Brevet FR2871239A1 — publié le 20051209

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur comportant une partie fonctionnelle micromécanique et un circuit d'exploitation électronique reliés électriquement par des conducteurs électriques. Etat de la technique Les capteurs inertiels capacitifs en particulier les capteurs d'accélération ayant des structures de peigne transmettent les signaux par deux contacts (Cl, C2) entre le circuit d'exploitation et l'élément de capteur. Un autre contact (CM) permet de récupérer de manière électrocapa- citive, l'état de débattement de la structure en peigne en fonction de l'accélération. Le substrat de l'élément de capteur est tenu par un quatrième contact, le contact de substrat (CS), à un potentiel défini par un circuit d'exploitation. Si pendant le fonctionnement du fait d'une liaison défectueuse ou de la fatigue, ce contact de substrat s'ouvre, on aura un potentiel en dérive du fait de la liaison fortement ohmique ou ouverte. Le décalage des lignes de champ et le débattement correspondant de la structure de peigne peut engendrer des états dans la configuration électrostatique qui correspondent à une accélération d'origine externe fictive. En particulier dans les applications critiques pour la sécurité telles que les systèmes ESP, les coussins gonflables, la protection contre le retourne-ment ou le système ABS ou autres, cela nécessite une détection de défaut de la liaison électrique. Selon l'état de la technique on garantit cette détection de défaut, en particulier la détection de rupture de contact ou de liaison par un autre contact. En appliquant une intensité par les deux contacts on peut constater une différence de potentiel en cas d'éventuelles ouvertures d'une liaison. Dans une réalisation redondante des liaisons électriques, il est peu probable que deux contacts assurant la même fonction s'ouvrent en même temps. Dans le cadre du développement de la miniaturisation de capteurs micromécaniques, l'encombrement des surfaces de contact et des lignes de liaison électriques est de plus en plus un élément de limitation. Exposé et avantage de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un capteur du type défini ci-dessus carac- térisé par des moyens pour effectuer un test automatique du capteur et permettre une détection de défaut d'au moins une liaison électrique. Le capteur selon l'invention offre l'avantage que le test automatique permet de supprimer les lignes ou liaisons électriques redon- dantes. Cela se traduit par une économie d'encombrement sur l'élément de capteur et sur le circuit d'exploitation du capteur. La conséquence en est une réduction du coût de pièces. Selon un développement avantageux de l'invention, le cap- teur possède un mode de fonctionnement de test automatique et un autre mode de fonctionnement correspondant au mode normal de mesure.. Le capteur peut de cette manière effectuer tout d'abord le test automatique et ensuite, si le test est réussi, passer en mode de mesure normal. Selon un autre développement avantageux de l'invention, les moyens pour exécuter le test automatique du capteur effectuent celui-ci pendant le fonctionnement normal de mesure. Cela permet de tester ou de contrôler le fonctionnement correct du capteur à tout moment même pendant les mesures. Il est avantageux que le capteur soit un capteur capacitif, en particulier un capteur ayant une structure de condensateur différentielle. Les capteurs capacitifs sont particulièrement sensibles aux variations de potentiel se traduisant par des signaux de défaut. Il est avantageux que la partie fonctionnelle micromécanique soit installée sur un substrat et que le circuit d'exploitation électroni- que soit installé sur au moins un autre substrat. Le montage de la partie fonctionnelle micromécanique et du circuit d'exploitation sur différents substrats crée un potentiel commun défini par des lignes de liaison électriques, ce qui est particulièrement important. Il est en outre avantageux que le test automatique permette de contrôler l'état d'une liaison de substrat et/ou d'une liaison à la masse entre la partie fonctionnelle micromécanique et le circuit d'exploitation électronique. Les défauts de mesure par suite de liaisons défectueuses du substrat constituent un problème difficile à détecter dans les capteurs micromécaniques. L'état d'une telle liaison électrique est avantageusement contrôlé pour vérifier les coupures ou le niveau fortement ohmique. Il est particulièrement avantageux que le test automatique consiste à émettre un signal électrique par le circuit d'exploitation électronique vers la partie fonctionnelle micromécanique et un signal de mesure de capteur qui en résulte. Cela permet de déceler des défauts de mesure liés à des variations de potentiel déjà en mode d'essai. Il est également avantageux de réaliser le test automatique de façon à définir la conductivité électrique d'au moins une liaison et/ ou la coupure de cette liaison. Une résistance d'une liaison électrique qui serait ainsi augmentée ou sa coupure sont des conditions décisives engendrant des variations de potentiel. Ainsi, il est avantageux en résumé que l'économie de place sur l'élément de capteur et le circuit d'exploitation liée à la suppression d'un contact ou d'une zone de liaison ou d'une double liaison se traduise en même temps par une plus grande sécurité du contrôle. En outre, la réduction des circuits est avantageuse pour le test automatique par traite-ment numérique du signal. La détection des ruptures de contact peut se faire avantageusement sur un contact existant. Même un contact qui se détériore (détachement lent d'une liaison, effet Kirkendall...) peut se déceler à temps par la surveillance de l'atténuation de l'oscillation, avant que le contact ne soit totalement défaillant. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 15 détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure lA montre schématiquement un capteur micromécanique selon l'état de la technique, la figure 1B montre schématiquement un capteur micromécanique se-20 lon l'invention avec détection de défaut, - la figure 2 montre la relation entre le signal de sortie du capteur et la tension appliquée au substrat, - la figure 3 montre un capteur selon l'invention avec un circuit d'exploitation selon une représentation schématique, - la figure 4A montre un signal d'excitation possible du capteur micro- mécanique selon l'invention avec détection de défaut, - la figure 4B montre le signal du mot de test d'un capteur micromécanique selon l'invention fonctionnant correctement et pour une détection de défaut, - la figure 4C représente le signal du mot de test d'un capteur micromécanique selon l'invention, défectueux, avec détection de défaut. Description de modes de réalisation La figure lA montre schématiquement un capteur micro- mécanique selon l'état de la technique. Le capteur comprend une partie fonctionnelle micromécanique 10 et un circuit d'exploitation électronique reliés par des liaisons électriques. Les liaisons électriques de cet exem- ple se composent de conducteurs électriques 35 mis en contact au niveau des surfaces de contact 30. Pour transmettre quatre signaux on dispose ici de cinq liaisons, c'est-à-dire qu'une liaison est redondante. La figure 1B montre schématiquement un capteur micro-mécanique selon l'invention avec détection de défaut. Le capteur corn- prend une partie fonctionnelle micromécanique 100 et un circuit d'exploitation électronique 200 entre lesquels des liaisons électriques se composent de conducteurs électriques 350 reliés à des surfaces de contact 300. A la différence du capteur de l'état de la technique représenté à la figure 1A, dans cet exemple d'un capteur selon l'invention il n'y a plus que quatre liaisons électriques. La cinquième liaison électrique redondante existant antérieurement a été supprimée. Cela se traduit par un potentiel d'économie en surface de puce ou de circuit électronique 110. La surface de puce 110 peut être réduite pour miniaturiser le capteur, ou peut assurer des fonctions supplémentaires. La figure 2 montre la relation entre le signal de sortie d'un capteur micromécanique et la tension appliquée à un substrat. Le dia-gramme donne un signal de capteur S relatif en fonction de la tension V appliquée au substrat. Le signal de capteur de cet exemple de réalisation dépend linéairement de la tension V du substrat avec une pente dS/dV. D'autres relations fonctionnelles sont possibles. La sensibilité de la conductance dS/dV n'est présentée ici qu'à titre d'exemple. Elle dépend de différents paramètres du capteur et du circuit d'exploitation et doit se dé-finir dans le système. Dans l'exemple présenté on a une modification du signal de capteur S d'une amplitude de l'ordre de 20 % de la plage de mesure pour une variation de 5 V de la tension V du substrat. La figure 3 montre un capteur selon l'invention comportant un circuit d'exploitation représenté de manière schématique. Le circuit d'exploitation électronique 200 comprend un module d'exploitation 220, un module d'excitation 240, un module de démodulation 260 ainsi qu'un module d'exploitation 280. Le module d'exploitation 220 a pour fonction l'exploitation du signal d'un capteur capacitif caractéristique. Il est relié par des liaisons électriques 350 aux électrodes Cl, CM, C2 d'un condensateur différentiel. Le module d'exploitation 220 exploite les variations de capacité du condensateur différentiel et en déduit un signal de sortie de capteur 225. Le circuit d'exploitation électronique 200 est en outre relié par une autre liaison électrique 350 à la partie fonctionnelle micromécanique 100. Cette liaison électrique constitue la liaison ou ligne de substrat 355; dans les capteurs de l'état de la technique cette liaison est redon- dante ou elle sert en particulier à une réalisation multiple de la surveillance des contacts. La surveillance des contacts se fait selon l'état de la technique en appliquant un courant par les deux contacts. En cas d'éventuelle rupture d'une liaison on constate la différence de potentiels. Dans l'exemple de réalisation décrit d'un capteur selon l'invention, la ligne 355 du substrat est une ligne simple mais elle est sur-veillée par une fonction de test ou de contrôle automatique. La ligne de substrat 355 relie le module d'excitation 240 au contact de substrat CS. Dans un certain état ou mode de fonctionnement, par exemple après le branchement du capteur, le module d'excitation 240 envoie dans le cadre d'un contrôle ou test automatique, un modèle de signal à la ligne de substrat 355 à la partie fonctionnelle micromécanique 100. En conséquence, en application de la relation non représentée à la figure 2, on aura un signal de mesure converti par le module d'exploitation de signal 220 en un signal de sortie de capteur 225. Le module d'excitation 240 fournit non seulement le signal d'essai mais également un signal de corrélation 245. Le signal de corrélation 245 et le signal de sortie de capteur 225 sont fournis au module de démodulation 260. Le module de démodulation 260 effectue une démodulation en corrélation des signaux. Un signal de sortie démodulé 265 est fourni au module d'évaluation 280. A partir du modèle de signal exploité 265, le module d'évaluation 280 évalue finalement l'état de la ligne de substrat 255 et fournit un signal 285 correspondant. Le signal de mesure de la partie fonctionnelle micromécanique 100 peut être numérisé dans le circuit d'exploitation 220 et le traite- ment global du signal peut se faire de manière numérique également pour le test ou contrôle automatique. La figure 4, dans ses parties 4A, 4B et 4C, montre un signal d'excitation possible d'un capteur micromécanique selon l'invention avec reconnaissance de défaut. Le diagramme donne la tension V du signal en fonction du temps. Dans l'exemple présenté, le module d'excitation 240 émet un modèle de signal de test 400 périodique, rectangulaire. D'autres formes de signaux sont également envisageables. La figure 4B montre la réponse du signal de test pour un capteur fonctionnant correctement. Le diagramme donne le signal de capteur S en fonction du temps T. Le modèle de signal 420 représente le signal de réponse au modèle de signal de test 400. Le modèle de signal 420 comme signal de réponse suit par son tracé chronologique pratique- ment le modèle de signal de test 400 sans retard. La liaison de potentiel entre le circuit d'exploitation 200 et la partie fonctionnelle micromécanique 100 est ainsi faiblement ohmique ou très conductrice, c'est-à-dire qu'elle est intacte. La figure 4C montre le signal de réponse d'un capteur dé- fectueux. Le diagramme représente le signal de capteur S en fonction du temps T. Le premier modèle de signal 440 présenté dans le diagramme traduit une ligne de substrat 355 fortement ohmique ou faiblement conductrice. Les variations de potentiel prédéfinies par le modèle de test 400 ne sont suivies par la partie fonctionnelle micromécanique qu'avec du re- m tard. Le second modèle de signal 460 représenté dans le diagramme traduit l'absence de toute relation entre le signal de sortie du capteur et le modèle de signal de test 400. La résistance est pratiquement infinie; en d'autres termes, la conductivité est voisine de zéro. Cela permet de conclure à la coupure totale de la ligne de substrat 355 par exemple occasionnée par la rupture de la liaison électroconductrice par rapport aux surfaces de contact ou la rupture du conducteur de substrat 355 lui-même. En résumé, la structure et le fonctionnement du capteur selon l'invention peuvent se décrire comme suit: le potentiel de substrat du capteur est défini en mode courant en dehors de la phase de test ou phase de contrôle pour la détection d'une rupture de liaison par une liai- son avec une tension de référence constante comme par exemple la masse (GND) ou dans le cas d'une alimentation en tension symétrique par rap- port à une valeur telle que par exemple la valeur moyenne (VDD/2). Le signal de sortie du système de mesure capacitif ne dépend ainsi que des forces d'inertie massiques liées à la masse sismique ou des forces du champ électrostatique. Dans une phase d'essai, en modifiant de manière définie le potentiel du substrat de la partie fonctionnelle micromécanique on peut générer à l'aide d'un modèle de signal de test 400, des varia- tions dans la configuration des forces électrostatiques à l'intérieur du capteur qui traduisent une force supplémentaire agissant sur la masse sismique. Cette force supplémentaire combine par addition un autre si- gnal au signal normal de sortie du capteur. L'amplitude et l'évolution chronologique de ce signal sont bien définies selon le signal d'essai 400. Dans le circuit d'exploitation 200, par exemple réalisé sous la forme d'un circuit ASIC, on a un module d'excitation 240 permettant d'appliquer différentes tensions au contact de substrat CS de la partie fonctionnelle micromécanique 100. Le module d'excitation 240 permet en outre de définir de manière arbitraire le modèle de tension en fonction du temps. Les différentes tensions appliquées au substrat du capteur produisent des variations chronologiques du signal de sortie du système de mesure que l'on peut nettoyer du signal d'accélération qui lui est combiné en appliquant une démodulation en corrélation. Le signal ainsi nettoyé peut ensuite être exploité par des contrôles de tolérance dans le module d'évaluation 280. A l'aide de différents modèles de signaux d'essai 400 on peut vérifier le potentiel du substrat et ainsi l'état de la ligne 355 du substrat pour détermine une rupture totale ou une liaison électrique fortement ohmique. io Pour différentes applications on utilisera différents modèles si bien que le signal de sortie traité par une démodulation en corrélation correspondante avec les véritables signaux de capteur tels que les signaux d'accélération pourra ensuite être exploité. Le capteur micromécanique selon l'invention peut servir notamment de capteur inertiel tel qu'un capteur d'accélération ou un capteur de vitesse de lacet. REVENDICATIONS 1 ) Capteur comportant une partie fonctionnelle micromécanique (100) et un circuit d'exploitation électronique (200) reliés électriquement (300, 350, 355) par des conducteurs électriques (350), caractérisé par des moyens (200) pour effectuer un test automatique du capteur et per-mettre une détection de défaut d'au moins une liaison électrique (300, 350, 355). 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il possède un mode de fonctionnement de test automatique et un autre mode de fonctionnement correspondant au mode normal de mesure. 3 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (200) pour effectuer le test automatique du capteur effectuent ce test pendant le mode de mesure normal du capteur. 4 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est un capteur capacitif, notamment un capteur à structure de condensateur différentiel. 5 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie fonctionnelle micromécanique (100) est installée sur un substrat et le circuit d'exploitation électronique (200) est installé sur au moins un autre substrat. 6 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le test automatique permet de contrôler l'état d'une liaison de substrat (355) et/ou une liaison de masse (355) entre la partie fonctionnelle mi-35 cromécanique (100) et le circuit d'exploitation électronique (200). 7 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le test automatique comporte l'émission d'un signal électrique (400) par le circuit d'exploitation électronique (200) vers la partie fonctionnelle micro-mécanique (100) ainsi qu'un signal de mesure de capteur qui en résulte. 8 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le test automatique est réalisé de façon à définir la conductivité électrique d'au moins une liaison (300, 350, 355) et/ou la coupure de cette liaison (300, 350, 355). io