout autre fluide conducteur, pour des applications d'affichage ou d'interaction. La sensibilité est produite par l'application ou la pulvérisation d'eau permettant le passage d'un courant des premiers éléments de contact vers les seconds éléments de contact. Le capteur surfacique peut être installé à l'horizontale ou à la verticale (support sol ou mural) ou s'adapter à des formes en volume, les capteurs élémentaires étant directement imprimables sur la surface du support, qui peut être souple. L'utilisation de matériaux conducteurs non métalliques pour la formation des premiers et/ou seconds éléments de contact permet de protéger le système de la corrosion et de garantir sa pérennité, même dans le cas de pistes de séparation très fines entre les éléments de contact. Selon une variante, chaque premier et/ou second élément de contact comprend une piste en matériau métallique recouvert d'un matériau conducteur non métallique. Selon une variante, les premiers et/ou seconds éléments de contact sont réalisés intégralement en matériau conducteur non métallique. Selon une variante, le matériau conducteur non métallique est formé à base de carbone. Le carbone empêchant l'électrolyse, il n'y a plus d'échange d'électron porteur d'atome entre les deux dipôles électriques formés par les éléments de contact électrique et il ne peut donc plus y avoir de dégradation du matériau. Selon une variante, les premier et second éléments de contact d'un capteur élémentaire sont formés chacun d'une piste en matériau conducteur, par exemple en matériau métallique, l'ensemble des deux éléments de contact et de la piste isolante électriquement les séparant étant recouverts d'un matériau anisotrope conducteur selon un axe perpendiculaire à la première surface, et ce afin de protéger le capteur de la corrosion. Par exemple, le revêtement anisotrope est une couche en silicone ou verre, rendue conducteur uniquement sur l'axe perpendiculaire à la première surface grâce à des fibres de carbone. Selon une variante, les premier et second éléments de contact se présentent sous forme de deux bandes sensiblement parallèles. Selon une variante, les bandes sont arrondies en forme de serpentin. Selon une variante, les premier et second éléments de contact se présentent sous forme de deux bandes fermées séparées par ladite piste isolante électriquement, une bande externe formant le premier élément de contact et une bande interne formant le second élément de contact, la bande interne étant connectée électriquement à un plot électrique d'une seconde surface du support par un via de connexion électrique traversant. Selon une variante, la partie de la première surface extérieure aux dites bandes externes est revêtue d'une couche conductrice électriquement. Selon une variante, chaque capteur élémentaire comprend un circuit électronique d'adaptation du signal électrique généré lors du contact entre les premier et second éléments de contact à l'entré de l'actionneur. Selon une variante, les bandes intérieure et extérieure présentent des formes de fleurs avec 6 à 10 pétales, avantageusement 8 pétales. Selon une variante, les capteurs élémentaires sont agencés sous forme d'une matrice à deux dimensions. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un panneau lumineux sensible à l'humidité comprenant un capteur surfacique selon le premier aspect et pour chaque capteur élémentaire, une diode électroluminescente (LED) dont l'un des pôles est reliée au second élément de contact. Des LEDs peuvent par exemple être disposées au centre de chaque capteur élémentaire d'humidité et s'allumer en fonction de la quantité d'eau présente permettant ainsi d'utiliser chaque LED comme un pixel lumineux dont l'intensité dépend de la quantité d'eau déposée autour. La formation des images lumineuses dépendra ainsi du tracé effectué avec l'eau. Selon un troisième aspect, l'invention concerne un panneau de commande sensible à l'humidité comprenant un capteur surfacique selon l'une le premier aspect , le second élément de contact de chaque capteur élémentaire étant connecté à une entrée d'un microcontrôleur. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures sur lesquelles : - Les figures 1 A et 1B, des schémas illustrant le principe d'un capteur surfacique selon la présente description; - Les figures 2A à 2D, des exemples de formes de capteurs élémentaires; - Les figures 3A à 3D, des schémas illustrant des variantes de matériaux utilisés pour former les éléments de contact d'un capteur élémentaire; - La figure 4A un exemple de panneau lumineux réalisé selon la présente description et les figures 4B à 4D, des schémas illustrant des vues d'un exemple de capteur surfacique pour une application de panneau lumineux; - La figure 5, un exemple de circuit électrique adapté à un capteur élémentaire connecté à une LED; - La figure 6, un schéma montrant un exemple de capteur surfacique pour une application de type panneau de commande. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures lA et 1B illustrent le principe général de fonctionnement d'un capteur surfacique 100 selon la présente description. Le capteur surfacique comprend un ensemble de capteurs élémentaires dont 4 sont représentés sur la figure 1A, le premier de ces capteurs élémentaires étant représenté plus en détails sur la figure 1B. Chaque capteur élémentaire comprend un premier élément de contact (101 - 104) et un second élément de contact (111 - 114) séparés par une piste isolante électriquement (191, figure 1B). Les premier et second éléments de contact sont déposés sur une surface d'un support en matériau non conducteur électriquement. Les premiers éléments de contact sont destinés à être reliés chacun à un pôle d'une alimentation électrique 150 et les seconds éléments de contact sont destinés à être reliés chacun à l'entrée d'un actionneur (121 - 124). La présence d'humidité ou de tout autre fluide conducteur sur la piste 191 d'un capteur élémentaire fait contact électrique entre le premier et le second élément de contact et déclenche un signal au niveau de l'actionneur auquel le second élément de contact est relié. Chaque capteur élémentaire peut par ailleurs comprendre un circuit électronique (131 - 134) pour adapter le signal électrique généré lorsqu'il y a contact entre le premier et le second élément à l'actionneur. Les premiers et seconds éléments de contact présentent avantageusement des formes de bandes, ou pistes, déposées sur la surface du support de telle sorte à permettre la réalisation d'un capteur surfacique lisse qui peut même s'adapter à des formes en volume lorsque le support est en matériau flexible. La largeur de la piste de séparation entre les éléments de contact ainsi que la forme et la taille des éléments de contact permet d'adapter la sensibilité d'un capteur élémentaire à la densité d'humidité voulue. L'agencement d'un grand nombre de capteurs élémentaires sur une même surface permet de réaliser des capteurs surfaciques à grande échelle et d'excellente résolution. Les figures 2A à 2D montrent des exemples de formes de capteurs élémentaires. Les nombreuses recherches effectuées montrent que la forme et la taille des éléments de contact sont en corrélation avec la sensibilité du capteur. L'augmentation de la surface de ces éléments de contact augmente le potentiel de connexion entre les deux éléments de contact en suivant l'ordre des figures 2A à 2D. Ainsi, des bandes de forme arrondie, par exemple sous forme d'un serpentin (figure 2D) présentent une plus grande surface potentielle de connexion. Les déposants ont montré que des éléments de contact sous forme de bandes en forme de fleurs à 6 ou 8 pétales présentaient un excellent compromis entre la surface occupée par un capteur élémentaire et le potentiel de connexion entre les éléments de contact. De tels exemples sont illustrés plus bas. La largeur de la piste de séparation non conductrice (291- 294), ou « gap » selon l'expression anglo-saxonne, influence aussi la sensibilité du capteur. En choisissant un gap de largeur inférieure au millimètre, on peut ainsi commencer à créer des contacts électriques à l'échelle d'une particule d'eau obtenue par exemple par simple pulvérisation. Un gap trop grand réduira au contraire la sensibilité du capteur. Les figures 3A à 3D illustrent des variantes de matériaux utilisés pour former les éléments de contact d'un capteur élémentaire. Dans ces exemples, le support 380 est par exemple un support classiquement utilisé pour la fabrication de circuits imprimés, par exemple en résine époxy ou polymère synthétique de type bakélite®. Il est fait en matériau non conducteur électriquement. Le support peut également être fait en matériau souple pour la réalisation d'un capteur surfacique flexible ; il peut par exemple comprendre un film de polyimide, par exemple du kapton. Les figures 3A à 3D représentent des variantes préférées de la présente invention, dans lesquelles un matériau conducteur électriquement, non métallique, est utilisé pour la formation d'au moins un des deux éléments de contact. Cette variante permet de réduire voir de supprimer tout effet d'électrolyse et de garantir une pérennité du capteur même dans le cas de gaps de faibles largeurs. Il est alors possible d'obtenir des capteurs de très bonne sensibilité, résistants dans le temps. La figure 3B montre un premier exemple de capteur élémentaire comprenant deux bandes métalliques 301, 311 protégées par une couche en matériau conducteur non métallique (302, 312), par exemple du carbone. Ce capteur présente l'avantage d'annuler l'oxydation et l'électrolyse tout en étant compatible avec les techniques de fabrication classique de circuits imprimés. Par exemple, un circuit imprimé simple ou double couche est utilisé. Il comprend un support isolant et, de part et d'autre, une fine couche de cuivre. Les bandes métalliques 301, 311 peuvent être obtenues de façon connue par gravure de la couche en cuivre ou fraisage numérique. Alternativement, des pistes conductrices peuvent être déposées sur la surface d'un support plan ou de forme quelconque, et des composants déposés par collage et fixation par exemple au moyen d'un laser. Le dépôt de carbone à l'endroit des bandes métalliques est fait par exemple par sérigraphie, le gap 390 entre les bandes métalliques n'étant pas recouvert. La figure 3C montre un capteur constitué de deux bandes métalliques 301, 311, l'une des deux seulement étant recouverte d'une surface conductrice non métallique. Une polarité doit être respectée pour diminuer l'électrolyse. Ainsi, la bande métallique 311 recouverte de matériau conducteur non métallique pourra avantageusement être connecté à la cathode (pôle négatif) de l'alimentation électrique afin de ne pas perdre de matière lors de la circulation d'un courant. La figure 3D montre un capteur comprenant deux bandes métalliques 301, 311, l'ensemble formé des deux éléments de contact et de la piste de séparation 390 entre les deux étant recouvert d'une couche 303 en matériau anisotrope conducteur selon un axe perpendiculaire à la surface du support 380 sur laquelle sont déposés les éléments de contact. Il s'agit par exemple d'une couche en silicone ou verre, rendue conducteur uniquement sur l'axe perpendiculaire à la première surface grâce à des fibres de carbone. La figure 3A montre un exemple de capteur élémentaire dans lequel les premier et second éléments de contact sont formés de bandes en matériau conducteur non métallique. La fabrication est plus complexe que celle permettant la réalisation de capteurs élémentaires illustrés par exemple sur les figures 3B, 3C mais le capteur résultant est allégé, la quantité de matériaux et le poids étant réduit. Les éléments de contact sont déposés par exemple par sérigraphie ou impression. Ils sont par exemple formés en graphène. Les figures 4A à 4D illustrent respectivement un exemple de capteur surfacique 400 pour une application de panneau lumineux et des vues partielles respectivement de dessus, en coupe et de dessous du capteur surfacique représenté sur la figure 4A. Le panneau 400 (figure 4A) comprend un arrangement de 100 capteurs élémentaires 410 arrangés sous forme d'une matrice à deux dimensions. Chaque capteur élémentaire présente la forme d'une fleur à 8 pétales au centre de laquelle est disposée la LED. Ce motif présente l'avantage d'augmenter la surface et donc le potentiel de connexion autour de la LED et de mieux retenir l'humidité. Dans cet exemple, les 100 LED (461, figures 4B à 4D) de chaque plaque 400 sont incrustées dans un trou de 5mm au centre du capteur élémentaire 410 en forme de "Fleur". Chaque LED est soudée sur la face verso 450 du support 480. Dans cet exemple, la cathode 451 de chaque LED est reliée directement au pôle négatif(-) de l'alimentation (non représentée) tandis que l'anode 441 est reliée par un trou via 481 au second élément de contact 411 du contact élémentaire 410, déposé sur la face recto 470 du support. Le second élément de contact 411 est ainsi connecté à l'anode 441 de la LED mais isolé du premier élément de contact 401 lui-même relié au pôle positif (+) de l'alimentation par la piste de séparation 491 formant une rainure. La LED s'allume lorsqu'une goutte d'eau se pose sur la rainure de la Fleur qui isole l'anode de la LED du plan d'alimentation 470. L'eau fait alors office de résistance est conduit assez d'électricité pour allumer la LED. Plus il y aura d'eau dans la périphérie du capteur élémentaire Fleur plus la LED sera allumée. Le panneau lumineux est une application du capteur surfacique permettant de contrôler une matrice de LED. Chaque LED réagit et s'illumine au contact de l'eau. Par exemple, comme décrit précédemment, sur la surface 470 du support 480 sont imprimées des pistes en cuivre formant les seconds éléments de contact 411, ces éléments de contact étant séparés du plan d'alimentation par les rainures 491. Avantageusement, les éléments de contact 401, 411 peuvent être recouverts ensuite d'une encre conductrice pour supprimer l'oxydation et garantir une bonne pérennité du capteur, comme cela est illustré sur la figure 3B. Alternativement, la surface 470 (recto) du support sur laquelle sont imprimés les éléments de contact peut être reliée à la borne négative de l'alimentation et la surface 450 (verso) à la borne positive. Selon une variante, un circuit électronique peut être agencé au niveau de chaque LED, avantageusement sur la face verso du support, pour protéger la LED en cas de surtension et éventuellement ajuster la sensibilité. Un exemple 530 d'un tel circuit est illustré de façon schématique sur la figure 5. Un circuit de résistances 531 et transistor 532 permet d'alimenter en toute sécurités la LED 561 sertie dans le support (480, figure 4C) en fonction de la quantité d'électricité que l'eau déposée au niveau de la piste de séparation 591 laisse passer entre deux éléments de contact 501, 511 imprimés sur la face 570 du capteur. Les transistors permettent de stabiliser le signal d'allumage des LED et d'amplifier le faible courant passant par le capteur élémentaire « fleur ». L'arrangement ainsi décrit d'une matrice de capteurs élémentaires formant chacun un motif de type « Fleur », avec en son centre la LED, permet la réalisation d'un panneau lumineux sensible à l'humidité ou à tout autre fluide conducteur avec une très grande sensibilité, pérenne dans le temps dès qu'un matériau conducteur non métallique est utilisé pour former tout ou partie d'au moins l'un des premier et second éléments de contact. L'allumage de la LED peut se faire directement dès qu'une densité d'humidité est présente sur la piste isolante de séparation, sans nécessité le contrôle par un microcontrôleur, et permet ainsi une solution simple de conception pour un affichage lumineux à grande échelle, sur surface plane, rigide ou souple. Dans l'exemple décrit au moyen des figures 4A à 4D et 5, les LED sont toutes reliées au même pôle d'une alimentation. Alternativement, il est possible de les alimenter individuellement avec un signal image ou vidéo, pour former une image statique ou vidéo qui sera révélée par présence d'humidité. L'exemple décrit au moyen des figures 4A à 4D et 5 illustre un exemple de réalisation d'un panneau lumineux faite au moyen de cartes de circuits imprimés, rendant la fabrication particulièrement simple et bas coût. D'autres types de supports peuvent être utilisés en fonction des applications. On pourra par exemple concevoir un verre sensible à la buée en intégrant dans du verre des LED encapsulés dans un plastique conducteur. On pourra aussi concevoir l'impression directe des LED sur le support suivie d'une impression des capteurs élémentaires pour former un panneau lumineux intégralement imprimable. Dans ce cas, la LED peut-être protégée par une goutte de résine. Les éléments de contact sont formés par exemple d'une peinture conductrice non soluble dans l'eau ou de graphène. Le capteur surfacique décrit dans la présente description peut également être utilisé comme panneau de commande sensible à l'humidité ou à tout fluide conducteur électriquement. La figure 6 montre un exemple de capteur surfacique pour une application de panneau de commande. Le Panneau de contrôle surfacique 600 permet de déclencher différentes actions via un microcontrôleur 680. Il comprend comme illustré sur la figure 1 A un ensemble de capteurs élémentaires comprenant chacun un premier élément de contact (601 - 604) destiné à être connecté au borne d'une alimentation 650 et un second élément de contact (611 - 614) destiné à être connecté à une entrée (621 - 624) du microcontrôleur 680. L'entrée du microcontrôleur est par exemple une entrée GPIO, une entrée digitale un convertisseur analogique/numérique. En fonction de la densité d'humidité présente au niveau d'un capteur élémentaire, le contact électrique peut être établi permettant de générer un ou plusieurs signaux (S1 - S2) en sortie du microcontrôleur. Selon une variante, des circuits électroniques (631 - 634) peuvent être prévus au niveau de chacun des capteurs élémentaires pour adapter le signal à l'entrée du microcontrôleur, par exemple des circuits d'amplification. La forme des capteurs élémentaires peut être en forme de fleur, comme décrit précédemment pour optimiser la sensibilité du capteur. De nombreuses applications sont alors possibles. Le microcontrôleur peut commander des LED en faisant varier les paramètres de la LED (intensité, couleur) en fonction de la quantité d'eau détectée au niveau de chaque capteur élémentaire et/ou des sons. Des applications sont possibles dans le domaine du jeu ; on pourra par exemple concevoir un jeu évolutif en fonction de la densité d'humidité enregistrée au niveau de chaque capteur. Des applications sont possibles dans la signalétique, la domotique, et de façon générale dans tout domaine dans lequel on cherche à créer des interactions. Le capteur surfacique ainsi décrit dans la présente description forme une nouvelle forme d'interface Homme Machine sensible à l'humidité du corps ou l'ajout d'humidité, ou à tout autre fluide conducteur électriquement. Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation, le capteur surfacique décrit dans la présente description peut comprendre différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention telle que définie par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS1. Capteur surfacique sensible à l'humidité comprenant : - Un support (380, 480) en matériau non conducteur électriquement présentant une première surface, - Un ensemble de premiers éléments de contact (101 - 104), déposés sur la première surface, destinés à être reliés chacun à un pôle d'une alimentation électrique, Un ensemble de seconds éléments de contact (111 - 114), déposés sur la première surface, destinés à être reliés chacun à l'entrée d'un actionneur, chaque second élément de contact (111) étant associé à un premier élément de contact (101) pour former un capteur élémentaire, les premier et second éléments de contact d'un capteur élémentaire étant séparés par une piste isolante électriquement (191) telle que la présence d'une quantité donnée d'humidité sur la piste fasse contact électrique entre les premier et le second éléments de contact, et au moins l'un des premier et second éléments de contact comprenant un matériau conducteur électriquement, non métallique. 2. Capteur surfacique selon la revendication 1, dans lequel au moins l'un des premier et second éléments de contact comprend une piste (301, 311) en matériau métallique recouvert d'un matériau conducteur non métallique (302, 312). 3. Capteur surfacique selon la revendication 1, dans lequel au moins l'un des premier et second éléments de contact est en matériau conducteur non métallique. 4. Capteur surfacique selon la revendication 1, dans lequel les premier et second éléments de contact d'un capteur élémentaire sont formés chacun d'une piste en matériau conducteur électriquement (301, 311), l'ensemble des deux éléments de contact et de la piste isolante électriquement les séparant étant recouverts d'un matériau (303) anisotrope conducteur selon un axe perpendiculaire à la première surface. 5. Capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau conducteur non métallique est formé à base de carbone. 6. Capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et second éléments de contact se présentent sous forme de deux bandes sensiblement parallèles. 7. Capteur surfacique selon la revendication 6, dans lequel les bandes sont arrondies en forme de serpentin. 8. Capteur surfacique selon la revendication 6, dans lequel les premier et second éléments de contact se présentent sous forme de deux bandes fermées séparées par ladite piste isolante électriquement, une bande externe formant le premier élément de contact et une bande interne formant le second élément de contact, la bande interne étant connectée électriquement à un plot électrique d'une seconde surface du support (480) par un via de connexion électrique (481) traversant. 9. Capteur surfacique selon la revendication 8, dans lequel la première surface est revêtue sur la zone extérieure aux bandes externes d'une couche conductrice électriquement permettant de connecter électriquement l'ensemble des premiers éléments de contact. 10. Capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel les bandes intérieure et extérieure forment un motif de fleur avec 6 à 10 pétales, avantageusement 8 pétales. 11. Capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque capteur élémentaire comprend un circuit électronique (131 - 134) d'adaptation du signal électrique généré lors du contact entre les premier et second éléments de contact à l'entré de l'actionneur. 12. Capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les capteurs élémentaires sont agencés sous forme d'une matrice à deux dimensions. 13. Panneau lumineux sensible à l'humidité comprenant un capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications et pour chaque capteur élémentaire, une diode électroluminescente dont l'une des bornes est reliée au second élément de contact. 14. Panneau de commande sensible à l'humidité comprenant un capteur surfacique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, le second élément de contact de chaque capteur élémentaire étant connecté à une entrée d'un microcontrôleur.