Brevet FR3005176A1 — publié le 20141031

B12556 - 13-R0-0212 1 CAPTEUR TACTILE Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, les écrans tactiles ou capteurs tactiles équipant des dispositifs électro- niques. La présente description concerne plus précisément des capteurs tactiles de type capacitif qui détectent une variation de capacité d'un élément de détection. Exposé de l'art antérieur On connaît de nombreux capteurs tactiles. Un des attraits d'un capteur tactile est qu'il peut être placé derrière une surface isolante, ce qui évite la mécanique des interrupteurs mécaniques. Le nettoyage est plus aisé. De plus, avec une surface transparente et des électrodes transparentes, le capteur peut aisément être associé à un écran. Son utilisateur peut alors à la fois visualiser des images ou des informations affichées sur l'écran et introduire des données via l'écran. Une difficulté récurrente dans les capteurs et écrans tactiles de type capacitif est l'influence de paramètres extérieurs engendrant du bruit qui n'est pas négligeable par rapport au signal de mesure et peut engendrer des erreurs de détection. B12556 - 13-R0-0212 2 Résumé Un objet d'un mode de réalisation est de proposer un capteur tactile palliant tout ou partie des inconvénients des capteurs tactiles usuels. Un autre objet d'un mode de réalisation est d'améliorer la fiabilité d'un capteur tactile. Un autre objet d'un mode de réalisation est de proposer une solution particulièrement adaptée à des capteurs tactiles dit à système projeté, c'est-à-dire qui injectent un signal aux bornes de l'élément capacitif dont on détecte la variation de capacité. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, on prévoit un capteur tactile comprenant : une première électrode destinée à recevoir un signal d'excitation ; une deuxième électrode et une troisième électrode destinées à fournir des signaux à un circuit d'interprétation, la première électrode définissant, avec la deuxième électrode, une capacité de valeur supérieure à la valeur d'une capacité 20 définie par la première électrode et la troisième électrode. Selon un mode de réalisation, les électrodes sont planes et ne se chevauchent pas. Selon un mode de réalisation, la deuxième électrode est physiquement placée plus proche de la première que ne l'est 25 la troisième électrode. Selon un mode de réalisation, le capteur comporte en outre une quatrième électrode, intercalée entre la deuxième et la troisième électrode, la quatrième électrode étant destinée à être connectée à la masse. 30 Selon un mode de réalisation, les deuxième et troisième électrodes présentent un couplage identique à un organe de commande du capteur. Selon un mode de réalisation, les deuxième et troisième électrodes sont de même surface. B12556 - 13-R0-0212 3 On prévoit également un procédé d'exploitation de signaux fournis par un capteur tactile, dans lequel on effectue une différence entre les signaux fournis par les deuxième et troisième électrodes. Selon un mode de réalisation, lesdits signaux sont pondérés. Selon un mode de réalisation, un signal d'excitation est appliqué sur la première électrode. On prévoit également une matrice de capteurs. Selon un mode de réalisation, les capteurs sont appariés, la deuxième électrode d'un premier capteur étant relié à la troisième électrode d'un second capteur de la paire et la troisième électrode du premier capteur étant reliée à la deuxième électrode du second capteur de la paire. On prévoit également un écran tactile comportant un ou plusieurs capteurs. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes 20 de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif électronique équipé d'un ou plusieurs capteurs tactiles ; 25 la figure 2 illustre, de façon très schématique et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un capteur tactile ; la figure 3 représente le schéma électrique équivalent du capteur tactile de la figure 2 ; 30 la figure 4 illustre, de façon très schématique, un exemple de réalisation du capteur tactile des figures 2 et 3 ; les figures SA, 5B, 5C et 5D sont des chronogrammes illustrant des exemples de signaux d'entrée et sortie du capteur tactile des figures 2 à 4 ; B12556 - 13-R0-0212 4 la figure 6 est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'un capteur tactile ; la figure 7 représente, de façon très schématique, un exemple de réseau matriciel de capteurs tactiles ; la figure 8 est une représentation très schématique d'encore un autre mode de réalisation d'un capteur tactile ; et les figures 9 et 10 représentent des variantes de réalisation d'un capteur tactile. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, la génération des signaux envoyés au capteur tactile n'a pas été illustrée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les circuits usuels de génération de signaux à destination de capteurs dits à système projeté. La figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de dispositif électronique 1 du type auquel se 20 rapportent les modes de réalisation qui vont être décrits. Un tel dispositif (par exemple un téléphone portable) comporte, dans cet exemple, un écran 12 constituant un écran tactile d'un réseau matriciel de cellules formant chacune individuellement un capteur tactile. Dans l'exemple de la figure 25 1, on suppose que le dispositif 1 est en outre associé à des capteurs tactiles 14 dépourvus d'écran. Le dispositif 1 intègre différents circuits électroniques (symbolisés par un bloc 16) de génération et de traitement des différents signaux utiles au fonctionnement de 30 l'écran 12 et des capteurs 14. Les capteurs tactiles usuels souffrent de problèmes de fiabilité liés à des perturbations parasites qui modifient les charges des éléments capacitifs du capteur. De telles perturbations sont susceptibles de provoquer des erreurs de 35 détection. B12556 - 13-R0-0212 Parmi les solutions usuelles, certains capteurs tactiles prévoient d'augmenter le niveau de mesure, c'est-à-dire la tension d'alimentation de l'élément capacitif du capteur de façon à rendre le bruit négligeable. Toutefois, une telle 5 solution requiert que le dispositif électronique soit susceptible de fournir une tension relativement élevée (de l'ordre de 10 Volts ou supérieure), ce qui n'est pas toujours compatible avec les dispositifs électroniques souhaités. De plus, cela accroît la consommation du circuit. Les capteurs tactiles sont généralement prévus en grand nombre (typiquement plusieurs centaines). C'est en particulier le cas d'un écran tactile où l'utilisateur est susceptible d'actionner différentes zones de l'écran. Dans de tels dispositifs, on pourrait prévoir une cellule tactile ou capteur tactile de référence dont le rôle serait de mesurer le bruit environnant l'ensemble du dispositif afin de soustraire ce bruit aux mesures effectuées. Toutefois, les perturbations que sont susceptibles de subir les capteurs tactiles varient d'un capteur à l'autre au sein du même dispositif, de sorte que l'utilisation d'une cellule de référence ne garantit pas une fiabilité. En particulier, le doigt de l'utilisateur introduit lui-même un bruit qui n'est pas nécessairement capté par la cellule de référence. La figure 2 est une représentation schématique d'un 25 mode de réalisation d'un capteur tactile 2 équipant, par exemple, un dispositif 1 du type de celui illustré en figure 1. La figure 3 représente le schéma électrique équivalent du capteur 2 de la figure 2. La figure 4 est une représentation schématique en 30 coupe d'un exemple de réalisation pratique du capteur 2 des figures 2 et 3. On prévoit, au niveau du capteur lui-même, de détecter le bruit parasite. Ainsi, comme l'illustre la figure 2, le capteur reçoit un signal Tx provenant d'un circuit (inclus dans 35 le bloc 16) de génération d'un signal d'excitation et fournit à B12556 - 13-R0-0212 6 ce même circuit deux signaux de mesure Rxl et Rx2. De façon usuelle, le capteur 2 détecte une variation de la capacité d'éléments capacitifs qui le constituent. Comme l'illustrent les figures 3 et 4, une borne 5 d'entrée 22 du capteur, destinée à recevoir le signal Ix, est reliée à une première électrode 32, réalisée sur un substrat 42 (figure 4). L'électrode 32 est surmontée d'une plaque de protection 44, par exemple en verre dans le cas d'un écran tactile. La réalisation d'un ensemble d'électrodes et de ses 10 connexions est en elle-même usuelle pour réaliser une dalle tactile d'un ou plusieurs capteurs. Selon le mode de réalisation illustré, deux électrodes 34 et 36 sont réalisées à côté de l'électrode 32 et sont raccordées à des bornes 24 et 26 du capteur 2 destinées à 15 fournir les signaux Rxl et Rx2. D'un point de vue électrique, chaque électrode 34 et 36 définit l'électrode d'un élément capacitif respectivement Cl, C2 dont une deuxième électrode est constituée par l'électrode 32 recevant le signal Ix. Lorsqu'on applique un signal (qui sera détaillé par la suite en relation 20 avec les figures SA à 5C) à l'électrode 32, les électrodes 34 et 36 récupèrent une partie de ce signal au travers des capacités qu'elles constituent avec la couche 44, l'air environnant le dispositif et les divers éléments perturbateurs. Lorsqu'un objet de déclenchement (par exemple un doigt D d'un utilisateur) 25 s'approche du capteur, cela modifie la capacité des éléments Cl et C2 et perturbe par conséquent les signaux Rxl et Rx2 reçus. Cette perturbation est détectée pour exploiter la mesure. Comme l'illustre la figure 4, les électrodes sont planes et disposées, de préférence, sans recouvrement. En 30 pratique, les électrodes seront le plus souvent coplanaires (réalisées dans un même niveau conducteur). L'électrode 34 destinée au signal de mesure Rxl est, dans l'exemple représenté, placée plus près de l'électrode 32 destinée à recevoir le signal Ix que de l'électrode 36 destinée au signal Rx2. Ainsi, les 35 transitoires du signal Ix qui sont véhiculés par les capacités B12556 - 13-R0-0212 7 Cl et C2 se retrouvent avec une amplitude plus importante sur l'électrode 34 que sur l'électrode 36. Toutefois, comme les deux électrodes 34 et 36 sont proches l'une de l'autre, on peut considérer qu'elles sont influencées de la même manière par le bruit (les perturbations électromagnétiques) et que les capacités Cl et C2 sont influencées de la même manière par un élément (par exemple le doigt d'un utilisateur) s'approchant du capteur. L'électrode 34 est alors plus sensible à la mesure car elle reçoit plus d'énergie provenant de l'électrode 32. Plus généralement, l'électrode 34 forme, avec l'électrode 32 et le ou les espaces diélectriques qui les séparent, une capacité de valeur supérieure à celle de la capacité formée par les électrodes 32 et 36 et le ou les espaces diélectriques qui les séparent. De préférence, les électrodes 34 et 36 présentent un couplage identique avec un organe de commande (typiquement le doigt de l'utilisateur ou un stylet). Par exemple, les électrodes 34 et 36 ont des surfaces égales. En faisant la différence entre les signaux Rxl et Rx2, il est donc possible d'éliminer la contribution liée au bruit et de ne récupérer qu'une information utile. En pratique, on utilise un ou plusieurs circuit 162 (figure 3) du bloc 16 pour calculer cette différence et, par exemple, la comparer à un seuil TH pour déterminer l'état activé A ou inactif I de la touche comportant le capteur tactile. La mesure et son exploitation peuvent prendre diverses formes et être analogiques ou numériques selon les applications. De préférence, une électrode additionnelle 38, connectée à la masse, est intercalée entre les électrodes 34 et 36. Cette électrode forme, avec les électrodes 34 et 36, respectivement deux éléments capacitifs C3 et C4. L'électrode 38 améliore la séparation entre l'électrode 36 et l'électrode 32 et isole plus l'électrode 36 du signal utile, ce qui améliore le résultat de la détection. B12556 - 13-R0-0212 8 Les figures 5A, 58, 5C et 5D sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement du capteur 2 des figures 2 à 4. La figure 5A illustre un exemple de signal Tx appliqué sur la borne 22 (électrode 32) du capteur. Typiquement, le signal Rx est un signal carré ou rectangulaire. A chaque front montant du signal Tx, une partie de ce signal est récupérée par les électrodes 34 et 36 et se traduit sur les signaux Rxl (figure 58) et Rx2 (figure 5C). La figure 5D illustre le résultat de la différence entre les signaux Rxl et 10 8x2. Ici, on considère une différence analogique mais, comme cela a été indiqué plus haut, la différence pourra être effectuée après conversion analogique-numérique des niveaux de tension présents sur les électrodes. Les parties gauche (I) des figures 5A à 5C illustrent 15 le fonctionnement d'un capteur idéal (sans bruit), respectivement sans toucher (allures 51 et 54) et avec toucher (allures 52 et 55). Les parties droite (II) des figures 5A à 5D illustrent le fonctionnement du capteur des modes de réalisation décrits ci-dessus avec trois niveaux de bruit différents, 20 respectivement négatif, positif et nul, sans toucher (allures 51, 54 et 57) et avec toucher (allures 53, 56 et 58). On considère cinq exemples de comportement du capteur tactile (cinq impulsions du signal Tx). En l'absence de bruit (parties gauche I), les deux 25 impulsions (fronts montants) du signal Tx se retrouvent sur les électrodes 34 et 36 en étant atténuées en présence d'un toucher. L'effet du toucher est similaire sur les deux signaux 8x1 et 8x2 à la seule différence que les amplitudes récupérées sur l'électrode 36 sont moindres (allures 54 et 55). Dans ce 30 fonctionnement idéal, il suffit de fixer un seuil TH1 de détection entre les amplitudes maximales (pics) respectives des allures 51 et 52 (ou TH2 entre les amplitudes maximales (pics) respectives des allures 54 et 55), par exemple au milieu de l'amplitude de variation MA (signal Rxl) liée à la mesure pour 35 que la détection soit correcte. B12556 - 13-R0-0212 9 En présence de bruit (parties II), le seuil TH idéal ne permet plus une détection correcte à partir du seul signal Rxl. Comme l'illustrent les allures 53 et 56, en présence de bruit (deux premières impulsions de la partie II), la détection est faussée si le bruit compense la diminution liée au toucher et conduit à un niveau (deuxièmes impulsions) qui reste supérieur au seuil TH1, respectivement TH2. Toutefois, en faisant la différence entre les allures 53 et 56 (version analogique) ou entre des valeurs représentatives des niveaux de tension mesurés sur les électrodes 34 et 36 (version numérique), l'influence du bruit est éliminée et les allures 57 et 58 obtenues permettent de fixer un seuil indépendamment de l'amplitude du bruit. Par conséquent, il suffit de fixer un seuil TH entre les deux niveaux d'amplitude sans bruit pour que le capteur fonctionne correctement et détecte les états actif A et inactif I. En pratique, l'état actif accroit l'atténuation du signal par augmentation des capacités Cl et C2 (la permittivité du doigt étant supérieure à celle de l'air). La figure 6 est une vue de dessus schématique d'un exemple de réalisation d'un capteur 2. Les électrodes 32, 34 et 36 sont réalisées sous la forme de portions conductrices sur un substrat isolant 42. Dans l'exemple de la figure 6, on suppose la présence de l'électrode supplémentaire de masse 38. De préférence, les surfaces respectives 34 et 36 sont identiques de façon à faciliter la détection. En particulier, cela évite d'affecter des coefficients de pondération aux signaux Rxl et Rx2 lors de leur soustraction ou interprétation. La figure 7 est une représentation schématique d'une matrice 6 de capteurs 2 tels qu'illustrés par les figures précédentes. Cette figure illustre un exemple de raccordement des différents capteurs. Dans cet exemple, les signaux Rxl et Rx2 sont captés par colonne tandis que le signal Ix est distribué par ligne. La connexion optionnelle à la masse des électrodes additionnelles 38 est effectuée, par exemple, par B12556 - 13-R0-0212 10 colonne. Par rapport à une matrice tactile usuelle, il faut utiliser un conducteur de colonne supplémentaire pour le signal Rx2 et, en présence de l'électrode 38, un autre pour la masse M. La figure 8 représente un autre mode de réalisation 5 d'un capteur tactile 2' dans lequel les électrodes 32', 34' et 36' (ainsi que l'électrode optionnelle 38' illustrée en pointillés) sont formées de cadres imbriqués. Les conducteurs de raccordements de ces électrodes sont organisés en lignes et en colonnes dans un réseau matriciel. 10 La figure 9 représente une variante dans laquelle l'électrode 36 est partagée par deux capteurs 2 et 2', c'est-à-dire par deux électrodes 32, deux électrodes 34 et, le cas échéant deux électrodes 38. La forme de la figure 9 reprend l'exemple d'électrodes rectangulaires de la figure 6. La 15 structure présente un axe de symétrie 9 au milieu de l'électrode 36. Une telle variante permet de réduire le nombre de conducteurs de colonne dans une structure matricielle et de gagner de la place. La figure 10 représente une autre variante dans 20 laquelle les capteurs sont réalisés par paires 60 de deux capteurs 61 et 62. L'électrode 34 du capteur 61 étant reliée, par le conducteur 63 d'un des signaux de mesure, par exemple Rxl, à l'électrode 36 du capteur 62. L'électrode 36 du capteur 61 étant reliée à l'électrode 34 du capteur 62 par le conducteur 25 64 de l'autre signal de mesure, par exemple Rx2. Dans l'exemple de la figure 10, l'électrode 32 est à droite (dans l'orientation de la figure) pour le capteur 61 et à gauche pour le capteur 62, de façon à éviter un croisement des conducteurs 63 et 64. Une telle réalisation permet, en utilisant un même conducteur 65 de 30 signal d'excitation Ix pour les deux capteurs, de ne pas augmenter le nombre de conducteurs de mesure dans un arrangement matriciel. Il suffit d'interpréter les mesures dans des niveaux positifs pour un capteur et négatifs pour l'autre pour distinguer les détections effectuées par les deux capteurs. B12556 - 13-R0-0212 11 Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la réalisation pratique du capteur tactile et le traitement et l'interprétation des signaux sont à la portée de 5 l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus en utilisant des techniques en elles-mêmes usuelles de fabrication de capteurs tactiles dans l'industrie microélectronique. Par exemple, les électrodes pourront avoir des formes variées, être imbriquées, etc. De plus, si la 10 structure proposée s'applique à des matrices de capteurs, elle est également compatible avec une réalisation de capteurs individuels. REVENDICATIONS1. Capteur tactile comprenant : une première électrode (32) destinée à recevoir un signal d'excitation (Ix) ; une deuxième électrode (34) et une troisième électrode (36) destinées à fournir des signaux à un circuit (162) d'interprétation, la première électrode définissant, avec la deuxième électrode, une capacité (Cl) de valeur supérieure à la valeur d'une capacité (C2) définie par la première électrode et la troisième électrode. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les électrodes (32, 34, 36) sont planes et ne se chevauchent pas. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième électrode (34) est physiquement placée plus proche de la première (32) que ne l'est la troisième électrode (36). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre une quatrième électrode (38), intercalée entre la deuxième (34) et la troisième (36) électrode, la quatrième électrode étant destinée à être connectée à la masse (M) . 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les deuxième (34) et troisième (36) électrodes présentent un couplage identique à un organe de commande du capteur. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 5, dans lequel les deuxième (34) et troisième (36) électrodes sont de même surface. 7. Procédé d'exploitation de signaux fournis par un capteur tactile selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on effectue une différence entre les signaux fournis 30 par les deuxième (34) et troisième (36) électrodes. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel lesdits signaux sont pondérés.B12556 - 13-R0-0212 13 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel un signal d'excitation (Ix) est appliqué sur la première électrode (32). 10. Matrice de capteurs conformes à l'une quelconque 5 des revendications 1 à 6. 11. Matrice de capteurs selon la revendication 10, dans laquelle les capteurs sont appariés, la deuxième électrode (34) d'un premier capteur (61) étant reliée à la troisième électrode (36) d'un second capteur (62) de la paire (60) et la troisième 10 électrode du premier capteur étant reliée à la deuxième électrode du second capteur de la paire. 12. Ecran tactile comportant un ou plusieurs capteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.