Brevet FR2868166A1 — publié le 20050930

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur comportant au moins un moyen d'entraînement/détection, une unité d'entraînement et une unité d'exploitation. Etat de la technique Les capteurs micromécaniques oscillants comme par exemple des capteurs de vitesse de rotation utilisent en général des structures en forme de peignes pour faire osciller le capteur. Cette excitation se pro-duit principalement à l'état résonant pour exploiter la qualité élevée du système. De telles structures en forme de peignes se composent d'une partie fixe et d'une partie mobile elles-mêmes fixées à la masse sismique à déplacer. Pour exciter l'oscillation on applique une tension entre les deux parties de peigne pour que la force électrostatique ainsi engen- drée produise une attraction et tire les deux parties de peigne l'une vers l'autre. En commutant sur une seconde paire de peignes on déclenche un mouvement dans la direction opposée. Comme la sensibilité des capteurs est directement proportionnelle à l'amplitude de l'oscillation ainsi engendrée, il faut que celle-ci soit maintenue aussi constante que possible pour disposer ainsi d'une sensibilité constante. Pour cela on utilise de manière générale d'autres structures en peignes ou paires de peignes. A l'aide de la variation de leur capacité influencée par la profondeur d'interpénétration, celles-ci mesurent l'amplitude de l'oscillation. Cette information garantit une amplitude constante de l'oscillation par l'intermédiaire d'une boucle de régulation. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans un premier état de fonctionnement, le moyen d'entraînement/détection est relié à l'unité d'entraînement et dans un second état de fonctionnement, le moyen d'entraînement/détection est relié à l'unité d'exploitation. Il est avantageux que le moyen d'entraînement/détection combiné puisse assurer une double fonction en étant relié sélectivement à l'unité d'entraînement ou à l'unité d'exploitation, et d'exercer ainsi cette fonctionnalité du capteur seulement deux fois moins souvent que la fonction simple réalisée selon l'état de la technique, avec au moins un moyen d'entraînement/détection pour l'entraînement et au moins un moyen d'entraînement/détection pour l'exploitation. Il est avantageux que le capteur comporte une masse sismique susceptible d'être excitée en oscillation. Sur cette masse on peut combiner avantageusement l'entraînement et la détection car ses fonctions utilisent le même effet alternatif. Par l'entraînement, le moyen d'entraînement/détection exerce une force servant à l'accélération et au déplacement de la masse. L'action d'une force extérieure sur la masse sismique conduit également à une accélération et à débattement de cette masse. Ce débattement est mesuré par l'unité d'exploitation à l'aide du moyen d'entraînement/détection qui peut l'exploiter. Le moyen d'entraînement/détection est relié avantageuse-ment à la masse sismique. Un développement particulièrement avantageux de l'invention prévoit un capteur constitué par un capteur de mesure micromécanique notamment un capteur de vitesse de rotation. De nombreux capteurs micromécaniques possèdent une masse sismique suscep- tible d'être déplacée. En particulier, les capteurs micromécaniques de vitesse de rotation ont une masse oscillante sismique, susceptible d'être déplacée de manière active et dont le débattement se détecte par l'accélération de Coriolis. Un développement particulièrement avantageux de l'invention concerne un moyen d'entraînement/détection comportant un condensateur, notamment avec une structure en forme de peigne. De tel-les structures en forme de peignes s'appliquent avantageusement comme moyens d'entraînement en utilisant l'attraction électrostatique de plaques de condensateurs chargées différemment. Le débattement, en particulier l'amplitude de l'oscillation d'entraînement, peut se définir avantageuse-ment et de manière simple par la variation de capacité résultante de la structure en forme de peigne. Un autre développement avantageux du composant prévoit de relier l'unité d'entraînement et l'unité d'exploitation, en alternance pé- riodique au moyen d'entraînement/détection. Cela s'oppose au principe de la masse sismique pour des oscillations périodiques et se réalise avantageusement. Il est également avantageux que l'unité d'entraînement et l'unité d'exploitation soient constituées par au moins un circuit électrique. Les circuits électriques sont faciles à intégrer avec des parties de fonction micromécanique dans un capteur. Dans un entraînement ou moteur électrostatique, les circuits électriques de l'unité d'entraînement et de l'unité d'exploitation sont particulièrement avantageux. La présente invention utilise un seul et même peigne à la fois pour l'excitation de l'oscillation et pour la détection de celle-ci. Pour cela, pendant une demi-période de l'oscillation, on utilise comme entraînement une moitié de peigne alors que l'autre moitié est utilisée pour la détection de cette oscillation. Dans la seconde demi-période la répartition des fonctions s'inverse si bien que les peignes utilisés précédemment pour la détection servent maintenant comme peignes d'entraînement et inversement. L'invention s'applique à la fois pour des oscillateurs à mouvement de rotation et des oscillateurs à mouvement de translation. Pour entraîner un oscillateur résonant on n'a plus besoin de paires distinctes de peignes d'entraînement et de détection mais les deux paires de peignes assurent simultanément les deux fonctions. Il en résulte les avantages suivants: il suffit d'un nombre moitié de structures de peignes car chaque structure de peigne assure de la même manière les deux fonctions. On peut également supprimer deux surfaces de contact (pattes de contact) pour le branchement du capteur. Le résultat est une utilisation économe de la surface de la puce électronique pour les peignes et les pattes de liaison. En variante, si le nombre des peignes et maintenu, le capteur selon l'invention disposera du nombre double de peignes d'entraînement. Cela permet, en variante ou en combinaison, deux réalisations avantageuses du capteur. En premier lieu, la pression interne au capteur (habituellement quelques mbars) peut être augmentée car un en-traînement vigoureux permet d'entraîner les masses oscillantes contre la résistance d'une pression atmosphérique plus élevée. Il en résulte de nou- veau une conduite plus simple du procédé pour l'encapsulage des capteurs car les conditions relatives au maintien de la pression atmosphérique à un niveau faible lors de l'encapsulage et celles relatives à l'étanchéité future de la capsule sont plus faibles. En second lieu on ré-duit la tension d'entraînement requise que la puce d'exploitation doit fournir si l'on dispose ainsi d'un entraînement plus puissant. Cela permet de simplifier le circuit sur la puce d'exploitation et de réduire les dimensions de ce circuit. On arrive ainsi de nouveau à une économie de surface sur la puce comportant le circuit d'exploitation. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans les-quels: la figure 1 montre le schéma de principe d'un capteur micromécanique de vitesse de rotation, la figure 2 montre la partie fonctionnelle micromécanique d'un capteur de vitesse de rotation, la figure 3 est un schéma électrique du capteur de vitesse de rotation selon l'état de la technique, la figure 4 est un schéma électrique du capteur de vitesse de rotation selon l'invention, la figure 5 montre un autre mode de réalisation d'un capteur de vitesse 10 de rotation selon l'invention. Description de modes de réalisation La figure 1 montre la partie micromécanique fonctionnelle d'un capteur de vitesse de rotation selon l'état de la technique. Le capteur de vitesse de rotation est représenté selon une vue en coupe et en pers- pective schématique. La figure montre un support 10, un moyeu 20 avec des ressorts oscillants 30 et une masse oscillante 40. Le moyeu 20 est relié au support 10. Des ressorts d'oscillation 30 relient le moyeu à la masse oscillante 40. Le capteur de vitesse de rotation comporte des structures en forme de peignes CAl, CA2 servant à entraîner l'oscillation V. L'entraînement en oscillation de la masse sismique, c'est-à-dire de la masse oscillante 40 se fait de la manière suivante: les deux peignes constituent une structure d'entraînement par exemple deux électrodes CA1 chargées à des potentiels électriques différents. Les peignes complémentaires sont tirés les uns dans les autres par la force d'attraction électro- statique ce qui déplace la masse oscillante 40. Le capteur de vitesse de rotation comporte également des structures en forme de peignes Cm, CD2 permettant de détecter l'amplitude des oscillations d'entraînement et leur signal, de manière générale pour réguler cette amplitude. Enfin, le capteur de vitesse de rotation comporte des structures de condensateur Csi, Cs2 servant à mesurer le débattement de la masse oscillante sous l'effet d'une force de Coriolis Fc. Pendant le fonctionnement du capteur de vitesse de rota- tion, la masse oscillante 40 oscille sur une trajectoire sphérique V autour du moyeu 20. Le capteur de vitesse de rotation détecte ainsi les rotations autour de l'axe de rotation 9. Pour de telles rotations du capteur autour de l'axe S2 on a des forces de Coriolis Fc produisant le débattement de la masse oscillante 40 dans la direction représentée par des flèches, et perpendiculaire au plan d'oscillation. Le sens des forces de Coriolis Fc varie suivant la direction de l'oscillation de rotation V de la masse oscillante 40. La figure 2 montre schématiquement la partie fonctionnelle micromécanique d'un capteur de vitesse de rotation comme celui de la fi- gure 1 en vue de dessus. Cette figure montre les peignes d'entraînement CA11, CAl2, CA21, CA22 et les peignes de détection CD11, CD12, CD21, CD22. Les peignes d'entraînement CA11, CAl2 servant à entraîner la masse oscillante 40 dans la direction +V. Les peignes d'entraînement CA21, CA22 servent à entraîner la masse oscillante 40 dans la direction -V. Les peignes de dé- tection CD11, CD12, CD21, CD22 servent à mesurer l'amplitude du débatte- ment d'entraînement dans les deux directions +V et -V. La capacité de ces structures de peignes en forme de condensateurs CD11, CD12, CD21, CD22 dépendant de la profondeur d'interpénétration des peignes et ainsi de la surface de recouvrement des plaques de condensateur. Les électrodes CT1, CT2 sont des électrodes d'essai. En appliquant une tension aux électrodes d'essai CT1, CT2 on obtient le débattement de la masse os-cillante 40 dans la direction de la force de Coriolis Fc. On peut ainsi simuler l'effet de la force de Coriolis Fc et la possibilité de débattement de la masse oscillante 40. On vérifie ainsi le bon fonctionnement du capteur. La figure 3 montre schématiquement le circuit électrique d'un capteur de vitesse de rotation selon l'état de la technique. Ce capteur est un capteur de vitesse de rotation capacitif comportant une partie fonctionnelle micromécanique 100 munie de peignes d'entraînement CA1, CA2 pour l'entraînement en oscillation de rotation ainsi que des peignes de détection Cm, CD2 pour détecter l'amplitude du débattement d'entraînement. Le capteur de vitesse de rotation comporte une unité d'exploitation 300 à deux convertisseurs capacité/tension (convertisseur C/U) 310 et 320 ainsi qu'un amplificateur de différence 330. Le capteur de vitesse de rotation comporte également un moyen d'entraînement 200 avec une régulation de phase et d'amplitude 210 et une unité d'entraînement 220. En fonctionnement, le capteur résonant selon l'exemple des figures 1 et 2 utilise de façon générale des peignes ou des paires de pei- gnes distinctes pour l'entraînement CA1, CA2 et la détection d'entraînement CD1, CD2. Pendant une première demi-période de l'oscillation, par exemple l'unité d'entraînement 220 fournit à sa sortie 221 une tension d'entraînement UA. Cette tension d'entraînement UA est appliquée entre la masse oscillante 40 et le peigne CAl représenté à la figure 3 et ainsi la masse oscillante 40 est déplacée par l'attraction électrostatique dans la direction +V. Les structures en forme de peignes s'interpénètrent. La profondeur de pénétration des peignes de détection CD1, CD2 varie ainsi. Alors que la partie fixe de la structure en forme de peigne CD2 et la pièce corres- pondante de l'oscillateur 40 se pénètrent et développent ainsi une capacité plus grande, la structure en forme de peigne Cm est déployée et forme ainsi une capacité plus faible. Ces variations de capacité sont détectées et sont appliquées à l'unité d'exploitation 300 essentiellement sous la forme de signaux essentiellement proportionnels à capacité 311, 321. Le signal to 311 est appliqué aux convertisseurs capacité/tension (convertisseur C/U) 310 et le signal 321 est appliqué aux convertisseurs capacité/tension (convertisseur C/U) 320. Ces convertisseurs C/U transforment tout signal proportionnel à une capacité en un signal de tension. Le signal de tension 331 du convertisseur C/U 310 et le signal de tension 332 du convertis- seur C/U 320 sont appliqués à l'amplificateur de différence 330; celui-ci en déduit un signal de régulation 333 pour l'entraînement 200. Le signal de régulation 333 est appliqué à la régulation de phase et d'amplitude 210. La régulation de phase et d'amplitude 210 génère un signal de régulation d'entraînement 311 avec des informations de phase et d'amplitude appliquées à l'unité d'entraînement 220. Sous l'effet du signal d'entraînement 211, l'unité d'entraînement 220 fournit à la sortie un signal de tension 221 approprié. Pendant ce temps le peigne Cal n'a pas de fonction. Pendant une seconde demi-période d'oscillation, l'unité d'entraînement 220 fournit une tension d'entraînement UA à la sortie 222. La tension d'entraînement UA est appliquée entre la masse oscillante 40 et le peigne Ca2 représenté à al figure 3 pour dévier ainsi la masse oscillante 40 dans la direction 6V sous l'effet de l'attraction électrostatique. Les structures en forme de peignes s'interpénètrent ce qui modifie la profondeur d'interpénétration des peignes de détection CD1, CD2. Alors que la partie fixe de la structure en forme de peigne Cm et la partie complémentaire de l'oscillateur 40 se pénètrent respectivement et développent une capacité plus grande, la structure de peigne CD2 se déploie et engendre ainsi une capacité plus petite. Les variations de capacité sont détectées et sont fournies comme des signaux essentiellement proportionnels à la capacité 311, 321 de l'unité d'exploitation 300. L'exploitation se fait à son tour comme décrit ci- dessus. Pendant ce temps le peigne Cal n'a pas de fonction. La figure 4 montre schématiquement le circuit électrique d'un capteur selon l'invention dans le cas d'un capteur de vitesse de rotation. Ce capteur de vitesse de rotation capacitif a une partie fonctionnelle micromécanique 100 avec des moyens d'entraînement et de détection sous la forme de structure de condensateur en peigne C ; on par exemple n = 1, 2, 3, 4. Les structures en condensateur Capteur de vitesse de rotation, C2 d'une part et C3, C4 d'autre part sont montées en parallèle; selon l'invention on peut également n'avoir qu'une seule structure commune. Le capteur de vitesse de rotation comporte une unité d'exploitation 300 à deux convertisseurs capacité/tension (convertisseur C/U) 310, 320 ainsi qu'un amplificateur de différence 330. Le capteur de vitesse de rotation comporte également un moyen d'entraînement 200 avec une régulation d'entraînement 215 modifiée et une unité d'entraînement 220. La régulation d'entraînement modifiée 215 comprend une régulation de phase et d'amplitude et une commande pour deux éléments de commutation 410, 420. Dans un premier état de fonctionnement qui correspond dans cet exemple à une première demi-période, les structures de conden- sateur Cl, C2 sont reliées par l'élément de commutation 410 et la ligne de transmission conduisant le signal de tension 221 est reliée à l'unité d'entraînement 220 pour entraîner la masse oscillante 40 dans la direc- tion +V. Les structures en forme de peignes Cl, C2 s'imbriquent ainsi car elles sont attirées dans l'autre par l'attraction électrostatique. En même temps les structures en forme de peignes C3, C4 sont déployées. On me- sure cette variation de capacité. Les structures en forme de peignes C3, C4 sont reliées au convertisseur C/U 320 par l'élément de commutation 420 recevant le signal 321. Il n'y a pas de signal 311 proportionnel à la capacité car la ligne de transmission de signaux correspondante de l'élément de commutation 410 est ouverte. Le convertisseur C/U 310 ne fournit pour cette raison aucune composante. Le signal de tension 331 (qui ne contient aucune information) du convertisseur C/U 310 et le si- gnal de tension 332 du convertisseur C/U 320 sont appliqués à l'amplificateur de différence 330 qui génère à partir de là un signal de ré- gulation 333 pour l'entraînement 200. Le signal de régulation 333 est ap- pliqué à la régulation de phase et d'amplitude 215, modifiée. Cette régulation de phase et d'amplitude modifiée 215 génère un signal de ré- gulation d'entraînement 211 avec des informations de phase et d'amplitude appliquées à l'unité d'entraînement 220. On a en outre un signal 430 dépendant de la phase pour commander les éléments de commutation 410, 420. Du fait du signal de régulation d'entraînement 211, l'unité d'entraînement 220 fournit à sa sortie une tension d'entraînement 221 appropriée. Dans un second état de fonctionnement qui correspond dans cet exemple à une seconde demi-période, les structures de condensateur C3, C4 sont reliées par l'élément de commutation 420 à l'unité d'entraînement 220 et à la ligne de transmission de signal transmettant le signal de tension 222; ces structures entraînent la masse oscillante 40 dans la direction - V. Les structures en forme de peignes C3, C4 s'imbriquent ainsi car elles sont tirées l'une dans l'autre par l'attraction électrostatique. En même temps, les structures en forme de peignes Cl, C2 sont déployées. On mesure la variation de capacité ainsi produite. Les structures en forme de peignes Cl, C2 sont reliées au convertisseur C/U 310 par l'élément de commutation 410 pour lui fournir le signal 311. Un signal 321 proportionnel à la capacité n'existe pas car la ligne de transmission de signal correspondante de l'élément de commutation 420 est ouverte. Le convertisseur C/U 320 ne fournit pour cette raison aucune composante. Le signal de tension 331 du convertisseur C/U 310 et le si- gnal de tension 332 (qui ne contient aucune information) du convertisseur C/U 320 sont appliqués à l'amplificateur de différence 330 qui génère à partir de là un signal de régulation 333 pour l'entraînement 200. Le signal de régulation 333 est appliqué à la régulation modifiée de phase et d'amplitude 215. Cette régulation modifiée de phase et d'amplitude 215 génère un signal de régulation d'entraînement 211 avec des informations de phase et d'amplitude. Ce signal est appliqué à l'unité d'entraînement 220. On génère également un signal dépendant de la phase 430 pour commander les éléments de commutation 410, 420. L'unité d'entraînement 220 fournit à sa sortie une tension d'entraînement appro- priée 222 à partir du signal de régulation d'entraînement 211. Cette procédure fournit dans cet exemple de réalisation une quantité double de peignes d'entraînement. Comme indiqué ci-dessus, les structures de condensateur Cl, C2 d'une part et les structures C3, C4 d'autre part sont branchées en parallèle. Mais selon l'invention elles peu- vent également être réunies dans une structure commune. Cela permet un regroupement et ainsi une réduction du nombre de structures de peignes. La figure 5 montre un autre mode de réalisation d'un capteur de vitesse de rotation selon l'invention. Ce capteur de vitesse de rota- tion est un capteur capacitif avec une partie fonctionnelle micromécanique 100 et une unité d'exploitation 300. Le capteur comprend également un moyen d'entraînement 200 avec une régulation d'entraînement modifiée 215 et une unité d'entraînement 220. Comme décrit ci-après à la figure 4, suivant l'état de fonctionnement l'un des signaux de capacité 321 ou 311 n'existe pas et l'un des convertisseurs C/U 320 ou 310 n'a pas de fonction et est superflu de ce fait. A la différence de la figure 4, les structures en forme de peignes C sont commandées par les éléments de commutation 410, 420 qui les relient alternativement par une ligne commune de si- lo gnaux à l'unité d'exploitation 300. Cette unité d'exploitation 300 ne comporte qu'un convertisseur C/U au lieu de deux convertisseurs C/U dans l'exemple de réalisation précédent. La présente invention n'est expressément pas limitée aux exemples de réalisation décrits. On peut envisager beaucoup d'autres mo- des de réalisation. En particulier l'invention peut s'appliquer à des moyens d'entraînement/détection avec des oscillateurs linéaires, c'est-à- dire des oscillations à mouvement de translation au lieu de mouvement de rotation. REVENDICATIONS 1 ) Capteur comportant au moins un moyen d'entraînement/détection (Cr), une unité d'entraînement (220) et une unité d'exploitation (300), caractérisé en ce que dans un premier état de fonctionnement, le moyen d'entraînement/détection (Cn) est relié à l'unité d'entraînement (220) et dans un second état de fonctionnement, le moyen d'entraînement/détection (Cn) est relié à l'unité d'exploitation (300). 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte une masse sismique (40) active, susceptible d'être excitée en oscillation. 3 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement/détection (Cn) est relié à la masse sismique (40). 4 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est un capteur de mesure micromécanique notamment un capteur de vitesse de rotation. 5 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement/détection (Cn) comprend un condensateur notamment un condensateur à structure en forme de peigne. 6 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'entraînement et l'unité d'exploitation sont reliées alternativement de manière périodique au moyen d'entraînement/détection. 7 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'entraînement et l'unité d'exploitation sont réalisées dans au moins un circuit électrique.