Brevet FR3024617A1 — publié le 20160205

MODULE PHOTOACTIF PLURIFONCTIONNEL INTEGRE DANS UN ECRAN D'UN APPAREIL ELECTRONIQUE ET SON ORGANE DE GESTION DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un dispositif électronique permettant de gérer la production d'énergie électrique et diverses fonctions de détection à partir d'un même module photoactif semi-transparent disposé sur l'écran d'un appareil électronique et soumis à des éclairements variables. ETAT DE LA TECHNIQUE La plupart des appareils électroniques de type téléphone mobile intelligent, nommés plus simplement « smartphone » en terminologie anglo-saxonne, sont munis de systèmes permettant, lors d'un appel téléphonique, de détecter la proximité dudit appareil avec son utilisateur afin de verrouiller la fonction tactile de l'écran et/ou d'éteindre la lumière générée par l'écran, ce qui permet d'éviter d'actionner des commandes de façon intempestive, tout en économisant la charge de la batterie de ces appareils. Il existe différentes technologies de capteurs de proximité (« proximity sensors » en anglais), parmi lesquelles les plus usuelles sont les capteurs capacitifs et les capteurs infrarouges (respectivement décrits dans les brevets US6442013 d'Ericsson et US8552979 d'Avago Technologies). Les premiers utilisent une détection des variations d'un champ électro-magnétique modulé par un utilisateur à proximité du système, alors composé d'une antenne et d'un microcontrôleur. Le second utilise une diode émettant un rayonnement infrarouge généralement à une distance de moins de 10 cm, ainsi qu'une photodiode réceptrice sensible dans les infrarouges pour détecter le rayonnement réfléchi par l'utilisateur à proximité de l'appareil. Une autre fonctionnalité connue dans ce type d'appareils électroniques est la régulation de la luminosité de leur écran en fonction de la lumière ambiante, ce qui permet d'optimiser l'utilisation de l'énergie stockée dans la batterie tout en maintenant une bonne visibilité de l'affichage. Cette détection de la lumière ambiante (« ambient light sensing » en anglais, également désigné par l'acronyme ALS) se fait via une photodiode généralement recouverte d'un filtre vert car la réponse spectrale de cette photodiode est photopique, c'est-à-dire semblable à la réponse spectrale de l'oeil humain. L'utilisation d'une telle détection dans un dispositif électronique est notamment connue à travers le brevet US7292875 (Agitent Technologies). On connaît par ailleurs une technologie photovoltaïque plus récente permettant d'équiper des appareils pourvus d'un écran d'affichage comme les téléphones mobiles, avec un module photovoltaïque semi-transparent directement intégré à l'écran. Une telle technologie est décrite dans le document US8632201 (Wysips/Sunpartner Technologies). Elle combine des microbandes photovoltaïques imperceptibles à l'oeil nu avec un réseau de microlentilles, laissant alors apparaître quasiment sans altération visuelle, l'image affichée. De cette façon, ces éléments photovoltaïques permettent de générer un courant électrique utilisable par les dispositifs, quasiment sans changer l'aspect visuel des dispositifs qui les intègrent. Parallèlement, le brevet US8384541 (LG Electronics) décrit l'utilisation de la fonction ALS d'un téléphone portable pour à la fois ajuster la luminosité de l'écran et pour activer ou désactiver, en fonction de la quantité de lumière ambiante, la charge de la batterie par un module photovoltaïque opaque situé sur la coque arrière du téléphone. Dans ce cas d'utilisation, l'ALS a une double fonctionnalité mais reste physiquement indépendant du module photovoltaïque. En revanche, il n'a jamais été envisagé de système électronique permettant de réaliser à la fois les fonctions de production d'énergie électrique, de détection de proximité et d'ALS à partir d'un unique module photoactif semi-transparent totalement intégré dans l'écran d'un appareil électronique. Cette mutualisation inédite permet non seulement de réduire les coûts et l'encombrement puisque l'on s'affranchit de plusieurs composants et de connectiques inter-composants, mais également de rendre invisibles les capteurs de proximité et d'ALS ce qui améliore l'esthétique de l'appareil électronique. BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but principal de proposer un dispositif photoactif plurifonctionnel totalement intégré dans un appareil électronique et qui puisse jouer le rôle à la fois de générateur d'énergie électrique, de capteur de proximité et de capteur de la lumière ambiante. Ce dispositif est pourvu d'un module semi-transparent composé de plusieurs zones photoactives, ainsi que d'un organe électronique de gestion dudit module. Un autre objet de l'invention est un appareil électronique qui comprend un tel dispositif photoactif plurifonctionnel. OBJETS DE L'INVENTION Dans son principe de base, l'invention a pour but de proposer un dispositif photoactif plurifonctionnel comprenant : - un module semi-transparent disposé sur un écran d'un appareil électronique comportant 35 une ou plusieurs zones photoactives, lesdites zones photoactives étant elles-mêmes constituées d'une pluralité de motifs photovoltaïques dont les dimensions sont telles qu'ils ne sont pas perceptibles à l'oeil nu, deux motifs photovoltaïques adjacents étant séparés par une zone de transparence ; - et un organe électronique de gestion comportant en entrée plusieurs voies, chaque voie étant connectée à une zone photoactive unique ; caractérisé en ce que ledit organe électronique de gestion comporte en outre une matrice d'aiguillage des voies, configurée pour être apte à grouper ou à individualiser lesdites voies pour que les zones photoactives génèrent simultanément ou alternativement, à partir de la lumière environnante reçue, des signaux électriques susceptibles d'être utilisés en aval de la matrice d'aiguillage, soit comme un courant de charge, par exemple pour charger une batterie via un convertisseur de tension, soit comme un signal électrique fonctionnel représentatif des variations d'éclairement desdites zones photoactives. On définit une « zone photoactive » comme un ensemble de motifs photovoltaïques connectés de telle sorte qu'un unique signal électrique soit généré par ladite zone photoactive. On appelle « courant de charge » un courant associé à une tension électriques susceptibles soit d'être accumulés dans un dispositif de stockage de l'énergie électrique, soit d'alimenter des composants internes ou externes à l'organe de gestion électronique. On appelle « signal électrique fonctionnel » un signal électrique porteur d'une information sur l'environnement du dispositif. La matrice d'aiguillage propre à l'organe de gestion électronique permet de grouper ou de traiter individuellement les signaux électriques représentatifs de chacune desdites zones photoactives. Il s'agit d'un ensemble de composants appelés communément en anglais « power analog switch ». L'algorithme d'aiguillage peut être pré-chargé en usine dans le dispositif sous forme de micro-logiciel (« firmware » en anglais) pour que ladite matrice d'aiguillage soit à gestion autonome. Alternativement, l'algorithme d'aiguillage peut être chargé dans ladite matrice depuis l'appareil électronique sous forme de mise à jour du micro-logiciel. Le but final étant que la matrice d'aiguillage soit autonome et que la stratégie d'aiguillage puisse être modifiée par le chargement d'un micro-logiciel alternatif. L'organe électronique de gestion est connecté électriquement d'une part à un convertisseur de courant continu, intégrant optionnellement un système de poursuite du point de puissance maximale (MPPT), et d'autre part à un circuit intégré permettant de traiter le ou les signaux électriques fonctionnels de façon analogique ou numérique pour récupérer une information sur l'environnement de fonctionnement du dispositif. De cette façon, l'ensemble des courants de charge générés par différentes zones photoactives peuvent être regroupés par la matrice d'aiguillage et envoyés vers le convertisseur de courant continu. Parallèlement, les signaux électriques fonctionnels sont envoyés vers le circuit intégré où ils peuvent être traités par un convertisseur analogique/numérique ou directement de manière analogique. Les signaux analogiques ou numériques en sortie du circuit intégré peuvent être ensuite traités sur un composant électronique dédié de type microcontrôleur et/ou via un programme exécutable pour en extraire l'information. Dans une variante de réalisation, le microcontrôleur peut être directement compris dans le circuit intégré. Suivant les modes de réalisation, ledit signal électrique fonctionnel est soit une tension électrique, soit un courant électrique. Le choix de l'un ou l'autre des signaux 10 électriques dépend notamment de la quantité de lumière environnante reçue par les zones photoactives. Suivant les modes de réalisation, l'information extraite du ou des signaux électriques fonctionnels porte sur la proximité immédiate d'un utilisateur par rapport au 15 dispositif et/ou sur la luminosité ambiante, de manière à optimiser en retour la consommation de l'écran de l'appareil électronique et/ou à activer ou désactiver des fonctionnalités de l'appareil électronique. Dans un mode de réalisation particulier, l'information est traitée à partir de la 20 mesure simultanée sur au moins deux voies des signaux électriques fonctionnels générés par au moins deux zones photoactives distinctes. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté au cas d'usage où l'on détecte la proximité d'un utilisateur par rapport au dispositif. En effet, la détection de proximité se fait via la comparaison des signaux électriques fonctionnels représentatifs de deux zones photoactives différentes, une 25 zone de référence et une ou plusieurs zones de mesure. Par exemple, l'oreille de l'utilisateur à proximité de l'appareil électronique ombrage de manière différente la zone de référence et les zones de mesure. Ainsi, une méthodologie adaptée de traitement des signaux permet de détecter efficacement la présence d'un utilisateur par rapport à d'autres variations parasites de la lumière environnante. 30 Dans un autre mode de réalisation particulier non représenté, tout ou partie des motifs photovoltaïques sont recouverts d'un ou plusieurs filtres colorés. En effet, la réponse d'un détecteur de lumière ambiante est généralement photopique, c'est-à-dire semblable à la réponse spectrale de rceil humain. De ce fait, il peut être intéressant de moduler, via des 35 filtres colorés, le spectre de la lumière visible reçue par les motifs photovoltaïques constitutifs de tout ou partie des zones photoactives dédiées à la détection de lumière ambiante. Dans une variante du mode de réalisation précédent, tout ou partie des motifs photovoltaïques sont recouverts d'une couche d'un matériau à décalage de longueurs d'ondes. Il peut s'agir notamment de matériaux fluorescents ou phosphorescents qui absorbent dans l'ultra-violet et réémettent dans le visible ou l'infra-rouge. Cette variante permet ainsi de déterminer, par comparaison avec des données de référence, la quantité de rayonnements ultra-violets présents dans la lumière ambiante. Suivant les modes de réalisation, lesdites zones photoactives sont constituées d'une cellule photovoltaïque unique ou d'un ensemble de cellules photovoltaïques connectées électriquement en série ou en parallèle. Suivant les modes de réalisation, les motifs photovoltaïques sont constitués d'au moins deux électrodes dont une électrode transparente et d'au moins une couche mince d'absorbeur composée de matériaux inorganiques ou organiques, cristallins ou amorphes. Il s'agit par exemple de couches minces à base de silicium amorphe ou microcristallin, de GaAs (arséniure de gallium), de CdTe (tellurure de cadmium), de CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium) ou à base de polymères. Il peut s'agir de jonctions de type p-i-n ou p-n, ou encore d'architectures tandem, c'est-à-dire comportant plusieurs couches minces de matériaux qui absorbent préférentiellement une partie différente du spectre lumineux. Elles peuvent être conçues pour convertir la lumière visible et/ou la lumière infrarouge en électricité. Lesdits motifs photovoltaïques peuvent être organisés en réseaux de formes rectilignes, circulaires ou polygonales. De manière large, l'écran de l'appareil électronique sur lequel est positionné le module semi-transparent peut être indistinctement un écran émissif, réflectif ou encore transflectif. Les plus courants sont les écrans à cristaux liquides (TFT-LCD, TN-LCD, IPS-LCD, LCD cholestériques, LCD ferroélectriques), les écrans électroluminescents (OLED), les écrans électrophorétiques, les écrans basés sur le principe de l'électro-mouillage ou encore les écrans à base de MEMS. Dans un mode de réalisation avantageux, l'écran de l'appareil électronique est un écran de type émissif. Il s'agit alors d'un écran muni d'un rétroéclairage (par exemple un TFT-LCD, un TN-LCD ou un IPS-LCD) ou de pixels électroluminescents (par exemple un OLED). Dans la plupart des réalisations, la lumière environnante est la lumière ambiante 5 provenant d'une source de lumière naturelle ou artificielle. Il s'agit principalement de la lumière du soleil en extérieur, et de la lumière générée par les sources d'éclairage en intérieur ou en extérieur de nuit. Dans un mode de réalisation particulier, la lumière environnante est la lumière 10 générée par l'écran émissif et réfléchie par un utilisateur vers les zones photoactives. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans les environnements sombres ou de nuit, lorsqu'il n'y a pas ou très peu de lumière ambiante. En effet, le dispositif objet de l'invention peut détecter, en fonction de la distance d'un utilisateur à l'appareil électronique, une variation de la quantité de lumière réfléchie par ledit utilisateur sur les zones 15 photoactives dudit dispositif. Ainsi, on préserve la fonction de détection de proximité même dans l'obscurité. L'invention a également pour objet un appareil électronique, fixe ou portable, rigide ou flexible, tel qu'un téléphone mobile, une tablette ou un ordinateur, caractérisé en ce qu'il 20 comprend un dispositif photoactif plurifonctionnel selon l'une quelconque des revendications précédentes. FIGURES L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des 25 figures 1 à 2 indexées. La figure 1 est un schéma de principe du dispositif photoactif plurifonctionnel selon l'invention. Les figures 2a et 2b illustrent deux modes de fonctionnement différents de l'organe électronique de gestion du dispositif selon l'invention. 30 Les figures ne sont pas à l'échelle, les épaisseurs relatives des composants du dispositif étant volontairement exagérées pour mieux faire apparaître sa structure. Liste des repères utilisés sur les figures : 1 Module semi-transparent 7 Courant de charge 2 Zone photoactive 8 Signal électrique fonctionnel 3 Motif photovoltaïque 9 Matrice d'aiguillage 4 Zone de transparence 10 Convertisseur de courant continu Organe électronique de gestion 11 Circuit intégré 6 Voie 12 Signal portant une information sur l'environnement de fonctionnement DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 5 La figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif photoactif plurifonctionnel selon l'invention. Ce dispositif est composé d'un module semi-transparent 1 comportant quatre zones photoactives (2A, 2B, 2C, 2D) et un organe électronique de gestion 5. Chaque zone photoactive 2 est elle-même constituée d'une pluralité de motifs photovoltaïques 3 dont les dimensions sont telles qu'ils ne sont pas perceptibles à rceil nu, deux motifs photovoltaïques 3 adjacents étant séparés par une zone de transparence 4. L'organe électronique de gestion 5 dispose de quatre voies (6A, 6B, 6C, 6D) en entrée qui sont connectées électriquement aux quatre zones photoactives correspondantes (2A, 2B, 2C, 2D), et de deux voies en sortie (6D, 6E) reliées respectivement à un convertisseur de courant continu 10 et à un circuit intégré 11. Lesdites voies 6 d'entrée et de sortie sont interconnectées dynamiquement et à façon via une matrice d'aiguillage 9 capable de grouper ou d'individualiser lesdites voies 6. Ainsi, les signaux électriques photogénérés au niveau de chacune des zones photoactives 2 peuvent être envoyés simultanément et/ou alternativement d'une part sur le convertisseur de courant continu 10 et servir de courant de charge pour alimenter le dispositif, et d'autre part sur le circuit intégré 11 pour y récupérer un signal 12 portant une information sur l'environnement de fonctionnement du dispositif. Les figures 2a et 2b schématisent deux modes de fonctionnement différents de l'organe électronique de gestion 5 du dispositif selon l'invention, pour lesquels ledit dispositif est bi-fonctionnel et permet de réaliser à la fois les fonctions de production d'énergie électrique et de détection d'une grandeur physico-chimique liée à l'environnement du dispositif. Dans le premier exemple de réalisation (figure 2a), la zone photoactive connectée à la voie 6A génère un signal électrique fonctionnel 8 dirigé par la matrice d'aiguillage 9 vers le circuit intégré 11 via la voie 6F. Il s'agit typiquement du fonctionnement pour la détection 30 ALS, dans lequel ledit signal électrique fonctionnel 8 porte une information 12 sur la luminosité ambiante. Simultanément, l'ensemble des signaux collectés au niveau des voies (6B, 6C, 6D) sont des courants de charge 7 envoyés via la voie 6E vers le convertisseur de courant continu 10 pour produire de l'énergie électrique, utilisée notamment pour alimenter directement l'appareil électronique équipé avec le module photoactif, soit pour charger son dispositif de stockage d'électricité. Dans un deuxième exemple alternatif de réalisation (figure 2b), les zones photoactives connectées aux voies (6A, 6B, 6D) génèrent trois signaux électriques fonctionnels 8 dirigés par la matrice d'aiguillage 9 vers le circuit intégré 11 via la voie 6F. Il s'agit typiquement du fonctionnement pour la détection de proximité, dans lequel les signaux électriques fonctionnels 8 provenant des voies (6A, 6D) par exemple sont comparés à ceux provenant de la voie de référence 6B. Les différences d'éclairement des zones photoactives reliées auxdites voies (6A, 6B, 6D) permettent d'en déduire, via une méthodologie adaptée de traitement des signaux, un signal 12 portant une information sur la proximité d'un utilisateur par rapport au dispositif. Simultanément, le signal collecté au niveau de la voie 6C est un courant de charge 7 envoyé via la voie 6E vers le convertisseur de courant continu 10 pour produire de l'énergie électrique. Bien entendu, on comprendra aisément que les exemples des figures 2a, 2b ne sont nullement limitatifs, et que l'invention s'applique à une multiplicité de configurations de 20 zones photoactives 2, d'organes de gestion 5, en fonction de la multiplicité des cas d'usage envisageables en pratique. AVANTAGES DE L'INVENTION 25 En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant, à partir d'un même module photoactif intégré, de combiner les fonctions de génération d'énergie électrique, de capteur de proximité et de capteur de la luminosité ambiante. Il y a mutualisation de ces trois fonctions dans un module semi-transparent unique totalement intégré à l'écran, donc invisible à l'oeil nu pour un utilisateur. Il est donc possible, grâce au 30 dispositif objet de l'invention, de réduire le coût et l'encombrement de ce système plurifonctionnel (dû aux connectiques et à la propre taille de chaque composant individualisé), tout en maximisant son intégration dans un appareil électronique tel qu'un « smartphone ». REVENDICATIONS1 - Dispositif photoactif plurifonctionnel comprenant : - un module photoactif semi-transparent (1) disposé sur un écran d'un appareil électronique et comportant une ou plusieurs zones photoactives (2), lesdites zones photoactives (2) étant elles-mêmes constituées d'une pluralité de motifs photovoltaïques (3) dont les dimensions sont telles qu'ils ne sont pas perceptibles à l'oeil nu, deux motifs photovoltaïques (3) adjacents étant séparés par une zone de transparence (4) ; - et un organe électronique de gestion (5) comportant en entrée plusieurs voies (6), chaque voie (6) étant connectée à une zone photoactive (2) unique ; caractérisé en ce que ledit organe électronique de gestion (5) comporte en outre une matrice d'aiguillage (9) des voies (6), configurée pour être apte à grouper ou à individualiser lesdites voies (6) pour que les zones photoactives (2) génèrent simultanément ou alternativement, à partir de la lumière environnante (6) reçue, des signaux électriques susceptibles d'être utilisés en aval de la matrice d'aiguillage (9) soit comme un courant de charge (7), soit comme un signal électrique fonctionnel (8) représentatif des variations d'éclairement desdites zones photoactives (2). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe électronique de gestion (5) est connecté électriquement d'une part à un convertisseur de courant continu (10), intégrant optionnellement un système de poursuite du point de puissance maximale (MPPT), et d'autre part à un circuit intégré (11) permettant de traiter le ou les signaux électriques fonctionnels (8) de façon analogique ou numérique pour récupérer une information sur l'environnement de fonctionnement du dispositif. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite information extraite du ou des signaux électriques fonctionnels (8) porte sur la proximité immédiate d'un utilisateur au dispositif ou sur la luminosité ambiante, de manière à optimiser en retour la consommation de l'écran de l'appareil électronique et/ou à activer ou désactiver des fonctionnalités de l'appareil électronique. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite information est traitée à partir de la mesure simultanée sur au moins deux voies (6) des signaux électriques 35 fonctionnels (8) générés par au moins deux zones photoactives (2) distinctes. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie desdits motifs photovoltaïques (3) sont recouverts d'un ou plusieurs filtres colorés. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie desdits motifs photovoltaïques (3) sont recouverts d'une couche à décalage de longueur d'ondes. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 10 en ce que ledit signal électrique fonctionnel (8) est soit une tension électrique, soit un courant électrique. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites zones photoactives (2) sont constituées d'une cellule photovoltaïque 15 unique ou d'un ensemble de cellules photovoltaïques connectées électriquement en série ou en parallèle. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits motifs photovoltaïques (3) sont constitués d'au moins deux électrodes dont 20 une électrode transparente et d'au moins une couche mince d'absorbeur composée de matériaux inorganiques ou organiques, cristallins ou amorphes. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits motifs photovoltaïques (3) sont organisés en réseaux de formes rectilignes, 25 circulaires ou polygonales. 11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran de l'appareil électronique est un écran de type émissif. 30 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lumière environnante (6) est la lumière ambiante provenant d'une source de lumière naturelle ou artificielle. 13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la lumière 35 environnante (6) est la lumière générée par l'écran émissif et réfléchie par un utilisateur vers les zones photoactives (2).14 - Appareil électronique, fixe ou portable, rigide ou flexible, tel qu'un téléphone mobile, une tablette ou un ordinateur, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif photoactif plurifonctionnel selon l'une quelconque des revendications précédentes.