Brevet FR3028061A1 — publié le 20160506

-1- « Dispositif capteur capacitif comprenant des électrodes ajourées » Domaine technique La présente invention concerne un dispositif capteur capacitif pour des applications de mesure et de détection, ou pour réaliser des interfaces tactiles et sans contact. Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des systèmes de mesure capacitifs. Etat de la technique antérieure Les techniques de détection capacitives sont largement utilisées dans des applications très variées, par exemple dans les domaines de la mesure industrielle, des systèmes de détection anticollision, ou des interfaces homme-machines tactiles et sans contact. Les capteurs capacitifs utilisés pour effectuer des mesures de proximité (pour les applications de détection anticollision par exemple) et ceux mis en oeuvre dans les interfaces homme-machine tactiles et sans contact les plus performantes mettent en oeuvre en général un principe de mesure directe de capacités de couplage (mode « self »). Ce principe de mesure est basé sur une mesure de la capacité qui se crée entre chaque électrode qui constitue le capteur et le ou les objets d'intérêts à détecter. Les capteurs les plus performants en termes de détection lointaine ou à grande distance sont équipés d'une garde dite active qui permet d'éviter l'apparition de capacités de fuite dues à des couplages parasites entre les électrodes et leurs environnement. Cette garde active est polarisée au même potentiel électrique que les électrodes de mesure. Ainsi, il est possible d'effectuer des mesures de capacités absolues entre les électrodes et les objets d'intérêts (sans perturbations par des capacités de fuite) et d'en déduire des distances absolues capteur-objet avec une sensibilité optimale. La conversion de la capacité à mesurer en signal électrique est fréquemment réalisée avec un montage de type amplificateur de charge, ou convertisseur capacité-tension. En effet, ce type de montage est une solution très performante au niveau de la mesure et de la simplicité du schéma. -2- On connaît par exemple le document W02004/023067 qui décrit un détecteur de proximité destiné à équiper par exemple des dispositifs d'imagerie médicale avec des éléments en mouvement, pour détecter la présence et la position d'un patient et ainsi adapter les déplacement de l'équipement en conséquence. Les éléments sensibles sont constitués de matrices d'électrodes capacitives protégées selon leur face arrière par un plan de garde. On connaît également le document W02011/015794 qui décrit un dispositif d'interface de commande utilisable comme interface homme- machine et permettant de détecter à la fois des contacts et des mouvements à distance. Le dispositif comprend une surface sensible constituée d'une matrice d'électrodes capacitives protégées selon leur face arrière par un plan de garde. Les électrodes et la garde peuvent être transparentes et superposées à un écran d'affichage pour réaliser un écran tactile capable de détecter également des gestes à proximité. Dans les exemples cités, les électrodes sont excitées à un potentiel d'excitation alternatif, et la garde est polarisée à un potentiel de garde sensiblement identique à ce potentiel d'excitation. Comme les objets à détecter sont à un potentiel de masse, on peut ainsi mesurer la capacité qui s'établit entre les électrodes et ces objets. Les plans de garde au potentiel des électrodes empêchent l'apparition de capacités de fuite entre les électrodes de mesure et d'autres éléments à la masse. Dans ces deux exemples, l'électronique de détection est en outre en partie référencée au potentiel de garde (au moins pour les parties sensibles 25 pour la mesure) afin de supprimer également les capacités de fuite au niveau des composants. On connaît également le document W02011/015795 qui décrit un dispositif de détection capacitif à garde active dans lequel le principe de la garde est étendu à des moyens électroniques placée à proximité des 30 électrodes et destinés à réaliser une autre fonction. Ainsi, ces autres moyens électroniques ne génèrent pas non plus de capacités de fuite. Dans les exemples cités, l'étage d'entrée de la détection peut être représenté par un schéma équivalent avec un amplificateur de charge basé sur un amplificateur opérationnel. L'électrode de mesure est reliée à la borne -3- (-) de cet amplificateur opérationnel tandis que les éléments à la garde sont reliés à sa borne (+). Même si ces éléments sont au même potentiel, ils sont en couplage capacitif les uns avec les autres. Ce couplage peut être modélisé par une 5 capacité de couplage parasite Cp placée entre les bornes (+) et (-) de l'amplificateur de charge. Cette capacité de couplage parasite Cp affecte les performances en bruit de l'amplificateur de charge et sa consommation. En particulier, elle crée un gain sur le bruit en tension intrinsèque de l'amplificateur et dégrade son 10 gain en boucle ouverte. Pour des capacités de couplage parasites Cp trop élevées, il peut même apparaître des problèmes de saturation de l'amplificateur de charge. Or, dans des applications telles que les détecteurs de proximité, il est nécessaire d'utiliser des électrodes de grande dimension pour avoir des 15 portées de détection de plusieurs dizaines de centimètres. Les surfaces d'électrodes en regard de la garde sont ainsi importantes et les capacités de couplage parasites résultantes peuvent être problématiques. Dans des applications de type interfaces tactiles avec des matrices d'électrodes superposées à des écrans d'affichage, il est nécessaire de 20 minimiser la distance entre les électrodes et le plan de garde, pour minimiser l'épaisseur de la dalle tactile. Dans ces conditions, les capacités de couplage parasites résultantes peuvent également être problématiques, d'autant plus qu'il est indispensable pour ce type d'application de minimiser la consommation électrique. 25 Lorsque les électrodes capacitives sont intégrées dans les couches constitutives de l'écran d'affichage (technologies de type « in-cell ») et/ou environnées d'éléments au potentiel de garde, on risque également d'avoir des capacités de couplage parasites excessives. La présente invention a pour objet de permettre une limitation des 30 capacités de couplage électrodes-garde dans les dispositifs de détection capacitifs à garde active. La présente invention a également pour objet de permettre la mise en oeuvre d'électrodes de grandes dimensions sans dégradation des performances de mesure dans de tels dispositifs. -4- La présente invention a également pour objet de permettre la mise en oeuvre d'éléments de gardes active à proximité immédiate des électrodes de mesure sans dégradation des performances de mesure. Exposé de l'invention Cet objectif est atteint avec un dispositif capteur capacitif comprenant : - au moins une électrode capacitive avec un matériau sensiblement conducteur agencé de sorte à constituer une surface conductrice ; - au moins un élément de garde disposé à proximité de ladite au moins une électrode capacitive ; caractérisé en ce que ladite ou lesdites électrodes capacitives comprennent au moins une ouverture sans matériau conducteur aménagée dans ou en bordure de la surface conductrice de sorte à réduire la capacité de couplage entre ladite ou lesdites électrodes capacitives et ledit ou lesdits éléments de garde. Ainsi, les électrodes capacitives selon l'invention comprennent une surface conductrice avec une ou une pluralité d'ouvertures. Ces « ouvertures » désignent des zones dans la couche de la surface conductrice dépourvues de matériau conducteur. Il peut s'agir de trous, c'est-à-dire de zones environnées de matériau conducteur, ou d'encoches ou encore d'échancrures dans les bords de la surface conductrice. Ces ouvertures ont notamment pour fonction de réduire l'aire de la surface conductrice sans en réduire notablement les dimensions extérieures. Ces dimensions extérieures peuvent être par exemple représentées par la plus grande extension ou l'extension moyenne de la surface conductrice le long d'axes de référence d'un repère du plan de cette surface conductrice. Les dimensions extérieures de la surface conductrice déterminent une dimension et une surface effective de l'électrode capacitive, qui conditionnent pour l'essentiel les interactions de cette électrode avec l'environnement. En effet, elles déterminent pour l'essentiel son diagramme de couplage avec l'environnement, ou en d'autres termes la structure des lignes de champ qui peuvent se créer entre cette électrode et des objets à proximité. Dans le cas d'une structure périodique d'électrodes (telle qu'une ligne ou une matrice d'électrodes), les dimensions effectives de l'électrode déterminent avec le pas de la structure (c'est-à-dire la distance entre des -5- centres d'électrodes consécutives de la structure dans la direction considérée) la linéarité de la mesure du déplacement d'un objet. Par exemple, pour une valeur de pas de la structure donnée, la mesure du déplacement d'un objet de petite dimension devant ce pas peut présenter des effets de marche d'escalier beaucoup plus prononcés avec des électrodes de petites dimensions qu'avec des électrodes de grande dimension. L'aire de la surface conductrice détermine pour l'essentiel la capacité de couplage parasite qui peut apparaître avec un élément ou une surface de garde placée à proximité. Ainsi, l'invention permet de réduire ou de contrôler la distribution de cette capacité de couplage parasite sans affecter notablement les dimensions effective de l'électrode, et donc par exemple sans affecter la linéarité de la mesure d'une structure périodique d'électrodes. En d'autres termes, l'invention permet d'ajuster séparément la capacité 15 de couplage de l'électrode et ses dimensions effectives. Suivant une variante de l'invention, le capteur capacitif selon l'invention peut comprendre au moins un élément de garde agencé sous la forme d'une surface conductrice de garde avec au moins une ouverture sans matériau conducteur aménagée dans ou en bordure de cette surface conductrice de 20 garde en vis-à-vis d'au moins une électrode capacitive, de sorte à réduire la capacité de couplage entre ladite ou lesdites électrodes capacitives et ledit ou lesdits éléments de garde. Dans cette variante, suivant des modes de réalisation : - les électrodes capacitives peuvent être dépourvues d'ouverture sans 25 matériau conducteur dans ou en bordure de la surface conductrice ; - les électrodes capacitives peuvent comprendre des ouvertures sans matériau conducteur dans ou en bordure de la surface conductrice ; - les électrodes capacitives peuvent comprendre des ouvertures sans matériau conducteur dans ou en bordure de la surface conductrice agencées 30 de sorte à être sensiblement en vis-à-vis d'ouvertures sans matériau conducteur aménagées dans la ou les surfaces conductrices de garde. Cette configuration permet de limiter les fuites capacitives au travers de la garde. Il est toutefois à noter que cette variante est moins favorable car elle revient à dégrader la garde et à générer des fuites capacitives. Toutefois, elle -6- permet par exemple de mettre en oeuvre des éléments de garde réalisés sous forme de treillis. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une électrode capacitive avec au moins une ouverture 5 agencée de sorte à réduire la capacité de couplage de l'un au moins des facteurs suivants : - un facteur supérieur ou égal à 1,5 ; - un facteur supérieur ou égal à 2 ; Cette réduction de capacité de couplage est bien entendu obtenue avec 10 une réduction de l'aire de la surface conductrice dans un voisinage du ou des éléments de garde considérés, en prenant en compte également le cas échéant la distance avec les éléments de garde. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une électrode capacitive avec une surface conductrice 15 géométriquement inscrite dans une surface effective d'électrode avec un contour de l'un au moins des types suivants : une enveloppe convexe, un polygone convexe, un parallélogramme, une ellipse, un cercle. Comme expliqué précédemment, la surface effective d'électrode et son contour sont ainsi les éléments représentatifs des dimensions effectives de 20 l'électrode. La surface conductrice est dite « géométriquement inscrite » dans la surface effective d'électrode dans la mesure où elle est incluse dans cette surface d'électrodes et son contour est au moins en partie superposé ou tangent avec le contour de la surface effective d'électrode. 25 Une enveloppe convexe ou un polynôme convexe sont des surfaces géométriques dont le contour ne comporte aucun « creux ». Dans le cas du polynôme convexe, cette condition est remplie lorsque les angles entre les segments sont tous inférieurs à 180 degrés. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut 30 comprendre au moins une électrode capacitive avec une surface conductrice dont l'aire satisfait à au moins l'un des critères suivants : - l'aire de la surface conductrice est inférieure à l'aire de la surface effective d'électrode ; -7- - l'aire de la surface conductrice est inférieure d'un facteur égal ou supérieur à 1,5 à l'aire de la surface effective d'électrode ; - l'aire de la surface conductrice est inférieure d'un facteur égal ou supérieur à 2 à l'aire de la surface effective d'électrode ; Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une électrode capacitive avec des ouvertures agencées dans ou en périphérie de la surface conductrice de sorte à satisfaire au moins l'un des critères suivants : - la densité de surface d'ouvertures est sensiblement homogène; - la densité de surface d'ouvertures dépend localement de la distance avec un ou des éléments de garde situés à proximité. - la densité de surface d'ouvertures est plus élevée vers les bords de la surface conductrice que vers son centre ; - la densité moyenne de charges sur la surface de l'électrode, tel que 15 résultant d'un couplage capacitif avec un objet de mesure à proximité, est sensiblement homogène. La densité de surface d'ouvertures est définie comme un rapport ou un ratio, dans un voisinage donné, entre l'aire de surface conductrice présente dans ce voisinage et l'aire cumulée des ouvertures dans le matériau 20 conducteur également présentes dans ce voisinage. Le fait de mettre en oeuvre une densité de surface d'ouvertures qui dépend localement de la distance avec un ou des éléments de garde situés à proximité permet par exemple de limiter efficacement la capacité de couplage parasite tout en minimisant l'aire de surface conductrice (de l'électrode) 25 perdue, en positionnant des ouvertures de préférence à proximité des éléments de garde dont la contribution à la capacité de couplage est prépondérante. Le fait de mettre en oeuvre une densité de surface d'ouvertures plus élevée vers les bords de la surface conductrice que vers son centre permet 30 notamment de linéariser et homogénéiser une fonction de transfert de mesure d'électrode par rapport à la position (projetée dans le plan de l'électrode) d'un objet, en corrigeant le fait que les charges électriques ont tendances à se concentrer sur les bords de la surface conductrice de l'électrode. -8- Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une électrode capacitive avec au moins une ouverture de l'une au moins des formes suivantes : circulaire, oblongue, carrée, rectangulaire. Bien entendu, toutes autres formes d'ouvertures sont également possibles dans le cadre de l'invention. Lorsque la surface conductrice est réalisée avec des techniques planaires, telles que par exemple un dépôt d'ITO (Oxyde d'indium-étain) pour des électrodes transparentes, ou de la photogravure de couches métallisées pour les électrodes opaques, ces ouvertures peuvent être réalisées par exemple par masquage. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une électrode capacitive avec une surface conductrice agencée sous forme de treillis. Ce treillis peut comprendre par exemple un réseau de fils ou de micro- fils métalliques. Dans ce cas, la densité de surfaces d'ouvertures est déterminée par un ratio local entre l'aire couverte par les éléments conducteurs (fils) et l'aire dépourvue de tels éléments. Ce treillis peut également être réalisé par des techniques planaires. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une pluralité d'électrodes capacitives réparties sur au moins une surface de mesure. Ces électrodes peuvent être réparties par exemple selon une disposition matricielle dans un plan correspondant à une surface de mesure. Elles peuvent également être réparties sous la forme de lignes et de colonnes, par exemple dans deux plans superposés, ou dans un même plan avec des ponts conducteurs pour les croisements. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins un élément de garde agencé sous la forme d'une 30 surface ou d'un plan placé à proximité d'une face d'au moins une électrode capacitive. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins un élément de garde polarisé à un potentiel de masse. -9- Suivant d'autres modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une électrode capacitive excitée à un potentiel d'excitation alternatif, et au moins un élément de garde polarisé à un potentiel de garde alternatif identique ou sensiblement identique audit potentiel d'excitation à au moins une fréquence d'excitation. Suivant les modes de détection mis en oeuvre, le potentiel de garde peut être différent du potentiel d'excitation alternatif et comprendre d'autres composantes à des fréquences différentes de la ou des fréquences d'excitation. En effet, par exemple, si la mesure de capacité comprend une démodulation synchrone à la fréquence d'excitation, ces autres composantes sont rejetées et ne contribuent pas à la détection. Il peut comprendre en outre : - des moyens d'excitation et de mesure capacitifs avec un amplificateur de charge ; - des moyens d'excitation et de mesure capacitifs au moins en partie référencés au potentiel de garde. Suivant un autre aspect, il est proposé un dispositif d'interface comprenant un écran d'affichage et un dispositif capteur capacitif selon l'invention avec une pluralité d'électrodes capacitives en matériau 20 sensiblement transparent disposées sur ou dans ledit écran d'affichage. Suivant encore un autre aspect, il est proposé un appareil comprenant un dispositif d'interface selon l'invention. Cet appareil peut être notamment de type smartphone ou tablette. Description des figures et modes de réalisation 25 D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : - la Fig. 1 illustre un panel de détection capacitive selon l'invention, - la Fig. 2 illustre un premier mode de réalisation d'une électronique de 30 détection capacitive, - la Fig. 3 illustre un second mode de réalisation d'une électronique de détection capacitive, - la Fig. 4 illustre par un schéma électrique équivalent l'effet des capacités de couplage parasites vers la garde, -10- - les Fig. 5(a) à Fig. 5(d) illustrent des modes de réalisation d'électrodes selon l'invention, - les Fig. 6(a) et Fig. 6(b) illustrent, respectivement selon une vue de face et une vue de côté, un mode de réalisation d'électrode selon l'invention 5 prenant en compte la présence d'éléments de garde à proximité immédiate, - la Fig. 7 illustre, Fig. 7(a), une électrode selon l'invention avec une densité de surface d'ouvertures plus élevée vers les bords de la surface conductrice que vers son centre, et Fig. 7(b) un profil de densité de charge au travers de l'électrode. 10 Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage 15 technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à 20 l'état de la technique antérieur. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique. Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la 25 même référence. On va tout d'abord décrire, en référence à la Fig. 1, une configuration de dispositif de mesure capacitif selon l'invention qui met en oeuvre des électrodes de mesure capacitives 12 réparties selon une disposition matricielle 30 sur une surface ou un panel de mesure 11. Cette configuration est bien entendu détaillée à titre d'exemple et elle est en aucun cas limitative. Les électrodes capacitives 12 permettent de détecter, par couplage capacitif, la présence d'objets d'intérêt 10 dans une zone de détection. -11- Suivant les applications, elles peuvent permettre de mesurer la position relativement à la surface de mesure 11 de ce ou ces objets d'intérêts 10. Dans le mode de réalisation présenté, le dispositif de mesure comprend également un élément de garde 13 sous la forme d'une surface de garde 13 qui est disposée selon la face des électrodes de mesure 12 opposée à la zone de détection. Cette surface de garde 13 protège les électrodes 12 des perturbations électrique extérieures et évite en particulier l'apparition de capacités de fuite. Conformément à l'invention, les électrodes 12 comprennent une surface 10 conductrice avec des ouvertures. Différents modes de réalisation de ces électrodes sont détaillés plus loin. La configuration illustrée à la Fig. 1 est représentative de dispositifs de mesure capacitifs tels que mis en oeuvre, par exemple : - pour réaliser des systèmes de détection d'approche ou d'anticollision, 15 pour des applications dans des équipements d'imagerie médicale avec des éléments mobiles, ou en robotique, par exemple. Dans ce cas la surface ou le panel de mesure 11 avec la garde 13 peuvent être réalisés sous la forme d'un circuit imprimé double face flexible ou rigide ; - pour réaliser des interfaces de contrôle aptes à détecter des contacts 20 avec la surface de mesure, ainsi éventuellement que des gestes effectuées dans la zone de détection. Ces interfaces de contrôle peuvent avoir la forme de pads. Elles peuvent également être superposées ou intégrées à un écran d'affichage, pour constituer des interfaces tactiles d'appareils tels que des smartphones ou des tablettes. Dans ce cas, les électrodes 12 et les éléments 25 de garde 13 peuvent être réalisés avec des matériaux sensiblement transparents, tels que de l'ITO. En référence aux Fig. 2 et Fig. 3, on va maintenant décrire des exemples de modes de réalisations d'électronique de mesure capacitive. 30 La Fig. 2 illustre un premier mode de réalisation de cette électronique de mesure capacitive. Le schéma électronique mis en oeuvre dans ce mode de réalisation est basé sur un amplificateur de charges 27 représenté sous la forme d'un amplificateur opérationnel 24 avec une capacité de contre réaction 25. -12- Il permet de mesurer la capacité entre un objet de commande 10 à la masse générale du système 22 et une électrode de mesure capacitive 12. Comme expliqué précédemment, la mesure de cette capacité permet de déduire par exemple la distance entre l'objet 10 et l'électrode de mesure 12. L'électrode de mesure 12 est reliée à l'entrée (-) de l'amplificateur de charge 24. L'entrée (+) de l'amplificateur de charge 24 est excitée par un oscillateur 21 qui délivre une tension alternative d'excitation. L'électrode de mesure 12 est ainsi polarisée sensiblement à ce même potentiel d'excitation. La sortie de l'amplificateur de charge 27 est reliée à un amplificateur différentiel 26 qui permet d'obtenir en sortie une tension représentative des capacités à l'entrée de l'amplificateur de charge 24. Le dispositif comprend également des éléments de garde 13 destinés à protéger les électrodes de mesure 12 et les éléments de liaison entre les électrodes 12 et l'électronique. Ces éléments de garde 13 sont polarisés à un potentiel de garde 20 qui correspond sensiblement au potentiel d'excitation généré par l'oscillateur 21. On génère ainsi une garde active sensiblement au même potentiel que les électrodes de mesure 12. L'électronique comprend également des moyens de scrutation ou des switchs 23 qui permettent de sélectionner les électrodes 12. Ces switchs 23 sont agencés de telle sorte qu'une électrode 12 est soit reliée à l'amplificateur de charge et mesurante, soit reliée au potentiel de garde 20 pour contribuer aux éléments de garde 13. Dans ce mode de réalisation, l'électronique de détection capacitive avec 25 l'amplificateur de charge 27 et l'amplificateur différentiel 26 sont globalement référencée à la masse générale 22. Ce mode de réalisation a toutefois l'inconvénient de permettre la présence de capacités de fuite entre les électrodes 12 et/ou l'entrée de l'amplificateur de charge 27 et des éléments au potentiel de masse général 30 22. La Fig. 3 illustre un second mode de réalisation de cette électronique de mesure capacitive. Ce mode de réalisation permet également de mesurer la capacité entre un objet de commande 10 à la masse générale 22 du système et une -13- électrode de mesure capacitive 12. Comme expliqué précédemment, la mesure de cette capacité permet de déduire par exemple la distance entre l'objet 10 et l'électrode de mesure 12. Dans ce mode de réalisation, l'électronique comprend une partie dite 5 flottante » 30 qui est globalement référencé à un potentiel de référence alternatif 20 (ou potentiel de garde 20) généré par un oscillateur 21. Ainsi, il ne peut pas apparaître de capacités de fuite, puisque tous les éléments, y compris les électrodes 12 et la partie sensible de l'électronique de détection, sont au même potentiel de garde. On peut ainsi obtenir de grandes 10 sensibilités et détecter des objets de commande 10 à des distances éloignées. Ce type d'électronique de détection, dite « à référence flottante » ou « en pont flottant », est décrit en détail par exemple dans le document W02011/015794, précédemment cité. Aussi, pour des raisons de concision, seules ses caractéristiques essentielles sont rappelées ici. 15 Comme précédemment, le schéma électronique mis en oeuvre dans ce mode de réalisation est basé sur un amplificateur de charges 27, représenté sous la forme d'un amplificateur opérationnel 24 avec une capacité de contre réaction 25. L'amplificateur de charge 27, comme toute la partie sensible de 20 l'électronique de détection, est référencé au potentiel de garde 20 et fait donc partie de la partie flottante 30 de l'électronique. Cette partie flottante 30 peut bien entendu comprendre d'autres moyens de traitement et de conditionnement du signal, y compris numériques ou à base de microprocesseur, également référencés au potentiel de garde 25 20. Ces moyens de traitement et de conditionnement permettent par exemple de calculer des informations de distance et de position à partir des mesures capacitives. L'alimentation électrique de la partie flottante 30 est assurée par des moyens flottants de transfert d'alimentation 31, comprenant par exemple des 30 convertisseurs DC/DC. L'électronique flottante 30 est reliée en sortie à l'électronique de l'appareil référencée à la masse générale 22 par des éléments de liaisons 32 compatibles avec la différence de potentiels de référence. Ces éléments de -14- liaisons 32 peuvent comprendre par exemple des amplificateurs différentiels ou des optocoupleurs. Dans le mode de réalisation présenté, l'électrode de mesure 12 est reliée à l'entrée (-) de l'amplificateur de charge 27. L'entrée (+) de l'amplificateur de charge 27 est excitée par l'oscillateur 21 qui délivre la tension alternative de référence 20, ou potentiel de garde 20. L'électrode de mesure 12 est ainsi polarisée sensiblement à cette même tension de référence 20. Le dispositif comprend également des éléments de garde 13 destinés à protéger les électrodes de mesure 12 et les éléments de liaison entre les électrodes 12 et l'électronique. Ces éléments de garde 13 sont polarisés au potentiel de garde 20 généré par l'oscillateur 21, qui est donc aussi le potentiel de référence de l'électronique flottante 30. Le dispositif comprend également des moyens de scrutation ou des switchs 23 qui permettent de sélectionner les électrodes 12. Ces switchs 23 sont agencés de telle sorte qu'une électrode 12 est soit reliée à l'amplificateur de charge 27 et mesurante, soit reliée au potentiel de garde 20 pour contribuer aux éléments de garde 13. Les switchs 23 sont également référencés au potentiel de garde 20. En relation avec la Fig. 4, on va maintenant décrire l'influence des capacités de couplage parasites vers la garde dans les amplificateurs de charge 27 du type de ceux mis en oeuvre dans les modes de réalisation décrits en relation avec les Fig. 2 et Fig. 3. Comme expliqué précédemment, l'amplificateur de charge 27, qui peut être également considéré comme un convertisseur capacité-tension, est basé sur un amplificateur opérationnel 24 avec une capacité de contre-réaction 25 de valeur C. Il permet de mesurer la capacité Cx qui correspond à la capacité de 30 couplage entre une électrode de mesure 12 et un ou des objets d'intérêt 10. La capacité à mesurer Cx est excitée par un signal d'excitation alternatif périodique (de forme sinusoïdale, carrée...), par exemple généré par l'oscillateur 21. Ce signal d'excitation d'amplitude V génère un courant I au travers de la capacité à mesurer Cx. -15- Ce courant I est incident sur l'entrée (-) de l'amplificateur opérationnel 24. Dans la mesure où on peut considérer que l'impédance d'entré de cet amplificateur opérationnel 24 est infinie, et donc que le potentiel de l'entrée (-) est identique à celui de l'entrée (+), la valeur du courant I est par conséquence égale au courant Ic qui circule dans la capacité de contre-réaction 25 de valeur C. Le courant I est donc converti en une tension de sortie Vs (relativement à la masse générale 22) grâce à la capacité de contre-réaction C. La capacité C et la tension d'excitation donnent le gain du convertisseur capacité-tension. Plus précisément, on a : Vs = V Cx/C. L'erreur de mesure dépend notamment du rapport du gain en boucle ouverte de l'amplificateur opérationnel 24 et du gain en boucle fermée à la fréquence d'excitation. Ce procédé permet d'obtenir une sensibilité extrême à condition que la référence de tension sur l'entrée (+) de l'amplificateur soit bien référencée par rapport à la tension d'excitation (pas d'injection de signaux parasites ou mal définis) et que le produit gain x bande de l'amplificateur soit bien dimensionné par rapport à la fréquence du signal d'excitation. Toutefois une limitation en résolution est donnée par le bruit 20 thermodynamique naturel de l'amplificateur de charge. Les amplificateurs linéaires analogiques ont 2 types de bruit : un bruit en courant et un bruit en tension. Les amplificateurs opérationnels à haute impédance d'entrée sont généralement de type FET, JFET, BIFET, DIFET, MOS, MOSFET, CMOS.... Lorsque ce type de composant est monté en 25 amplificateur de charge, le bruit en courant est généralement négligeable devant le bruit en tension. En effet, pour les applications considérées, il y a toujours une capacité de couplage parasite 41 à l'entrée de l'amplificateur 24, qui est créée par le capteur capacitif 12 et la ligne de liaison entre le capteur et l'électronique. 30 Cette capacité parasite 41, de valeur Cp, influence les caractéristiques intrinsèques de l'amplificateur, et plus particulièrement créé un gain sur le bruit en tension et engendre une dégradation du gain en boucle ouverte de l'amplificateur. Ce gain rend le bruit en tension très prépondérant devant le bruit en courant de l'amplificateur 24. -16- Le bruit en tension à l'entrée de l'amplificateur est représenté sur la Fig. 4 par une source de tension 40 d'amplitude En placée en série avec la capacité à mesurer Cx sur l'entrée (-) de l'amplificateur. La capacité de couplage parasite Cp ramenée à l'entrée de 5 l'amplificateur de charge correspond à une somme de capacités parasites en parallèle comprenant notamment : - une capacité de couplage Cpe entre l'électrode 12 et le blindage ou la garde 13 au potentiel de garde 20 ; - une capacité de couplage Cpl entre la piste de liaison reliant 10 l'électrode 12 à l'électronique et le blindage ou la garde au potentiel de garde 20 ; - une capacité d'entrée Cpi de l'amplificateur 24. Le bruit correspondant en tension en sortie de l'amplificateur de charge est : 15 Bs = En Cp/C. Dans notre cas, on peut négliger le bruit thermodynamique généré par la résistance électrique de la piste de liaison. En effet, ce bruit reste en général très inférieur au bruit en tension En de l'amplificateur. La valeur du bruit en entrée En dépend des caractéristiques de 20 l'amplificateur, et la réduction de ce bruit, par exemple en augmentant le courant de polarisation, peut être consommatrice d'énergie. En pratique pour les applications portables (écran tactile de Smartphone, de tablette....), la consommation d'énergie est un critère important, et le compromis entre la consommation et le bruit en reste un handicap pour les applications où on 25 exige une très forte résolution de mesure capacitive. La capacité de couplage parasite Cp a également un impact sur le produit gain bande de l'amplificateur. En effet, plus la valeur de Cp est importante et plus la bande passante en boucle ouverte de l'ampli doit être grande pour une même fréquence d'excitation du capteur. Or, l'augmentation 30 de cette bande passante a pour effet une augmentation de la consommation d'énergie de l'amplificateur de charge. Et, comme expliqué précédemment, l'augmentation de la consommation peut être critique pour les applications sur des appareils portables. -17- Une solution pour réduire le bruit en tension est d'améliorer la sensibilité de l'amplificateur en augmentant l'amplitude de la tension d'excitation de l'électrode 12. Mais comme précédemment, la consommation d'énergie devient vite une limitation. De plus les technologies récentes de circuits intégrés n'acceptent pas de tensions supérieures à quelques volts. Une autre solution pour réduire le bruit de mesure est de réduire la valeur de la capacité Cp. La plus grande partie de cette capacité provient du couplage (Cpe + Cpl) entre l'électrode 12 et sa piste de liaison d'une part, et le blindage ou la 10 garde 13 d'autre part. Les valeurs de ces deux capacités Cpe et Cpl sont proportionnelles au produit de la surface couverte par l'électrode Se et la piste de liaison Si et de la permittivité £ du diélectrique séparant l'ensemble électrode-piste de la garde 13, et inversement proportionnelles à l'épaisseur d de ce diélectrique : 15 Cpe + Cpl = £ (Se + SI)/d. Pour des capteurs de petite taille (capteur de proximité à électronique intégrée, appareil à écran tactile portable...), il est souvent possible de réduire significativement la valeur de la capacité de couplage de la piste de liaison Cpl en réduisant le plus possible la largeur et la longueur cette piste de liaison. 20 Par contre la surface de l'électrode 12 dépend de paramètres métrologiques et il est plus difficile d'en réduire ses dimensions. En effet, il se pose souvent des contraintes de surface d'intégration des lignes de champs sur l'objet 10 visé, de sensibilité de la mesure capacitive, de recouvrement entre la surface de l'électrode 12 et l'objet visé 10. 25 Pour réduire la capacité Cpe, on peut aussi augmenter l'épaisseur d du diélectrique séparant l'électrode 12 de la garde 13, ou/et réduire la valeur de la permittivité relative de ce diélectrique. Mais les possibilités sont souvent très limitées, du fait de contraintes d'encombrement et de choix de matériaux diélectriques. 30 Selon l'invention, une solution particulièrement efficace pour réduire la capacité de couplage Cp consiste à ajourer les électrodes 12, ou en d'autres termes à aménager ou introduire dans ces électrodes 12 des ouvertures dans la surface conductrice. -18- En effet, le fait d'ajourer les électrodes 12 réduit leur surface équivalente Se, ce qui réduit d'autant la capacité de couplage parasite Cpe. Il est préférable que la taille des ouvertures (par exemple la longueur de leur côtés ou leur diamètre) soit supérieure ou au moins du même ordre 5 de grandeur que la distance d qui sépare l'électrode 12 du blindage ou de la garde 13. En effet, lorsque les ouvertures sont de taille sensiblement inférieure à cette distance de séparation d, la surface des ouvertures sur le plan électrostatique n'est pas aussi importante que leur surface géométrique. Ce phénomène est dû au fait que les lignes de champ ont du mal à traverser 10 de petites ouvertures lorsque la distance de séparation d est grande devant la taille de l'ouverture. La diminution de la surface équivalente Se de l'électrode engendre une diminution de la sensibilité de la chaîne de mesure capacitive, mais aussi une réduction directe du gain sur le bruit en tension. Ces deux effets se 15 compensent, de sorte que le rapport signal sur bruit de la chaîne de mesure capacitive est sensiblement conservé. Par ailleurs, en présence d'ouvertures, des simulations numériques montrent que la capacité de couplage parasite Cpe diminue plus rapidement avec la diminution de la surface équivalente Se que ce qu'indique le calcul de 20 cette capacité Cpe par la formule du condensateur-plan, telle que détaillée précédemment. On peut donc obtenir des réductions substantielles de capacité de couplage parasite Cpe avec des diminutions de la surface équivalente Se plus modérées, et donc en limitant la perte de sensibilité. Par rapport à une électrode pleine, une électrode ajourée selon 25 l'invention a donc comme avantages : - de conserver la même taille globale, et donc les même caractéristiques de répartition spatiale des lignes de champ ; - de réduire la capacité parasite Cp vue par l'entrée de l'amplificateur de charge ; 30 - de permettre une réduction de la consommation de l'amplificateur de charge en permettant l'utilisation d'un amplificateur à plus faible bande passante en boucle ouverte, ou de permettre une augmentation de la valeur de la fréquence d'excitation pour une même consommation, -19- - de permettre de réduire le bruit En avec une plus faible bande passante en boucle ouverte, tout en limitant la consommation. Les électrodes ajourées selon l'invention ont également pour avantages : - de permettre une meilleure transparence, au moins en moyenne, pour les surfaces tactiles transparentes ; - de permettre une réduction de la distance d entre l'électrode 12 et le blindage ou la garde 13 afin d'optimiser l'intégration du capteur dans des appareils où l'encombrement et l'épaisseur sont importants. Cet avantage concerne notamment les écrans tactiles transparents ou encore les solutions d'intégration du capteur tactile capacitif sur ou dans l'affichage (technologies dites « on-cell » ou « In-cell ») ; - de permettre la réalisation de capteurs extrêmement fins, notamment en utilisant des techniques de dépôt de couches minces, ou des méthodes de sérigraphie, de dépôts sous vide etc.... L'épaisseur du capteur constitué d'un empilement de couches d'électrodes, d'isolant diélectrique et de garde peut être ainsi micrométrique ou même sub-micrométrique. L'augmentation de la capacité Cpe due à la très faible épaisseur de diélectrique d est compensée par le rajout d'ouvertures sur l'électrode ; - de permettre une augmentation de la taille de ces électrodes sans faire appel à des amplificateurs de charge extrêmement rapides et à très faible bruit. Cet avantage concerne notamment des applications industrielles comme par exemple les systèmes d'anticollision qui nécessitent des électrodes de grande taille. On peut ainsi notamment contrôler des électrodes de grande taille avec des électroniques de mesures réalisées sous la forme de circuits intégrés à faible coût. La Fig. 5 illustre des exemples de modes de réalisation d'électrodes capacitives 12 selon l'invention. Ces électrodes 12 comprennent une surface conductrice 51, avec des 30 ouvertures 52 (c'est-à-dire des zones sans matériau conducteur) aménagées dans cette surface conductrice 51. Ces ouvertures sont réparties de sorte que la surface globale ou effective 50 des électrodes 12 est conservée pour l'essentiel. Cette surface -20- effective 50 correspond à la surface de l'électrode 12 en l'absence d'ouvertures. Elle détermine l'étendue spatiale de l'électrode 12. Il est important de conserver cette surface effective 50 car elle conditionne les caractéristiques de résolution spatiale des mesures capacitives qui peuvent être obtenues avec l'électrode 12, dans la mesure où elle conditionne la structure des lignes de champ électrique qui s'établissent entre l'électrode 12 et son environnement (dont des objets d'intérêt 10). La surface effective 50 peut en général être considérée comme bornée par une enveloppe convexe, c'est-à-dire sans « creux ». On peut ainsi définir un ratio entre l'aire de l'électrode 12, donnée par l'aire de la surface effective 50, et l'aire de la couche conductrice 51. De préférence, dans le cadre de l'invention, on choisit un ratio inférieur à 1,5. On peut par exemple choisir un ratio de 2, ce qui signifie que l'aire de la surface conductrice 51 correspond à 50% de l'aire de l'électrode 12, ou de 15 l'aire de la surface effective 50. Si l'électrode 12 est parallèle à un plan de garde 13, on obtient ainsi une réduction de la capacité de couplage parasite 41 avec la garde 13 du même ratio (soit par exemple de 50% avec un ratio de surfaces de 2). Les ouvertures 52 peuvent être de différentes sortes. Elles peuvent 20 comprendre par exemple : - des ouvertures 52 aménagées dans la surface conductrice 51, telle qu'illustré à Fig. 5(a) pour des ouvertures circulaires et à la Fig. 5(b) pour des ouvertures oblongues ; - des ouvertures sous formes d'encoches 52 aménagées en périphérie 25 de la surface conductrice 51, tel qu'illustré à la Fig. 5(c). Dans ce cas les contours de la surface conductrice 51 et de la surface effective 50 ne correspondent pas, car la surface effective 50 englobe ces encoches 52 ; L'électrode 12 peut également être réalisée sous la forme d'un maillage ou d'un treillis de fils, tel qu'illustré à la Fig. 5(d). Dans ce cas, la surface 30 conductrice 51 est constitués des éléments conducteurs, et les ouvertures 52 sont constituées pas les interstices entre ces éléments conducteurs. Les Fig. 5(a) à Fig. 5(d) illustrent des électrodes 12 avec des ouvertures 52 réparties de manière sensiblement homogène sur la surface globale 50 de l'électrode. En d'autres termes, dans ces exemples, la densité -21- de surface d'ouvertures (définie comme un ratio local entre l'aire d'ouverture 52 et l'aire de surface conductrice 51) est sensiblement homogène sur toute la surface de l'électrode 12. Cette répartition homogène convient par exemple lorsque les électrodes 5 sont sensiblement parallèles à une surface de garde 13. En référence à la Fig. 6, dans la mesure où la capacité de couplage parasite que l'on cherche à limiter est la capacité de couplage globale de l'électrode 12, on peut avantageusement répartir les ouvertures 52 sur la surface de l'électrode 12 de sorte que la densité de surface d'ouvertures soit 10 plus élevée dans les zones dans lesquelles des éléments de garde 13 sont plus proches de l'électrode 12, et donc contribuent plus fortement à la capacité de couplage 41. Ainsi on minimise la capacité de couplage parasite 41 vers les éléments de garde tout en limitant la diminution de la surface conductrice 51, ce qui permet de conserver une sensibilité de mesure élevée. 15 La densité de surface d'ouvertures peut ainsi être ajustée par exemple en fonction de la position d'éléments de garde 13 particuliers présents sous l'électrode 12. Dans l'exemple illustré aux Fig. 6(a) et Fig. 6(b), les éléments de garde 13 comprennent un plan de garde 13a situé à une distance relativement 20 éloignée de l'électrode 12 et un second élément de garde 13b situé à proximité de cette électrode en vis-à-vis d'une partie seulement de sa surface. Ce second élément de garde 13b peut être par exemple un composant électronique tel qu'un transistor TFT de contrôle d'un écran à cristaux liquides, 25 référencé au potentiel de garde comme décrit dans le document W02011/015795. Dans l'exemple présenté, l'électrode 12 comprend une ouverture ou une échancrure 52 en vis-à-vis du second élément de garde 13b très proche, et aucune ouverture en vis-à-vis du plan de garde 13a plus éloigné. Ainsi, la 30 capacité de couplage parasite 41 vers la garde, pour laquelle le second élément de garde 13b très proche apporterait une contribution prédominante, est réduite sans réduction excessive de la surface conductrice 51. Bien entendu, la forme des ouvertures présentée est purement illustrative, et un résultat similaire pourrait être obtenu par exemple avec -22- toute modulation locale adaptée de densités d'ouvertures en vis-à-vis du second élément de garde 13b et du plan de garde 13a (si nécessaire). En référence à la Fig. 7, il est également possible dans le cadre de l'invention d'adapter la densité de surface d'ouvertures 52 sur la surface d'une l'électrode 12 afin d'obtenir une meilleure répartition de charges électriques sur la surface conductrice 51 lorsqu'un objet se trouve au-dessus de cette électrode. Cela permet notamment d'optimiser la linéarité de la mesure du déplacement d'un objet. En effet, avec une électrode pleine sans ouvertures 52, les charges ont tendance de s'accumuler sur les bords de celle-ci et la réponse d'un capteur multi-électrode, utilisé par exemple pour des applications de contrôle d'interface, n'est pas optimisée sur le plan de la linéarité, notamment pour des déplacements parallèles à la surface du capteur. En particulier, un objet qui se déplace au-dessus d'un ensemble d'électrodes pleines en ligne droite (parallèle à la surface de capteur) a tendance à créer une ondulation dans la suite des capacités mesurées dont le pas est celui de l'entraxe de deux électrodes consécutives, même après un traitement des mesures par interpolation. On peut aussi dans le cadre de l'invention obtenir une répartition de charge très particulière sur la surface conductrice 51 pour obtenir une répartition de sensibilité spécifique ou corriger des défauts dus à la présence des pistes de liaison ou tout autre élément conducteur à proximité de la ou des électrodes. A titre d'illustration, la Fig. 7(a) présente un exemple de répartition d'ouvertures 52 avec une densité d'ouvertures plus élevées vers la périphérie de l'électrode 12 que vers son centre. La Fig. 7(b) illustre des profils de densité de charge q selon l'axe X de la Fig. 7(a), respectivement pour une électrode dépourvue d'ouvertures (courbe 70) et pour une électrode 12 avec une densité d'ouvertures plus élevées vers la périphérie de l'électrode 12 que vers son centre (courbe 71). On obtient ainsi un profil de densité de charge plus homogène. La répartition de densités d'ouverture pour obtenir une meilleure répartition de charges électriques peut bien entendu être mise en oeuvre de manière indépendante de la problématique de réduction de la capacité de -23- couplage avec la garde 13, du moins du point de vue de l'optimisation. Bien entendu le fait d'introduire des ouvertures 52 dans l'électrode réduit aussi la capacité de couplage avec la garde 13. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 5 décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif capteur capacitif comprenant : - au moins une électrode capacitive (12) avec un matériau 5 sensiblement conducteur agencé de sorte à constituer une surface conductrice (51) ; - au moins un élément de garde (13) disposé à proximité de ladite au moins une électrode capacitive (12) ; caractérisé en ce que ladite ou lesdites électrodes capacitives (12) 10 comprennent au moins une ouverture (52) sans matériau conducteur aménagée dans ou en bordure de la surface conductrice (51) de sorte à réduire la capacité de couplage (41) entre ladite ou lesdites électrodes capacitives (12) et ledit ou lesdits éléments de garde (13). 15 2. Le dispositif de la revendication 1, qui comprend au moins une électrode capacitive (12) avec au moins une ouverture (52) agencée de sorte à réduire la capacité de couplage (41) de l'un au moins des facteurs suivants : - un facteur supérieur ou égal à 1,5 ; - un facteur supérieur ou égal à 2 ; 20 3. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend au moins une électrode capacitive (12) avec une surface conductrice (51) géométriquement inscrite dans une surface effective d'électrode (50) avec un contour de l'un au moins des types suivants : une enveloppe convexe, un 25 polygone convexe, un parallélogramme, une ellipse, un cercle. 4. Le dispositif de la revendication 3, qui comprend au moins une électrode capacitive (12) avec une surface conductrice (51) dont l'aire satisfait à au moins l'un des critères suivants : 30 - l'aire de la surface conductrice (51) est inférieure à l'aire de la surface effective d'électrode (50) ; - l'aire de la surface conductrice (51) est inférieure d'un facteur égal ou supérieur à 1,5 à l'aire de la surface effective d'électrode (50) ;-25- - l'aire de la surface conductrice (51) est inférieure d'un facteur égal ou supérieur à 2 à l'aire de la surface effective d'électrode (50) ; 5. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend 5 au moins une électrode capacitive (12) avec des ouvertures (52) agencées dans ou en périphérie de la surface conductrice (51) de sorte à satisfaire au moins l'un des critères suivants : - la densité de surface d'ouvertures (52) est sensiblement homogène; - la densité de surface d'ouvertures (52) dépend localement de la 10 distance avec un ou des éléments de garde (13) situés à proximité. - la densité de surface d'ouvertures (52) est plus élevée vers les bords de la surface conductrice (51) que vers son centre ; - la densité moyenne de charges sur la surface de l'électrode (12), tel que résultant d'un couplage capacitif avec un objet de mesure (10) à 15 proximité, est sensiblement homogène. 6. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend au moins une électrode capacitive (12) avec au moins une ouverture (52) de l'une au moins des formes suivantes : circulaire, oblongue, carrée, 20 rectangulaire. 7. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend au moins une électrode capacitive (12) avec une surface conductrice (51) agencée sous forme de treillis. 25 8. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend une pluralité d'électrodes capacitives (12) réparties sur au moins une surface de mesure (11). 30 9. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend au moins un élément de garde (13) agencé sous la forme d'une surface ou d'un plan placé à proximité d'une face d'au moins une électrode capacitive (12).-26- 10. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 9, qui comprend au moins un élément de garde (13) polarisé à un potentiel de masse. 11. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 9, qui comprend au moins une électrode capacitive (12) excitée à un potentiel d'excitation alternatif, et au moins un élément de garde (13) polarisé à un potentiel de garde (20) alternatif identique ou sensiblement identique audit potentiel d'excitation à au moins une fréquence d'excitation. 12. Le dispositif de la revendication 11, qui comprend en outre des moyens d'excitation et de mesure capacitifs avec un amplificateur de charge (27). 13. Le dispositif de la revendication 12, qui comprend en outre des 15 moyens d'excitation et de mesure capacitifs au moins en partie référencés au potentiel de garde (20). 14. Dispositif d'interface comprenant un écran d'affichage et un dispositif capteur capacitif selon l'une des revendications précédentes avec 20 une pluralité d'électrodes capacitives (12) en matériau sensiblement transparent disposées sur ou dans ledit écran d'affichage. 15. Appareil comprenant un dispositif d'interface selon la revendication 16. L'appareil de la revendication 15, de type smartphone ou tablette. 14. 25