Brevet FR2719906A1 — publié le 19951117

DETECTEUR ACCELEROMETRIQUE CAPACITIF La présente invention concerne les dispositifs de détection de l'accélération suivant un axe, utilisant une variation de capacité provoquée par le déplacement d'une masse sismique, et notamment ceux destinés à la détection des chocs. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les dispositifs de déclenchement de sac gonflable ou "air bag" destinés à provoquer le gonflement du sac en cas de décélération brutale du véhicule équipé du dispositif. Parmi les dispositifs de déclenchement de sacs gonflables, ceux préconisés en Europe comprennent un détecteur accélérométrique principal de mise à feu et également un détecteur auxiliaire, dit "de confirmation" ayant une sensibilité plus élevée que le détecteur principal, servant à éviter tout déclenchement intempestif en cas de défaillance du détecteur principal. La plupart des capteurs auxiliaires actuels sont de type électromécanique : ils comportent une masse sismique aimantée pouvant coulisser le long d'un axe sensible contre la force de rappel d'un ressort et un interrupteur à lame souple ou ILS placé de façon qu'une accélération le long de l'axe déplace la masse et ferme l'ampoule de 1'ILS si elle est suffisamment importante. Ces capteurs sont volumineux et ont une stabilité limitée et une sensibilité difficilement ajustable. On a déjà utilisé, pour d'autres applications, des détecteurs accélérométriques monoaxe du type comprenant une masse sismique mobile dans la direction d'un axe sensible à partir dune position de repos vers laquelle elle est rappelée par des moyens élastiques et une électrode fixe constituant un condensateur avec une électrode portée par la masse sismique et placée de façon que les électrodes se rapprochent et que la capacité du condensateur augmente avec le déplacement de la masse à partir de sa position de repos, ainsi que des moyens de polarisation du condensateur sous une tension déterminée et de mesure de la capacité. La présente invention vise notamment à fournir un détecteur miniaturisable du type ci-dessus défini, répondant mieux que ceux antérieurement utilisés aux exigences de la pratique. L'invention vise également à fournir un détecteur susceptible d'être ajusté de façon à présenter ou non une hystérésis, c'est-à-dire à continuer ou non à fournir un signal de sortie, à partir du moment où l'accélération a dépassé un premier seuil prédéterminé, jusqu'à ce qu'elle ait diminué au-dessous d'un second seuil, inférieur au premier. Dans ce but, l'invention propose notamment un détecteur du type ci-dessus défini comprenant une butée limitant le déplacement de la masse à partir de la position de repos à une valeur déterminée, telle que la courbe de variation de la force du ressort en fonction de l'élongation de la masse à partir de sa position de repos et jusqu'à la butée coupe la courbe de variation de la force électrostatique exercée par le condensateur en un point avant venue en butée : ce point correspond à un équilibre stable. Etant donné que la force électrostatique augmente en fonction inverse du carré de la distance interélectrode du condensateur, les deux courbes de variation présentent un second point de croisement, réel ou virtuel suivant le cas. Suivant l'application envisagée, les paramètres de fonctionnement seront choisis pour donner ou non une hystérésis. On peut ainsi choisir entre plusieurs modes de fonctionnement - Dans le cas le plus fréquent, on recherche une hystérésis faible, visant seulement à maintenir la masse sismique en appui contre la butée, une fois qu'elle est venue dans cette position sous l'effet d'une accélération supérieure à un seuil, jusqu'à ce que l'accélération ait diminué jusqu'à une valeur nettement inférieure au seuil. Les paramètres sont choisis de façon que le second point de croisement soit virtuel et au-delà de la butée et que la tangente à la courbe de variation de la force électrostatique soit parallèle à la courbe représentative de la variation de la force exercée par les moyens élastiques, qui est généralement sensiblement droite, en un point compris entre le point de croisement réel et la butée. C'est le dépassement de ce point de parallélisme qui provoquera l'apparition du phénomène d'hystérésis en cas d'accélération. L'apparition d'une force d'accélération peut être représentée par un décalage de la courbe de variation de la force totale de déplacement de la masse qui amène le second point de croisement en deçà de la butée. - Dans d'autres cas, une hystérésis n'est pas recherchée. Ce mode de fonctionnement peut être obtenu, avec la même constitution que dans le cas précédent, en diminuant la tension de polarisation du condensateur suffisamment pour que le point de parallélisme se trouve au-delà de la butée. - Enfin, la tension peut être accrue à un point tel que le second point de croisement soit réel, c'est-à-dire en deçà de la butée. En l'absence d'accélération, il y a alors deux positions d'équilibre stable, lune au premier point de croisement, l'autre en butée. La masse sismique, une fois amenée en butée par une accélération, y reste jusqu'à suppression ou réduction de la tension de polarisation. Dans tous les cas, le détecteur peut être remis à zéro par annulation de la tension de polarisation. Dans le cas fréquent où le détecteur a simplement pour but de fournir un signal de sortie lorsque l'accélération suivant l'axe sensible du détecteur dépasse une valeur déterminée, les moyens de mesure de la capacité sont associés à un comparateur dont le seuil de déclenchement correspond à une élongation intermédiaire entre celle qui provoque l'apparition de l'hystérésis et l'élongation de butée. La partie du détecteur qui constitue un capteur électrostatique peut être réalisée sous forme intégrée sur une tranche de matériau semiconducteur. D'autres caractéristiques encore de l'invention, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes, mais pouvant l'être indépendamment, apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe destiné à faire apparaître les grandeurs qui interviennent dans la mise en oeuvre de l'invention - la figure 2 montre la variation des forces électrostatiques Fe et de rappel Fr appliquées à la masse sismique en fonction de l'élongation, pour trois valeurs de la tension de polarisation - les figures 2A, 2B et 2C sont des courbes destinées à faire apparaître la variation des forces appliquées à la masse sismique en fonction de l'élongation, dans diverses conditions, illustrant la réponse statique d'un détecteur à hystérésis - la figure 3 montre une constitution matérielle possible de la partie du détecteur qui constitue un capteur capacitif - la figure 4 est un schéma synoptique d'une électronique possible du détecteur - la figure 5 est un chronogramme montrant une séquence possible de signaux dans le schéma de la figure 4 ; et - la figure 6 montre l'allure de la variation de la frontière d'apparition du signal de sortie suivant llampli- tude et la durée de l'accélération. Le détecteur dont la constitution de principe est montrée en figure 1 peut être regardé comme ayant d'une part un capteur 10, d'autre part une électronique de traitement 12. Le capteur constitue un condensateur de capacité variable, formé par une électrode fixe 14 et une électrode mobile 16. Des moyens élastiques, schématisés par un ressort 18, exercent sur l'électrode mobile une force Fr qui tend à l'éloigner de l'électrode fixe 14 et à l'amener dans la position rétractée montrée en tirets. Lorsqu'une tension continue V est appliquée aux électrodes 14 et 16, une force électrostatique Fe tend à rapprocher les électrodes, c'està-dire à déplacer l'électrode mobile 16 dans la direction s. L'élongation de l'électrode mobile, portée par une masse sismique 24, est limitée à une valeur Xa par des moyens de butée 20, alors que la distance entre la position rétractée et l'électrode 14 est égale à e,, > xO. Dans la pratique, on adoptera en général x0 - 3ex/4. La masse sismique peut être placée dans un milieu d'amortissement, exerçant une force de retenue qui augmente en fonction de la vitesse de déplacement. On voit que, lorsque le condensateur est polarisé par une tension V, la masse sismique 24 portant l'électrode 16 est soumise - à la force de rappel Fr du ressort 18, - à une force éventuelle d'inertie Fi, due à llaccéléra- tion, - à une force électrostatique F, égale à ESV2/2e2, où: S est la surface de l'électrode, e, la distance inter-électrodes et E, la constante diélectrique du milieu, - à la réaction de la butée 20, lorsqu'il y a contact, - et éventuellement à des forces de frottement visqueux (qui peuvent être ajustées par choix du milieu dans lequel baigne l'électrode mobile). Pour permettre la mise en oeuvre de l'invention, la position de la butée et les paramètres fixant la force électrostatique Fe sont choisis de façon que la courbe de variation, sensiblement linéaire, de la force Fr en fonction de l'élongation, croise la courbe représentative de la force Fe en un point Ao pour une élongation xl inférieure à x0. Comme on la indiqué plus haut, la position de la courbe de variation de Fe peut être modifiée aisément en ajustant Vo. Sur la figure 2, la courbe I représentant Fe coupe la droite représentant F r en un seul point en deçà de la butée et le point C où la tangente est parallèle à la droite représentant Fr est également en deçà de la butée. Dans ce cas, le détecteur présente une hystérésis. En revanche, la tangente à la courbe II (qui correspond à une tension appliquée moitié de la précédente) parallèle à la droite se trouve au-delà de la butée : dans ce cas, le détecteur ne présente plus d'hystérésis. Enfin la courbe III, correspondant à une tension appliquée double de celle de la courbe I, présente deux points de croisement réel. Une fois l'électrode mobile amenée en butée, elle ne peut être ramenée à la position correspondant au premier point de croisement que par réduction ou suppression de la tension appliquée (sauf si le sens de l'accélération appliquée s'inverse). Les figures 2A à 2B illustrent le fonctionnement du détecteur dans un cas correspondant à la courbe I de la figure 2. La masse sismique 24 du capteur reste alors dans une position d'équilibre stable pour l'élongation xl en l'absence d'accélération (figure 2A). L'application d'une accélération donnée, dirigée dans la direction du déplacement de la masse sismique se traduit par une force F, indépendante de l'élongation. Lorsque cette force s'exerce dans le même sens que Fev son action peut être représentée par un décalage vers le haut de la courbe représentant la force exercée vers l'électrode fixe. Si l'amplitude de la force Fe atteint un premier seuil tel que les deux courbes deviennent tangentes l'une à l'autre, c'est-à-dire provoque une élongation qui atteint x2 (figure 2B), la masse sismique vient brutalement en appui contre la butée 20. Lorsque ensuite l'accélération diminue, la masse sismique reste cependant en butée jusqu'au moment où la force Fa a suffisamment diminué pour que le second point d'intersection des deux courbes corresponde à l'élongation xO (figure 2C). Ce phénomène d'hystérésis améliore l'immunité au bruit et permet une détection fiable des accélérations dépassant le seuil correspondant à la situation illustrée en figure 2B d'une part à cause du phénomène d' "engagement" amenant la masse sismique en butée, d'autre part à cause de l'effet d'hystérésis qui augmente la durée pendant laquelle la masse sismique reste en butée. Le capteur peut être intégré sur une plaquette de silicium, généralement monocristallin, et miniaturisé. Il est en particulier possible d'adopter la constitution montrée schématiquement en figure 3 où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence. Le capteur 10 peut comporter un socle 26 solidaire d'un substrat non représenté, prolongé par des lames parallèles 28 constituant l'électrode fixe d'un condensateur. La masse sismique 24, séparée par un jeu faible du substrat, est prolongée de son côté par des lames parallèles 30 entrelacées avec les lames 28, constituant l'électrode mobile du condensateur. Des moyens élastiques tendant à maintenir les lames 28 au milieu des intervalles entre les lames 30 sont constitués par deux bras 32 également découpés dans le semiconducteur, reliant la masse 24 à deux plots fixes 34. Le capteur étant apte à détecter les accélérations dans deux sens opposés suivant un même axe sensible, il comprend deux butées 20 placées de part et d'autre de la masse sismique 24. Ce capteur peut être constitué par le procédé décrit dans le document FR-A-2 558 263 à partir d'un support comprenant, sur un substrat de silicium, une couche mince d'oxyde de silicium surmontée d'une couche mince (quelques milliers d'Angstrôms) de silicium. Le socle 26, les plots 34, les butées 20, les lames 28 et 30, les bras 32 et la masse sismique 24 sont usinés par gravure ionique réactive du silicium, au moyen de gaz chloré par exemple. La couche d'oxyde présente au-dessous des bras 32 et de la masse sismique 24 est alors gravée sélectivement à l'acide fluorhydrique de façon à ménager un jeu qui peut être très faible, permettant au capteur de tolérer des accélérations élevées dans une direction orthogonale à l'axe sensible. Le condensateur multiple constitué par les lames 28 et 30 peut avoir une capacité de l'ordure du pico-farad, avec des dimensions en plan inférieures au millimètre. L'électronique 12, destinée à fournir un signal sur une sortie 34 lorsqu'unie accélération supérieure à un seuil s'exerce sur l'axe sensible, peut avoir diverses constitutions déjà utilisées dans d'autres détecteurs capacitifs sans rééquilibrage. Elle peut également avoir la constitution schématisée sur la figure 4, permettant de fournir un signal de sortie lorsque la capacité du condensateur dépasse une valeur déterminée, avantageusement choisie pour correspondre à une élongation comprise entre xl et x0 sur la figure 2B. Cette électronique peut être considérée comme à multiplexage temporel. Elle peut être entièrement intégrée sur une puce de silicium. Elle comporte des éléments interrup teurs (transistors en général) commandés par un cadenceur non représenté, suivant un chronogramme qui peut être celui de la figure 5. L'électronique de la figure 4 peut être regardée comme à deux étages. Le premier étage comporte un amplificateur opérationnel à transconductance 38 et deux condensateurs l'un 40 a une capacité fixe C, ; l'autre, constitué par les électrodes 14 et 16, a une capacité variable Cx. Ce premier étage présente un gain en tension égal à Cx/C Le second étage est constitué par un comparateur 40 en technologie à capacités commutées, dont la tension de seuil V1 est programmable. Un premier jeu d'éléments interrupteurs permet alternativement de charger et de décharger le condensateur de mesure constitué par les électrodes 14 et 16. Il comprend un premier interrupteur 36, qui permet de porter l'électrode 14 au potentiel VO et un second interrupteur 362 qui permet de mettre l'électrode 14 à la masse, alors que l'interrupteur 361 est ouvert. Un interrupteur 42 permet de court-circuiter périodiquement le condensateur 40 en reliant directement l'entrée - de l'amplificateur 38 à sa sortie. La sortie de l'amplificateur 38 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur fixe 48 de capacité Cb. Un second jeu d'interrupteurs permet d'effectuer la mesure proprement dite. Il comprend un second interrupteur 441 permettant de court-circuiter le condensateur 48 et donc de le décharger, et un interrupteur 442 permettant de relier la sortie de l'amplificateur différentiel 38 à l'entrée + d'un comparateur 46, dont l'entrée - reçoit la tension de référence V1. Les interrupteurs 361, 441 et 42 reçoivent un signal d'horloge qui peut être celui indiqué par la ligne 1 sur la figure 5, à une fréquence qui sera souvent de l'ordre de 50 kHz. Pendant les intervalles de temps dt successifs, les interrupteurs 361, 42 et 44, sont fermés. L'électrode 14 est portée au potentiel VO. On peut considérer que les intervalles de temps i correspondent à l'application de la force électrostatique. La force électrostatique est aisément ajustable par modification de la tension V0, puisqu'elle est proportionnelle à Vo2. Pendant des intervalles de temps complémentaires des précédents, laissant cependant subsister des intervalles de garde bt, ce sont les interrupteurs 362 et 442 qui sont fermés. Les condensateurs 40 et 48 se chargent progressivement, par écoulement de charges provenant du condensateur de mesure. La tension Vp de sortie de l'amplificateur 38 prend la valeur Vamp = Vo (Cx/Q), où Cx est la capacité du condensateur de mesure. Suivant la valeur de Cx, elle reste ou non inférieure à la tension de déclenchement V,. Le montage de l'amplificateur 38 permet, par un choix approprié de CaS d'ajuster la sensibilité. La remise à zéro du détecteur peut dans tous les cas être effectuée de façon simple en forçant le signal dhor- loge 2 à zéro pendant quelques millisecondes. Les indications données jusqu'ici correspondent à un fonctionnement qu'on peut qualifier de statique. Mais dans la pratique, les accélérations à détecter évoluent rapidement en cas de choc. Dans le cas d'un détecteur de confirmation destiné à un dispositif de déclenchement de sac glonflable, on peut souvent représenter de façon approximative la variation de l'accélération par une demi-sinusoide, avec une demi-période d'environ 10 ms. Dans ce cas, du fait de l'hystérésis, les frontières d'apparition du signal de sortie et de disparition de ce signal peuvent être respectivement représentées par des courbes 50 et 52 ayant l'allure montrée en figure 6. Le signal apparaît au bout d'une durée plus ou moins longue selon que l'amplitude r de l'accélération est plus ou moins au-dessus du seuil de déclenchement minimum a,. Le signal de sortie ne disparaît que pour une accélération plus faible, mais toujours supérieure à un autre seuil minimum a2. REVENDICATIONS 1. Détecteur accélérométrique comprenant un capteur ayant une masse sismique (24) mobile dans la direction d'un axe sensible à partir d'une position de repos vers laquelle elle est rappelée par des moyens élastiques (18,32) et une électrode fixe (14,28) constituant un condensateur avec une électrode (16,30) portée par la masse sismique et placée de façon que les électrodes se rapprochent et que la capacité du condensateur augmente avec le déplacement de la masse à partir de sa position de repos, ainsi que des moyens de polarisation du condensateur sous une tension déterminée et de mesure de la capacité, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de butée (20) limitant le déplacement de la masse sismique (24) à partir de la position de repos à une valeur déterminée, qui est choisie telle que la courbe de variation de la force (Fr) du ressort en fonction de l'élongation de la masse à partir de sa position de repos et jusqu'à la butée coupe la courbe de variation de la force électrostatique (Fe) exercée par le condensateur en un point avant venue en butée. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques (18,32), le condensateur et la tension de polarisation sont choisis de façon que les deux courbes de variation présentent un second point de croisement, correspondant à une élongation supérieure à celle autorisée par la butée, mais qui est atteint lorsqu'une force d'accélération (Fa) supérieure à une valeur déterminée s'ajoute à la force électrostatique. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le condensateur et la tension de polarisation sont dimensionnés de façon que la courbe de variation de la force électrostatique ait une tangente parallèle à la courbe de variation de la force du ressort pour une élongation à partir de la position de repos inférieure à celle (xa) qui correspond à la venue en butée. 4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de butée sont placés de façon à correspondre à une élongation supérieure à celle d'un deuxième point de croisement entre les deux courbes. 5. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de butée sont placés de façon à correspondre à une élongation au-delà de celle pour laquelle la tangente à la courbe de variation de la force électrostatique est parallèle à la courbe de variation de la force du ressort. 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit capteur est intégré sur une micro-plaquette de matériau semiconducteur et comporte un socle (26) solidaire d'un substrat, prolongé par des lames parallèles (28) constituant l'électrode fixe et en ce que la masse sismique (24) est séparée par un jeu faible du substrat et prolongée de son côté par des lames parallèles (30) entrelacées avec les lames (28), constituant l'électrode mobile du condensateur. 7. Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens élastiques sont constitués par deux bras (32), découpés dans le semiconducteur, reliant la masse (24) à deux plots fixes (34). 8. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux butées (20) placées de part et d'autre de la masse sismique (24). 9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une électronique de mesure ayant un amplificateur de charges à capacités commutées. 10. Détecteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de butée sont placés aux trois quarts environ de la distance entre la position de repos et l'électrode fixe.