Brevet FR2862135A1 — publié le 20050513

CIRCUIT DE DETECTION DE CHANGEMENT DE CAPACITE DANS UNE CAPACITE VARIABLE La présente invention concerne un circuit pour détecter un changement de capacité dans un condensateur variable, dont la capacité change conformément à une grandeur physique qui lui est appliquée, et elle concerne plus particulièrement un circuit pour détecter une valeur d'accélération sur la base d'un changement de capacité. On connaît déjà un dispositif pour détecter une grandeur physique telle qu'une accélération ou une pression, sur la base de change- ments de capacité dans un condensateur. Par exemple, le document JPA-8- 145717 décrit un circuit pour détecter une différence de capacité entre un condensateur capteur ayant une capacité variable et un condensateur de référence ayant une capacité fixe. Le circuit de détection comprend un circuit à capacité commutée, composé d'un amplificateur opéra- tionnel, d'un condensateur de rétroaction et d'un élément de commutation. Cependant, dans ce détecteur, il est difficile de fixer à zéro une différence de capacité initiale entre le condensateur capteur et le condensateur de référence. Si la différence de capacité initiale dépasse une capa-cité du condensateur de rétroaction dans le circuit à capacité commutée, le condensateur de rétroaction est saturé et le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel devient constant, ce qui empêche le fonctionnement du circuit détecteur. Le document JP-A-2001-249028 propose un circuit de détection ayant un circuit supplémentaire pour éliminer les effets nuisibles de la capacité initiale (ou d'une capacité de décalage). Le signal de sortie du circuit à capacité commutée est converti en charges électriques stockées dans le circuit supplémentaire. Les changements de capacité dans le condensateur variable sont détectés sur la base d'une tension convertie à partir des charges stockées. De cette manière, les effets nuisibles de la capacité de décalage sont éliminés. Cependant, il est nécessaire d'incorporer le circuit supplémentaire dans ce détecteur, et de ce fait le détecteur devient complexe et coûteux. La présente invention a été faite en considération du problème mentionné ci-dessus, et un but de la présente invention est de procurer un circuit perfectionné pour détecter des changements de capacité dans un condensateur variable, le circuit de détection étant capable de détecter les changements de capacité avec précision, malgré la présence de la capacité initiale ou de la capacité de décalage, sans utiliser un circuit supplémentaire. Un circuit de détection détecte un changement de capacité dans une structure de condensateurs dont une capacité varie conformément à une grandeur physique qui lui est appliquée. Le circuit de détection cornprend un amplificateur opérationnel ayant une borne d'entrée inverseuse à laquelle la structure de condensateurs est connectée et un circuit à capacité commutée connecté entre la borne d'entrée inverseuse et une borne de sortie de l'amplificateur opérationnel. Le circuit à capacité commutée est constitué d'un condensateur de rétroaction et d'un inter- rupteur connectés mutuellement en parallèle. La structure de condensateurs est connectée à une borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel, de façon qu'un signal correspondant à une différence de capacité (Cl - C2) soit appliqué à l'amplificateur opérationnel. Une tension de référence constante est appliquée à une borne d'entrée non in- verseuse de l'amplificateur opérationnel. Une tension représentant la va- leur d'accélération appliquée à la structure de condensateurs est émise par une borne de sortie de l'amplificateur opérationnel. Il est préférable qu'il n'y ait pas de capacité initiale AC [= (Cl - C2)] lorsque aucune accélération n'est appliquée à la structure de condensateurs. L'existence d'une certaine capacité initiale AC est cependant inévitable. Si la capacité initiale est grande, des charges stockées dans un condensateur de rétroaction dans le circuit à capacité commutée ne sont pas complètement déchargées pendant une durée de restauration au cours de laquelle l'interrupteur est fermé. Les charges sont progressive- ment accumulées dans le condensateur de rétroaction, et le condensa- teur de rétroaction se sature et le circuit de détection ne peut plus fonctionner. S'il était possible de prolonger suffisamment la durée de restauration (t), il serait possible d'éviter une telle saturation dans le condensateur de rétroaction. Il y a cependant une certaine limitation concernant la prolongation de la durée de restauration, du fait qu'une durée de cycle de détection dépend de la durée de restauration. Conformément à la présente invention, la durée de restauration (t) pendant laquelle l'interrupteur est fermé est déterminée, en fonction de la valeur de capacité initiale OC de la structure de condensateurs lorsque aucune grandeur physique ne lui est appliquée, conformément à une formule: t > (AC + m)/n, dans laquelle m est un premier facteur dans une plage de 0,235-1150000 et n est un second facteur dans une plage de 0,360- 1410000. En faisant fonctionner le circuit de détection de manière que la formule ci-dessus soit vérifiée, le circuit de détection peut détecter avec exactitude la valeur d'accélération imposée à la structure de condensateurs, même lorsque la structure de condensateurs a une certaine capacité initiale. L'un des condensateurs constituant la structure de condensateurs peut être un condensateur de référence ayant une capacité fixe, et l'autre condensateur peut être un condensateur ayant une capacité variable. La structure de condensateurs peut être constituée d'un seul condensateur ayant une capacité qui varie conformément à l'accélération qui lui est appliquée. Le circuit de détection peut être intégré dans une seule puce conjointement à la structure de condensateurs, pour réduire ainsi une impédance d'un fil connectant la structure de condensateurs au circuit de détection. Selon un autre aspect, on peut en outre mettre en oeuvre l'un et/ou l'autre des dispositions suivantes: - la structure de condensateurs est composée d'un premier condensateur et d'un second condensateur, les capacités des deux condensateurs variant en fonction inverse l'une de l'autre en réponse à une grandeur physique qui leur est appliquée; et la capacité initiale AC est une différence de capacité entre les deux condensateurs lorsque aucune grandeur physique n'est appliquée aux deux condensateurs; - la structure de condensateurs est composée d'un condensateur de référence ayant une capacité fixe et d'un condensateur variable, dont la capacité varie conformément à la grandeur physique qui lui est appliquée, la grandeur physique étant détectée sur la base d'une différence de capacité entre le condensateur variable et le condensateur de référence; et la capacité initiale AC est une différence de capacité entre les deux condensateurs lorsque aucune grandeur physique ne leur est appliquée; - le circuit de détection est intégré dans une seule puce conjointement à la structure de condensateurs; - la grandeur physique est une force dynamique appliquée à la structure de condensateurs; - la force dynamique est une force d'accélération appliquée à la structure de condensateurs. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est un schéma de circuit montrant un circuit pour détecter une différence de capacité entre Cl et C2 conformément à la présente invention; La figure 2 est une représentation graphique montrant diverses formes de signaux dans le circuit de détection représenté sur la figure 1; La figure 3 est une représentation graphique montrant une forme d'un signal de sortie du circuit de détection; La figure 4 est une représentation graphique montrant une ligne indiquant une relation entre une durée de restauration (t) et une capacité initiale (AC), et une région large dans laquelle la ligne doit se trouver; La figure 5 est une représentation graphique montrant une ligne indiquant une relation entre une durée de restauration (t) et une capacité initiale (AC), et une région intermédiaire dans laquelle la ligne doit se trouver; La figure 6 est une représentation graphique montrant une ligne indiquant une relation entre une durée de restauration (t) et une capacité initiale (AC), et une région étroite dans laquelle la ligne doit se trouver; et La figure 7 est un schéma de circuit montrant le circuit de détection qui est intégré dans une seule puce conjointement à des condensateurs variables Cl et C2. On décrira un mode de réalisation préféré de la présente inven- tion en référence aux figures 1 à 6. Une puce de capteur 12 ayant des premier et second condensateurs Cl et C2 est connectée électriquement à une puce formant un circuit de détection 13, par l'intermédiaire d'un fil de connexion 15. Un circuit de commande 14 applique des signaux de commande S1, S2 et S3 à la puce de capteur 12 et au circuit de détection 13. Dans la puce de capteur 12, le premier condensateur Cl et le second condensateur C2 sont connectés en série, et des électrodes dans les deux condensateurs Cl, C2 connectés l'un à l'autre sont formées comme une électrode commune. Lorsque l'électrode commune se déplace dans une direction, la capacité du condensateur Cl augmente, tandis que la capacité du condensateur C2 diminue, ou inversement. Cl, C2 désignant les condensateurs seront utilisés de manière commune pour représenter des valeurs de capacités respectives. La puce de capteur 12 représentée sur la figure 1 forme un condensateur variable (qu'on appelle également une structure de condensateurs), dont la capacité varie conformément à une grande physique qui lui est appliquée, telle qu'une accélération ou une pression. Dans ce mode de réalisation particulier, le condensateur variable est utilisé comme un capteur pour détecter une accélération qui lui est appliquée. Les deux condensateurs Cl, C2 sont conçus pour avoir la même capacité initiale, et lorsqu'une force d'accélération est appliquée aux condensateurs Cl, C2, une différence de capacité entre deux condensateurs apparaît entre Cl et C2. Un signal de commande S3 de forme rectangulaire est appliqué au condensateur Cl à partir du circuit de commande 14. Un signal de commande S2 ayant la même forme rectangulaire que le signal de commande S3, mais ayant une phase inversée, est appliqué au condensateur C2. La différence de capacité proportionnelle à une valeur d'accélération est fournie au circuit de détection 13 qui convertit la différence de capacité en une tension de signal. Le circuit de détection 13 formé dans une seule puce est un cir- cuit de conversion capacité - tension (circuit de conversion C-V) incluant un circuit à capacité commutée et un amplificateur opérationnel 16. Le circuit à capacité commutée comprend un interrupteur 17 et un condensateur de rétroaction Cf. L'interrupteur 17 et le condensateur de rétroaction Cf sont connectés mutuellement en parallèle, et le circuit parallèle est connecté entre une borne d'entrée inverseuse et une borne de sortie de l'amplificateur opérationnel 16. Un signal représentant la différence de capacité entre Cl et C2 est appliqué à la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 16, et une tension de référence Vr (par exemple 2,5 volts) est appliquée à une borne d'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 16. L'interrupteur 17 est constitué par exemple d'un transistor bipolaire, d'un transistor à effet de champ (ou FET) ou autres. L'opération de commutation de l'interrupteur 17 est commandée par le signal de commande S1 fourni par le circuit de commande 14. Les changements de la différence de capacité (Cl - C2) sont convertis en une tension de signal de sortie Vsy via le circuit de détection 13. La figure 2 montre des formes des signaux de commande S1, S2, S3 et une forme de la tension de signal de sortie Vsy. On décrira le fonctionnement de la capacité commutée 13 en référence à la figure 2. Les capacités des condensateurs Cl, C2 et Cf sont respectivement exprimées par Cl, C2 et Cf dans les formules suivantes. Le signal de commande S1 est un signal rectangulaire ayant un niveau haut H et un niveau bas L. L'interrupteur 17 est fermé par le signal de niveau haut H et ouvert par le signal de niveau bas L. Les signaux de commande S2 et S3 sont également des signaux rectangulaires oscillant entre Vp (volt) et 0 (volt). Leurs phases diffèrent mutuellement de 180 degrés. A l'instant T0, une charge électrique QI = C1.(0-Vr) est stockée dans le condensateur Cl, et une charge électrique Q2 = C2.(Vp-Vr) est stockée dans le condensateur C2. Une charge totale Qt = (Q1 + Q2) est stockée dans les deux condensateurs Cl, C2. A l'instant Ti, l'interrupteur 17 est ouvert par le signal de commande S1, ce qui a pour effet d'ouvrir (en ce qui concerne le courant continu) l'amplificateur opérationnel 16 entre les bornes d'entrée et la borne de sortie. A l'instant T2, une charge électrique Q1' = C1.(Vp-Vr) est stockée dans le condensateur Cl, et une charge électrique Q2' = C2.(0-Vr) est stockée dans le condensateur C2. Une charge totale Qt' = (Q1' + Q2') est stockée dans les deux condensateurs Cl, C2. A l'instant T2, l'interrupteur 17 est ouvert et l'amplificateur opérationnel 16 est ouvert (en ce qui concerne le courant continu) entre les bornes d'entrée et la borne de sortie. Par conséquent, une charge électrique Qf = (Qt-Qt') est stockée dans le condensateur de rétroaction Cf à l'instant T2. Il en résulte que la tension de signal de sortie Vsy est stabilisée à un niveau de tension Qf/Cf. A l'instant T3, l'interrupteur 17 est fermé par le signal de commande S1, et l'amplificateur opérationnel 16 est fermé (en ce qui concerne le courant continu) entre les bornes d'entrée et la borne de sortie, ce qui le place dans des conditions d'un suiveur de tension. Par conséquent, la charge électrique stockée dans le condensateur de rétroaction Cf est déchargée et la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 16 prend le même niveau de tension que la tension de référence Vr. Ensuite, à l'instant T4 - T6, la même opération est répétée. Il en résulte que la tension de signal de sortie Vsy d'une forme pratique-ment rectangulaire représentée sur la figure 2, est émise par le circuit convertisseur C-V 13. L'amplitude Vs de la tension de signal de sortie Vsy est exprimée par la formule suivante: Vs = Vp.(C1-C2)/Cf. Bien qu'on désire donner la même capacité aux condensateurs Cl, C2, il est en réalité difficile de leur donner la même capacité. Par conséquent, il y a une différence de capacité entre les condensateurs Cl et C2 lorsque aucune accélération ne leur est appliquée. En d'autres ter-mes, il y a une capacité initiale (ou une capacité de décalage) AC=(C1-C2) dans la puce de capteur 12. Si la capacité initiale OC est grande, les charges stockées dans le condensateur de rétroaction Cf ne sont pas complètement déchargées pendant que l'interrupteur 17 est fermé, et les charges sont accumulées progressivement dans le condensateur de rétroaction Cf. Il en résulte qu'il devient difficile d'obtenir la tension de si- gnal de sortie Vsy représentant correctement la valeur d'accélération. Si la capacité initiale AC dépasse la capacité de rétroaction Cf, le condensateur de rétroaction Cf est saturé, et il devient impossible de détecter la valeur d'accélération. La forme de la tension de signal de sortie Vsy représentée sur 35 la figure 2 est à nouveau représentée sur la figure 3, à une plus grande échelle. Lorsque la capacité initiale AC est suffisamment faible, la tension de signal de sortie Vsy devient rapidement zéro sous l'effet de la fermeture de l'interrupteur 17. En d'autres termes, la déformation du signal est faible, comme représenté par al. Lorsque la capacité initiale AC devient plus grande, la déformation du signal devient plus grande de façon correspondante, comme représenté par a2, a3 et a4. Lorsque la capacité initiale AC devient encore plus grande, la tension de signal de sortie Vsy ne devient jamais égale à zéro, mais devient un niveau constant, c'est-à-dire qu'elle est saturée. Pour éviter l'accumulation de charges dans le condensateur de rétroaction Cf et pour éviter ainsi la saturation de la tension de signal de sortie Vsy, la durée pendant laquelle l'interrupteur 17 est fermé (qu'on appelle une durée de restauration t) doit être allongée au fur et à mesure que la capacité initiale AC devient plus grande. Cependant, la durée de restauration (t) ne peut pas être trop allongée, du fait qu'un temps de réponse du détecteur est prolongé conformément à la durée de restauration. En ce qui concerne la capacité initiale AC, le mieux est qu'elle soit la plus petite possible. Il est cependant difficile de la diminuer audessous d'un certain niveau. Ainsi, des expériences ont été effectuées pour déterminer une valeur admissible de la capacité initiale AC correspondant à une longueur de la durée de restauration (t). Les résultats des expériences sont représentés dans un système de coordonnées dans lequel l'abscisse représente la durée de restauration (t) et l'ordonnée représente la capacité initiale AC. Des points, dont chacun est défini par la durée de restauration (t) et la capacité initiale AC, qui donnent un fonctionnement normal du circuit de détection 13 sont représentés avec des marques en forme de losange sur les figures 4-6. De façon similaire, les points qui font passer le circuit de détection 13 dans la situation saturée sont représentés avec des marques carrées sur les mêmes figures 4-6. Une ligne droite séparant les points présentant le fonctionnement normal vis-à-vis des points présentant la saturation est tracée dans le système de coordonnées. La ligne droite est don-née par l'expression suivante: AC = nt - m, dans laquelle AC est la capa-cité initiale (en pF), t est la durée de restauration (en secondes), n est un premier facteur déterminant une pente de la ligne, et m est le second facteur. Cette ligne montre que si la capacité initiale AC est au-dessous de la ligne (c'est-à-dire AC (AC + m)/n), on obtiendra un fonctionnement normal. Le premier facteur m est correct s'il tombe dans une plage de 0,235 à 1 150 000, et de préférence dans une plage de 0,325 à 0,725, et le plus préférablement dans une plage de 0,433 à 0,595. Le second facteur n est correct s'il tombe dans une plage de 0,360 à 1 410 000, et de préférence dans une plage de 0,460 à 0,960, et le plus préférablement dans une plage de 0,610 à 0,810. Ces plages sont déterminées expérimentalement. Si le premier facteur m était trop petit, la durée de restauration (t) serait fixée à un niveau auquel la tension de signal de sortie Vsy se sature. Si le premier facteur m était trop grand, la durée de res- tauration (t) deviendrait trop longue, de façon inutile. Si le second facteur n était trop grand, une trop grande capacité initiale AC qui occasionne la saturation de la tension de signal de sortie Vsy serait permise. Si le second facteur n était trop petit une valeur de capacité initiale AC qui n'occasionne pas la saturation serait interdite. La figure 4 montre une situation dans laquelle le premier facteur m et le second facteur n sont dans la plage correcte envisagée ci-dessus. Ainsi, si la ligne droite exprimée par la formule [AC = nt - m] se trouve dans la région hachurée sur la figure 4, et si la capacité initiale AC est audessous de la ligne, le circuit de détection 13 fonctionnera normalement. La figure 5 montre une situation dans laquelle le premier facteur m et le second facteur n sont dans la plage préférable envisagée ci-dessus. Ainsi, si la ligne droite exprimée par la formule [AC = nt - m] se trouve dans la région hachurée sur la figure 5 et si la capacité initiale AC est audessous de la ligne, le circuit de détection 13 fonctionnera d'une manière préférable. La figure 6 montre une situation dans laquelle le premier facteur m et le second facteur n sont dans la plage la plus préférable envisagée ci-dessus. Ainsi, si la ligne droite exprimée par la formule [AC = nt - m] se trouve dans la région hachurée sur la figure 6 et si la capacité initiale AC est au-dessous de la ligne, le circuit de détection 13 fonctionnera de la manière la plus préférable. En fixant la durée de restauration (t) et la capacité initiale AC conformément à la formule de la présente invention, les changements de la différence de capacité (Cl - C2) dûs à la force d'accélération peuvent être correctement détectés sans occasionner la saturation de la tension de signal de sortie Vsy, même s'il y a une certaine capacité initiale (ou une capacité de décalage) AC. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de prévoir un circuit supplémentaire pour éliminer les effets nuisibles de la capacité initiale ou de la capacité de décalage. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, une électrode qui peut se déplacer conformément à l'accélération est établie en commun pour les condensateurs Cl, C2, de façon que la différence de capacité (Cl - C2) représente une valeur d'accélération qui leur est appliquée. Cependant, les condensateurs peuvent être arrangés différemment. Un condensateur ayant une électrode qui peut se déplacer conformément à l'accélération peut être utilisé pour le premier condensateur Cl (un condensateur capteur), et un condensateur ayant une capacité fixe peut être utilisé pour le second condensateur C2 (un condensateur de référence) . Dans cet arrangement également, la différence de capacité (Cl - C2) représente la valeur d'accélération. Il est également possible d'élimi- ner le condensateur de référence C2 et d'utiliser seulement le condensateur variable Cl, dont la capacité varie conformément à une valeur d'accélération. Dans ce cas, une capacité initiale de C2 qui apparaît lorsque aucune accélération n'est appliquée, correspond à la capacité initiale AC du mode de réalisation précédent. En fixant de façon appropriée la rela- tion entre la durée de restauration (t) et la capacité initiale AC, le circuit de détection fonctionne correctement. La déformation de signal (al - a4) représentée sur la figure 3 dépend non seulement de la valeur de AC, mais également d'une impédance Z du fil 15 connectant la puce de capteur 12 et la puce de circuit de détection 13. Plus particulièrement; la déformation de signal augmente conformément à une valeur de constante de temps i, qui est un produit de l'impédance Z et de la capacité initiale AC (t = Z.AC). Pour diminuer la constante de temps T, il est avantageux d'intégrer la puce de capteur 12 et la puce de circuit de détection 13 dans une seule puce 21, comme re- présenté sur la figure 7. Du fait que le fil de connexion 15 est remplacé par une interconnexion intérieure 22 en intégrant les deux puces, la va- leur d'impédance Z est considérablement diminuée. De cette manière, les avantages de la présente invention sont encore renforcés. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap-5 portées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit (13) pour détecter un changement de capacité dans une structure de condensateurs (Cl, C2) dont une capacité varie conformément à une grandeur physique qui lui est appliquée, le circuit de dé- tection étant caractérisé en ce qu'il comprend: un amplificateur opérationnel (16) ayant une borne d'entrée inverseuse à laquelle la structure de condensateurs (Cl, C2) est connectée; et un circuit à capacité commutée constitué d'un condensateur de rétroaction (Cf) et d'un interrupteur (17) connectés mutuellement en parallèle, le circuit à capacité commutée étant connecté entre la borne d'entrée inverseuse et une borne de sortie de l'amplificateur opérationnel (16), et le circuit de détection fonctionnant de façon à respecter la formule suivante: t > (AC + m)/n, dans laquelle t est une durée de restauration pendant laquelle l'interrupteur est fermé, AC est une capacité initiale de la structure de condensateurs lorsque aucune grandeur physique ne lui est appliquée, m est un premier facteur ayant une valeur dans une plage de 0,235-1 150 000 et n est un second facteur ayant une valeur dans une plage de 0,360-1 410 000. 2. Circuit de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de condensateurs est composée d'un premier conden- sateur (Cl) et d'un second condensateur (C2), les capacités des deux condensateurs variant en fonction inverse l'une de l'autre en réponse à une grandeur physique qui leur est appliquée; et la capacité initiale AC est une différence de capacité entre les deux condensateurs lorsque aucune grandeur physique n'est appliquée aux deux condensateurs. 3. Circuit de détection (13) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de condensateurs (Cl, C2) est composée d'un condensateur de référence ayant une capacité fixe et d'un condensateur va- variable, dont la capacité varie conformément à la grandeur physique qui lui est appliquée, la grandeur physique étant détectée sur la base d'une différence de capacité entre le condensateur variable et le condensateur de référence; et la capacité initiale AC est une différence de capacité en- tre les deux condensateurs lorsque aucune grandeur physique ne leur est appliquée. 4. Circuit de détection (13) selon l'une quelconque des revendications 13, caractérisé en ce que le circuit de détection est intégré dans une seule puce (21) conjointement à la structure de condensateurs (Cl, C2). 5. Circuit de détection (13) selon l'une quelconque des revendications 14, caractérisé en ce que la grandeur physique est une force dynamique appliquée à la structure de condensateurs. 6. Circuit de détection (13) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la force dynamique est une force d'accélération appliquée à la structure de condensateurs.