Brevet FR2659447A1 — publié le 19910913

La présente invention concerne le domaine des dispositifs de mesure de force comprenant un transducteur piézorésistif. Elle s'applique en particulier, mais non exclusivement, aux capteurs de pression à élément piézorésistif au silicium. De nombreux capteurs de pression au silicium ont déjà été proposés. A titre d'exemples non limitatifs on peut citer les capteurs commercialisés par la Société MOTOROLA sous la référence MPX100 ou encore les capteurs commercialisés par la Société SENSORTECHNICS sous les références SCC, SPX, SCX, etc Comme représenté sur la figure 1 annexée ces capteurs comprennent généralement une structure 10 du type pont de Wheatstone à quatre éléments 11, 12, 13, 14 implantés dans une pastille de silicium, de sorte que la résistance des éléments du pont varie en fonction d'une pression à mesurer appliquée au capteur. Le capteur se présente donc sous la forme d'un quadripole alimenté entre deux bornes d'entrée 15, 16 et délivrant entre ses deux bornes de sortie 17, 18 une tension proportionnelle à la pression mesurée.Plus précisément les capteurs connus comprennent généralement une référence de pression interne de sorte que la tension de sortie obtenue entre les bornes 17 et 18 est proportionnelle à la pression différentielle entre la pression de référence et la pression mesurée. On a représenté sur la figure 2 annexée un exemple de courbes : tension de sortie/pression différentielle obtenues à l'aide des capteurs connus. On note que la tension de sortie varie linéairement en fonction de la pression. C'est un avantage important de ces capteurs. Cependant la tension de sortie varie en fonction de la température. Plus précisément la pente de la courbe tension de sortie/pression différentielle varie largement en fonction de la température. Par ailleurs les courbes présentent également une tension de seuil initiale qui varie largement en fonction de la température. Cette forte dépendance de la température rend l'exploitation du signal de sortie difficile ou conduit à des imprécisions fort gênantes. On a déjà tenté de nombreuses dispositions pour essayer de compenser en température les capteurs du type précité. Comme représenté sur la figure 3 annexée on a essayé de compenser les capteurs à l'aide d'une thermistance 20 placée en série des bornes d'alimentation. Cette disposition ne donne cependant pas totalement satisfaction. Les thermistances sont généralement non linéaires. Ces thermistances présentent également de fortes dispersions. Comme représenté sur la figure 4 on a également essayé de compenser les capteurs à l'aide de diodes 21, 22, 23 connectées en série des bornes d'alimentation. Comme représenté sur la figure 5 on a également proposé de compenser les capteurs à l'aide d'un réseau à transistor 25 connecté en série des bornes d'alimentation. On a en outre proposé, comme représenté sur la figure 6 annexée,de compenser les capteurs connus à l'aide d'une source d'excitation à courant constant 26. Les différentes propositions de compensation en température indiquées ci-dessus sont par exemple décrites dans le document "Pressure Sensor Handbook 1989" diffusé par la Société Sensortechnics. Ces diverses propositions ne donnent pas totalement satisfaction. La présente invention a maintenant pour but de proposer de nouveaux moyens générant une meilleure compensation en température des capteurs de pression connus. Un but auxiliaire de la présente invention est de proposer des moyens générant une compensation précise en température de la pente tension de sortie/pression différentielle. Un autre but auxiliaire de la présente invention est de proposer des moyens générant une compensation précise en température de la tension de seuil initiale. Ces buts sont atteints selon la présente invention grâce à un dispositif de mesure de force comprenant un capteur à élément piézosensible, du type quadripole alimenté entre deux bornes d'entrée et délivrant, entre ses deux bornes de sortie, une tension proportionnelle à la force mesurée, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de compensation en température de la pente du signal de sortie sensibles à la tension présente entre les bornes d'entrée du capteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens de compensation de la pente du signal de sortie comprennent une résistance négative connectée en parallèle des bornes d'entrée du capteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la résistance négative est formée à Laide d'un amplificateur opérationnel. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le capteur comprend en outre des moyens aptes à annuler le mode commun, à compenser la dérive en température de la tension de seuil initiale, amplifier le signal de sortie selon un gabarit recherché et le cas échéant ajuster la tension de seuil initiale à une valeur prédéterminée. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - les figures 1 à 6 précédemment décrites illustrent l'état de la technique, - la figure 7 représente une vue schématique de moyens conformes à la présente invention aptes à compenser en température la pente du signal de sortie d'un capteur de pression au silicium, - la figure 8 représente un mode de réalisation particulier des moyens de compensation précités. - la figure 9 représente un schéma général d'un dispositif perfectionné conforme à la présente invention, et - la figure 10 représente une variante de réalisation de l'étage terminal du circuit représenté sur la figure 9. Comme représenté sur la figure 7 annexée, selon la présente invention le capteur 10 est alimenté par l'intermédiaire d'une résistance fixe Rs, connectée en série de ses bornes d'entrée 15, 16 à l'aide d'une source de tension constante Vs. Par ailleurs une résistance négative Rp est connectée en parallèle des bornes d'entrée 15, 16. Plus précisément la tension d'alimentation continue Vs est appliquée entre une première borne de la résistance Rs et la borne d'entrée 16, tandis que la seconde borne de la résistance Rs est reliée à la borne d'entrée 15. L'utilisation d'une résistance négative Rp en parallèle des bornes d'entrée 15, 16, permet de réinjecter du courant dans le capteur 10 et donc de maintenir la tension de sortie constante lorsque la température T augmentant, la résistance d'entrée du capteur augmente et son courant d'alimentation tend donc à diminuer. Les résistances Rs et Rp sont calculées d'une part pour définir une tension VB entre les bornes d'entrée correspondant à la caractéristique tension de sortie/pression, désirée, d'autre part pour définir une valeur (dVB/dT)/VB s'opposant à la dérive de la pente en température. A partir des équations fondamentales (1) VB = Vs 1 1 + Rs [(1/RB) + (1/Rp)] (2) vu VB (Rs/RB) (RB/RB) VB 1 + Rs [(1/RB) + (l/Rp)] le calcul donne4 (3) Rp = RB (VB/VB) [I + 1/((Vs/VB)-1)] - (VB/VB) [1 + 1/((Vs/VB) - 1)] + (RB/RB) (4) Rs = (Vs/VB) - 1 (1/RB) + (1/Rp) Exemple Pour un capteur de type MPX 100 comme; e par MOTOROLA, avec:: RB = 2400 ppm/ C RB Vs = 5 v et RB à 25"C = 500 li si l'on veut (VB/VB) = + 1900 ppm/ C et VB = 3 v on prend Rp = - 1010,6 li Rs = 660 Q Comme représenté sur la figure 8 annexée, une telle résistance négative Rp peut être réalisée à l'aide d'un amplificateur opérationnel. Plus précisément on aperçoit sur la figure 8 annexée une résistance négative Rp formée à l'aide d'un amplificateur opérationnel OP100 et de trois résistances R101, R102, R103. L'entrée non inverseuse de OP100 est reliée à une première borne d'entrée 15 du capteur. La résistance RIOl est connectée entre l'entrée non inverseuse de OP100 et sa sortie. La résistance R102 est connectée entre l'entrée inverseuse de OP100 et sa sortie. La résistance 103 est connectée entre l'entrée inverseuse de OP100 et la seconde borne d'entrée 16 du capteur. La résistance d'entrée équivalente Req d'un tel circuit est définie par (5) Req = - (R103.R101)/R102. Dans le cadre de l'exemple précité relatif au capteur MPX100 de la Société MOTOROLA on peut prendre R101 = 100 Q R102 = 100 a et R103 = 1010 i . Les dispositions représentées sur les figures 7 et 8 permettent une compensation simple, efficace, et peu couteuse, en température de la pente du signal de sortie du capteur. Comme représenté sur la figure 9 le dispositif conforme à la présente invention comprend en outre des moyens permettant de compenser la dérive de la tension de seuil initiale (dépendante de la température) et d'adapter le signal de sortie à un gabarit souhaité. Le signal de sortie du capteur 10 est de la forme suivante (6) V 1 -V2 =VB.S.(1 +tcf.T)P+VB(off+tco.T) relation dans laquelle V1 représente le potentiel sur la borne 18, V2 représente le potentiel sur la borne 17, VB représente le potentiel d'alimentation sur la borne 15, S représente la sensibilité en V/bar, tcf représente le coefficient de température de la pente de la caractéristique tension de sortie/pression, T représente l'écart par rapport à une température de référence donnée par exemple 25"C, P représente la pression en bar, off représente la tension seuil initiale, tco représente le coefficient de température de la tension seuil initiale, On retrouve sur la figure 9 le capteur de pression 10 alimenté par l'intermédiaire de la résistance série Rs par une tension continue Vs et associé à une résistance Rp formée par l'amplificateur opérationnel OP100 et les trois résistances R101, R102 et R103. Les moyens de compensation additionnels représentés sur la figure 9 comprennent trois étages 110, 120, 130 articulés chacun autour d'un amplificateur opérationnel OPlll, OP121 et OPl3l. Les deux premiers étages 110 et 120 sont conçus pour annuler le mode commun. Ils reçoivent sur leur entrée une tension V3 définie par un pont diviseur résistif R112, R113, ainsi que les tensions présentes respectivement sur les bornes de sortie 18 et 17 du capteur 10. Le troisième étage 130, qui constitue l'étage de sortie des moyens de compensation additionnels est conçu pour compenser la dérive de la tension de seuil initiale du capteur, amplifier le signal à un niveau souhaité et ajuster si nécessaire la tension de seuil initiale du signal. Pour cela le troisième étage 130 reçoit la tension de sortie du second étage 120, la tension d'alimentation VB présente sur la borne d'entrée 15 du capteur 10 et un potentiel V4 délivré par un pont diviseur résistif R132, R133. Plus précisément selon le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 9, le pont diviseur résistif R112, R113 est alimenté par la tension d'alimentation continue Vs. Le point commun aux résistances R112, R113, qui définit le potentiel V3 précité est relié à l'entrée inverseuse de OP111 par l'intermédiaire d'une résistance R114. L'entrée non-inverseuse de OPlîl est reliée à la sortie 18 du capteur 10. La sortie de OPlîl est rebouclée sur son entrée inverseuse par une résistance R115. La sortie de OPlll est reliée à l'entrée inverseuse de OP121 par une résistance R122. La sortie de OP121 est rebouclée sur son entrée inverseuse par une résistance R123. L'entrée non-inverseuse de OP121 est reliée à la sortie 17 du capteur 10. Une résistance R124 relie l'entrée inverseuse de Ope il à l'entrée inverseuse de OP121. L'entrée inverseuse de OP131 est reliée à la sortie de OP121 par l'intermédiaire d'une résistance R134. La même entrée inverseuse de OP131 est reliée à l'entrée 15 du capteur par l'intermédiaire d'une résistance R135. Le pont diviseur résistif R132, R133 est alimenté par la tension continue Vs. L'entrée non-inverseuse de OP131 est reliée au point commun aux résistances R132, R133. La sortie de OP131 est rebouclée sur l'entrée inverseuse de celui-ci par une résistance R136. La sortie du dispositif est disponible au niveau de la sortie de OP131 comme représenté sur la figure 9. On appelle Vx la tension en sortie de OPlll et Vy la tension en sortie de OP121. L'analyse par superposition montre que (7) Vy = (R123.R115/R114.R122)V3 - R123 [(1/R122)+(1/R124)+(R115/R122.R124)](V1-V2) - (R123.R115/R114.R122)Vl+V2 Pour annuler le mode commun il faut (8)(R123.R115/R114.R122)=1 on peut prendre R123=R115=R114=R122. On a alors: (9) Vy = V3-2[1+(R115/R124)](V1-V2) (10) Vx = -V3+2V1+(Rl 15/R124)(Vl-V2). On peut donc régler le gain avec R124. Le calcul sur le troisième étage 130 donne une tension de sortie Vz (11) Vz = -(R136/R134)Vy-(R136/R135)VB +[1+(R136/R134)+(R136/R135)]V4. L'étage 130 permet donc de - compenser la dérive en température de la tension de seuil initiale du capteur grâce à R135, - amplifier le signal à un niveau souhaité grâce à R134 et - ajuster si nécessaire la tension de seuil initiale du signal de sortie grâce à V4. En calculant les résistances des trois étages 110, 120, 130 il convient de prendre garde à ne pas saturer ou bloquer les amplificateurs. Exemple Selon un exemple particulier, mais non limitatif, applicable au capteur MPX100 R115=R114=R122=R123 SrjGk R124=100k Q R112=R113=lk# R134=10k li R135=57,7k# R136=47,4kS R133=17,6k R132=10k S Le dispositif de traitement représenté sur la figure 9 permet une compensation efficace en température. I1 a l'avantage de ne pas utiliser d'élément sensible à la température, tel que thermistance ou autres. Le circuit de traitement sur la figure 9 n'utilise que le capteur lui-même en tant que capteur de température. En effet, le circuit de traitement représenté sur la figure 9 exploite le fait que la résistance équivalente du capteur entre les bornes d'entrée 15 et 16 ne varie qu'en fonction de la température, alors que le signal entre les bornes de sortie 17 et 18 du capteur dépend à la fois de la pression et de la température. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. Par exemple, comme représenté sur la figure 10, l'étage de sortie 130 peut être modifié pour délivrer des tensions supérieures à la tension de sortie maximale de l'amplificateur opérationnel OP 131. On retrouve sur la figure 10 cet amplificateur opérationnel OP131 associé aux résistances R132, R133, R134, R135 et R136. Cependant, à la différence du mode de réalisation précité représenté sur la figure 9, la résistance R136 ne boucle pas la sortie de OP131 sur son entrée inverseuse. Par ailleurs par rapport à la figure 9, les entrées de OP131 sont inversées. La résistance R136, selon la figure 10, relie l'entrée non-inverseuse de OP131 à la sortie d'un étage amplificateur transistorisé 140. Ce dernier comprend un transistor T141 dont la base est reliée à la sortie de Ou 131 par une résistance R142. L'émetteur de T141 reçoit la tension d'alimentation is. La base de T141 est également reliée à Vs par une résistance k' La résistance R136 est reliée au collecteur de @@@@@ Une branche comprenant en série un condensateur t t une résistance R145 relie la base de T141 à son collecteur. Enfin le collecteur de T141 est relié à la masse - mitage par une résistance R146. A titre d'exemple non limitatif - R142=20k 5z - R143=5k Q, - R145=5,6k Q, - R146=lk Si, et - C144=47nF. Le signal de sortie est alors disponible sur le collecteur de T141. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée à la compensation en température des capteurs de pression piézorésistif au silicium. Elle s'applique d'une façon générale à tous les dispositifs de mesure comprenant un transducteur piézorésistif, en pont. A titre d'exemple non limitatif, la présente invention peut trouver application dans la mesure de la pression d'admission du mélange air/carburant dans un système d'injection de véhicule automobile. De préférence l'ensemble du dispositif comprenant le capteur 10 en pont et les moyens de compensation est réalisé sur un substrat unique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de force comprenant un capteur à élément piézosensible, du type quadripole alimenté entre deux bornes d'entrée (15, 16) et délivrant, entre ses deux bornes de sortie (17, 18), une tension proportionnelle à la force mesurée, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (Rp) de compensation en température de la pente du signal de sortie, sensibles à la tension (VB) présente entre les bornes d'entrée (15, 16) du capteur. 2. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que les moyens de compensation en température de la pente du signal de sortie comprennent une résistance négative (Rp) connectée en parallèle des bornes d'entrée (15, 16) du capteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la résistance négative (Rp) est formée à l'aide d'un amplificateur opérationnel (OP100). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le capteur est alimenté par une tension continue (Vs), par l'intermédiaire d'une résistance fixe (Rs) et qu'une résistance négative (Rp) est connectée en parallèle de ses bornes d'entrée (15, 16). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que la résistance négative (Rp) est formée d'un amplificateur opérationnel (OP100) dont l'entrée non inverseuse est reliée directement à une première borne d'entrée (15) du capteur, dont l'entrée inverseuse est reliée à une seconde borne d'entrée du capteur par une résistance (R103) et dont la sortie est rebouclée sur ses entrées par des résistances respectives (R101, R102). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens de traitement (130) aptes à compenser la dérive en température de la tension de seuil initiale du capteur, et qui reçoivent à cet effet, sur leur entrée (R135), la tension (VB) présente aux bornes des entrées (15, 16) du capteur (10). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens de traitement (110, 120, 130) aptes à annuler le mode commun, compenser la dérive en température de la tension de seuil initiale du capteur, amplifier le signal de sortie et ajuster la tension de seuil de ce dernier. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens de traitement comprennent trois étages (110, 120, 130). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que chaque étage (110, 120, 130) comprend un amplificateur opérationnel (OPlll, OP121, OP131). 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait que le premier étage (110) reçoit en entrée une tension de référence (V3) et le potentiel présent sur l'une des sorties (18) du capteur (10), le second étage (120) reçoit sur ses entrées la sortie du premier étage et le potentiel présent sur la seconde sortie (17) du capteur (10), tandis que le troisième étage (130) reçoit sur ses entrées la sortie du deuxième étage (120), la tension présente aux bornes des entrées (15, 16) du capteur (10) et une tension de référence (V4). 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé par le fait que les moyens de traitement comprennent - un premier étage (110) comprenant un amplificateur opérationnel (OPlll) dont l'entrée non-inverseuse est reliée directement à l'une des bornes de sortie (18) du capteur, tandis que son entrée inverseuse reçoit un potentiel de référence par l'intermédiaire d'une résistance série (R114), la sortie de cet amplificateur opérationnel étant rebouclée sur son entrée inverseuse par une résistance (R115), - un deuxième étage (120) comprenant un amplificateur opérationnel (OP121) dont l'entrée non inverseuse est reliée à la seconde sortie (17) du capteur (10), tandis que son entrée inverseuse est reliée par l'intermédiaire d'une résistance série (R122) à la sortie du premier étage, la sortie de l'amplificateur opérationnel (OP121) étant rebouclée sur son entrée inverseuse par une résistance (R123), et une résistance (R124) reliant les entrées inverseuses des deux amplificateurs opérationnels précités, - un troisième étage (130) comprenant un amplificateur opérationnel (OP131) qui reçoit sur son entrée non-inverseuse un potentiel de référence (V4), tandis que son entrée inverseuse est reliée à la sortie du deuxième étage par une résistance (R134) et reçoit par l'intermédiaire d'une résistance série (R135) la tension d'alimentation (VB) du capteur (10), la sortie de l'amplificateur opérationnel (OP121) dernier nommé étant rebouclée sur son entrée inverseuse par une résistance (R136). 12. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un étage amplificateur de sortie (140). 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il est réalisé sur un substrat unique. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que le capteur (10) est un capteur de pression à élément piézorésistif ou silicium.