Brevet FR2910958A1 — publié le 20080704

L'invention concerne les capteurs intégrés munis d'un élément sensible à haute, voire très haute, impédance. On entend ici par " capteur intégré " un équipement (ou dispositif) comprenant un élément sensible à (très) haute impédance, chargé de délivrer une tension de mesure représentative d'une grandeur physique, et couplé à des composants électroniques, et notamment à un régulateur de tension et à un intégrateur d'amplification (ou amplificateur intégrateur), le tout étant éventuellement intégré à l'intérieur d'un réceptacle métallique. Dans un capteur intégré du type précité, le régulateur de tension est chargé de délivrer une tension régulée à partir d'une tension d'alimentation primaire qui est référencée par rapport à une masse électrique, et l'intégrateur est alimenté par cette tension régulée, comprend une première entrée recevant une tension secondaire fonction de la tension régulée et une seconde entrée recevant la tension de mesure de l'élément sensible, et est chargé de délivrer une première tension de sortie qui est représentative de la tension de mesure amplifiée. Comme le sait l'homme de l'art, lorsqu'un capteur intégré est logé dans un réceptacle métallique, lui-même installé dans un environnement électriquement perturbé, comme par exemple dans un moteur de véhicule automobile, son réceptacle se retrouve couplé électriquement à la masse mécanique. Son élément sensible est alors également couplé électriquement à la masse mécanique par couplage capacitif, du fait de sa (très) haute impédance. En raison de l'intensité des courants qui circulent dans certains équipements connectés à la masse mécanique (par exemple ceux délivrés par un démarreur), le couplage capacitif de l'élément sensible peut induire des variations de sa tension de mesure typiquement de 1 Volt (V), si bien que cette dernière n'est plus réellement représentative de la grandeur physique mesurée. Afin de remédier à cet inconvénient, il est possible de placer un blindage électromagnétique autour de l'élément sensible. Mais, un tel blindage est généralement coûteux et/ou encombrant. II est également possible d'alimenter l'élément sensible au moyen d'une tension d'alimentation référencée par rapport à la masse mécanique. Mais cela ne résout que partiellement le problème, étant donné que l'intégrateur est lui-même alimenté par une tension régulée qui est référencée par rapport à la masse électrique. II est également possible de faire fonctionner l'intégrateur en mode différentiel, mais cela n'est pas efficace du fait de l'asymétrie des impédances d'isolement de ses entrées inverseuse et non inverseuse par rapport à la masse mécanique. L'invention a donc pour but d'améliorer la situation, et plus précisément de rejeter au moins partiellement le couplage capacitif de l'élément sensible à la masse mécanique, sans utiliser un blindage électromagnétique. Elle propose à cet effet un capteur intégré du type présenté dans l'introduction, et donc comprenant : un régulateur de tension chargé de délivrer une tension régulée à partir d'une tension d'alimentation primaire référencée par rapport à une masse électrique, un élément sensible à (très) haute impédance alimenté par la tension d'alimentation primaire et chargé de délivrer une grandeur électrique de mesure représentative d'une grandeur physique, et un module d'amplification (éventuellement de type intégrateur) alimenté par la tension régulée, comprenant une première entrée recevant une référence analogique fonction de la tension régulée et une seconde entrée recevant la grandeur électrique de mesure, et chargé de délivrer une première tension de sortie représentative de la tension de mesure amplifiée. Ce capteur intégré se caractérise par le fait : que son élément sensible et son régulateur de tension sont tous les deux couplés électriquement à la masse mécanique, et qu'il comprend un premier amplificateur différentiel alimenté par la tension d'alimentation primaire, référencé électriquement par rapport à la masse électrique et comprenant une première entrée propre à recevoir la référence analogique et une seconde entrée propre à recevoir la première tension de sortie, et chargé de délivrer une seconde tension de sortie représentative de la première tension de sortie amplifiée et référencée par rapport à la masse électrique. Le capteur intégré selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : il peut comprendre des moyens de protection couplés électriquement, d'une part, à la masse électrique, et d'autre part, à la masse mécanique, et chargés de protéger le module d'amplification contre des décharges électrostatiques ; - il peut comprendre des moyens de contre-réaction connectés à la seconde entrée du module d'amplification, couplés à la masse électrique, et chargés d'induire au niveau du module d'amplification une réduction de l'influence de parasites électriques présents au niveau de cette seconde entrée du module d'amplification et de l'élément sensible ; par exemple, les moyens de contre-réaction peuvent comprendre, d'une part, un second amplificateur différentiel référencé par rapport à la masse mécanique et comprenant une première entrée recevant une tension auxiliaire de contre réaction représentative des parasites électriques détectés et une seconde entrée couplée électriquement à la masse électrique, afin de délivrer une troisième tension de sortie représentative de la tension auxiliaire, et d'autre part, une résistance comprenant une 3 première borne recevant la troisième tension de sortie et une seconde borne connectée électriquement à la seconde entrée du module d'amplification ; D ce second amplificateur différentiel peut être alimenté par la tension régulée ; son module d'amplification peut comprendre, d'une première part, un amplificateur opérationnel alimenté par la tension régulée, comprenant une entrée non inverseuse définissant la première entrée (qui reçoit la référence analogique) et une entrée inverseuse définissant la seconde entrée (qui reçoit la grandeur électrique de mesure), et chargé de délivrer la première tension de sortie, d'une deuxième part, un élément capacitif comprenant des première et seconde bornes connectées respectivement à la sortie et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel, et d'une troisième part, un pont diviseur comprenant une première résistance munie d'une première borne couplée électriquement à la masse mécanique et d'une seconde borne connectée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel, et une seconde résistance munie d'une première borne connectée électriquement à la sortie du régulateur de tension afin de recevoir la tension régulée et d'une seconde borne connectée à ladite entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel ; il peut comprendre un réceptacle métallique logeant son régulateur de tension, son élément sensible, son module d'amplification et son premier amplificateur différentiel, ainsi que les éventuels moyens de protection et moyens de contre-réaction, et destiné à être couplé électriquement à la masse mécanique. L'invention est particulièrement bien adaptée, bien que de façon non exclusive, aux capteurs intégrés dans lesquels l'élément sensible est un élément piézoélectrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel l'unique figure illustre de façon schématique et fonctionnelle un exemple de réalisation d'un capteur intégré selon l'invention. Le dessin annexé pourra non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. L'invention a pour objet de permettre la réalisation de capteurs intégrés (tels que définis dans la partie introductive) dans lesquels le couplage capacitif de l'élément sensible à la masse mécanique est au moins partiellement rejeté, sans utiliser un blindage électromagnétique. Dans ce qui suit, on considère à titre d'exemple non limitatif que le capteur intégré à (très) haute impédance est destiné à être implanté dans un véhicule automobile, par exemple à l'intérieur de son moteur, afin de fournir des tensions de mesure représentatives d'une grandeur physique. Mais, l'invention n'est pas limitée à ce type d'application. Elle concerne en effet tout type de capteur intégré à (très) haute impédance destiné à être installé dans un environnement électriquement perturbé, et notamment ceux utilisés dans les 4 applications industrielles. Comme cela est schématiquement et fonctionnellement illustré sur l'unique figure, un capteur intégré CR, selon l'invention, comprend au moins un régulateur de tension RT, un élément sensible ES à haute (voire très haute) impédance, un module d'amplification IR (agencé sous la forme d'un amplificateur intégrateur ou d'un amplificateur à haute impédance d'entrée) et un premier amplificateur différentiel AD1. Dans ce qui suit, on considère que le capteur intégré CR comprend également un réceptacle métallique T (par exemple un tube), couplé électriquement à la masse mécanique MM du moteur dans lequel il est implanté, et dans lequel sont logés tous ses autres constituants (notamment RT, ES, IR, AD1). Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, que l'élément sensible ES est un élément piézoélectrique chargé de convertir une contrainte mécanique, comme par exemple une pression (grandeur physique), en une charge électrique (appelée ci-après charge de mesure QM). Plus précisément, dans cet exemple l'élément sensible ES délivre une grandeur électrique de mesure sous la forme d'un courant de mesure IM fonction de sa charge de mesure QM qui est proportionnelle à la grandeur physique mesurée. Par exemple, cet élément piézoélectrique ES présente une capacité de 6 pF. Mais, l'invention n'est pas limitée à ce type d'élément sensible. Elle concerne en effet tout type d'élément sensible à (très) haute impédance capable de délivrer une grandeur électrique de mesure représentative d'une grandeur physique. Ainsi, il pourra par exemple s'agir d'une sonde à oxygène délivrant en sortie une grandeur électrique de mesure sous la forme d'une tension de mesure. Selon l'invention, l'élément sensible ES est couplé électriquement à la masse mécanique MM, ici via une connexion conductrice qui le relie électriquement au réceptacle 25 métallique T. Le régulateur de tension RT est alimenté par une tension d'alimentation primaire AP qui est référencée par rapport à une masse électrique ME, par exemple celle d'un calculateur en charge du contrôle du moteur. Selon l'invention, ce régulateur de tension RT est couplé électriquement à la 30 masse mécanique MM, ici via une connexion conductrice qui le relie électriquement au réceptacle métallique T. Il est donc chargé de transformer la tension d'alimentation primaire AP en une tension régulée VR référencée par rapport à la masse mécanique MM. A titre d'exemple non limitatif, la tension régulée est égale à 3 V (Volts). Le module d'amplification IR est alimenté par la tension régulée VR. Dans le cas 35 d'un élément sensible ES de type capteur piézoélectrique, le module d'amplification IR est un amplificateur intégrateur comprenant des première (+) et seconde (-) entrées et une sortie. Il est ici chargé de convertir en une première tension de sortie VS1, par intégration, le courant de mesure IM (dérivée de la charge QM) délivré par l'élément sensible ES. La première entrée (+) est chargée de recevoir une référence analogique construite à partir de la tension régulée VR. Dans l'exemple illustré, cette référence analogique est une référence de tension (ou potentiel constant) VP. La seconde entrée (-) est connectée à la borne de l'élément sensible ES qui n'est pas connectée à la masse mécanique MM. Elle est maintenue au potentiel constant VP, par exemple (et comme illustré) par un élément capacitif de rebouclage CA (par exemple un condensateur). La sortie de l'amplificateur (intégrateur) IR est chargée de délivrer la première tension de sortie VS1 qui est représentative de la charge de mesure QM amplifiée grâce à une fonction de gain égale à l'inverse de la capacité Cca de l'élément capacitif de rebouclage CA. Comme cela est illustré sur l'unique figure, l'amplificateur IR comprend par exemple un amplificateur opérationnel AO couplé à l'élément capacitif CA et à un pont diviseur R1, 15 R2. L'amplificateur opérationnel AO comprend une entrée d'alimentation afin d'être alimenté par la tension régulée VR, une entrée non inverseuse (+) qui constitue la première entrée de l'amplificateur IR et est donc chargée de recevoir la référence de tension VP, une entrée inverseuse (-) qui constitue la seconde entrée de l'amplificateur IR et est donc 20 chargée de recevoir le courant IM délivré par l'élément sensible ES (fonction de la charge de mesure QM), et une sortie qui constitue la sortie de l'amplificateur IR et est donc chargée de délivrer la première tension de sortie VS1. Le fonctionnement de cet amplificateur opérationnel AO est tout à fait classique. II délivre sur sa sortie une première tension de sortie VS1 telle que le potentiel de son entrée 25 inverseuse (-) reste au potentiel constant VP de son entrée non inverseuse (+). Il fournit aussi au travers de l'élément capacitif de rebouclage CA le courant qui est nécessaire au maintien du potentiel de l'élément sensible ES à une valeur constante. La première tension de sortie VS1 est donc égale au potentiel constant VP augmenté de la tension VCa aux bornes de l'élément capacitif de rebouclage CA, laquelle (Vca) est donnée par l'intégrale du JIM.dt Qm 30 courant IM fourni par l'élément sensible ES (Vca= = , où Cca est la capacité de Cca Cca l'élément capacitif de rebouclage CA). L'élément capacitif de rebouclage CA comprend des première et seconde bornes connectées respectivement à la sortie et à l'entrée inverseuse (-) de l'amplificateur opérationnel AO. 35 Le pont diviseur comprend par exemple des première RI et seconde R2 résistances. La première résistance RI comprend une première borne qui est couplée électriquement à la masse mécanique MM, ici via une connexion conductrice qui le relie électriquement au réceptacle métallique T, et une seconde borne qui est connectée à l'entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel AO. La seconde résistance R2 comprend une première borne qui est connectée électriquement à la sortie du régulateur de tension RT, afin de recevoir la tension régulée, et une seconde borne connectée à l'entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel AO afin de lui fournir la référence de tension (ou potentiel constant) VP. Grâce à ce montage, lorsque le potentiel électrique de la masse mécanique MM varie, la tension aux bornes de l'élément sensible ES ne varie pas. L'élément capacitif de rebouclage CA ne recevant plus de courant, il reste à charge constante et donc maintient au potentiel constant VP la seconde entrée (-) de l'amplificateur IR. II en résulte qu'il n'y a plus de " bruit " en sortie de l'amplificateur opérationnel AO. Le premier amplificateur différentiel AD1 comprend une entrée d'alimentation qui est alimentée par la tension d'alimentation primaire AP, et une entrée de masse couplée électriquement à la masse électrique ME, via une connexion conductrice. Il est ainsi référencé électriquement par rapport à la masse électrique ME. II comprend en outre une première entrée (+), par exemple de type non inverseuse, connectée au point de polarisation de l'amplificateur opérationnel AO (c'est-à-dire au niveau de son entrée non inverseuse (+)) et donc placée à une tension VP définie par le pont diviseur RI, R2 en ce point de polarisation, et une seconde entrée (-), par exemple de type inverseuse, chargée de recevoir la première tension de sortie VS1. Enfin, il comprend une sortie chargée de délivrer une seconde tension de sortie VS2 qui est représentative de la première tension de sortie VS1 amplifiée grâce à une fonction de gain et référencée par rapport à la masse électrique ME. On notera que dans des variantes de réalisation la première entrée (+) du premier amplificateur différentiel AD1 pourrait être référencée à la masse mécanique MM ou à la tension délivrée par le régulateur de tension RT. Le fonctionnement de ce premier amplificateur différentiel AD1 est tout à fait classique. Dans l'exemple de réalisation illustré, il délivre sur sa sortie une seconde tension de sortie VS2 qui est proportionnelle à la différence entre la première tension de sortie VS1 et la tension VP définie par le pont diviseur R1, R2 (VS2 oc B*(VS1 - VP), où B est le gain qui peut être positif ou négatif). Comme cela est illustré sur l'unique figure, le capteur intégré CR selon l'invention peut également et éventuellement comprendre un module de protection MP chargé de protéger son amplificateur IR contre les éventuelles décharges électrostatiques (ou ESD pour " ElectroStatic Discharges " en anglais) qui surviennent en présence d'une forte variation du potentiel électrique auquel est placée la masse mécanique MM. A cet effet, le module de protection MP est couplé électriquement, d'une part, à la masse électrique ME via 7 une connexion conductrice, et d'autre part, à la masse mécanique MM via une connexion conductrice qui le relie électriquement au réceptacle métallique T. Par exemple, le module de protection MP peut être constitué à partir d'une combinaison appropriée de diodes et/ou de transistors. Par exemple, on peut le réaliser en montant en parallèle deux paires de diodes, une première paire comprenant deux diodes en série, et une seconde paire comprenant deux diodes en série montées de façon opposée aux diodes de la première paire. L'amplificateur IR délivrant une première tension de sortie VS1 de type flottant, il est avantageux de rejeter autant que possible les tensions parasites qui parviennent sur sa seconde entrée (-). Pour ce faire, et comme cela est illustré sur l'unique figure, le capteur intégré CR selon l'invention peut également et éventuellement comprendre un module de contre-réaction AD2, R3 chargé de réduire au niveau de son amplificateur IR l'influence des parasites électriques qui peuvent être présents au niveau de la seconde entrée (-) de l'amplificateur IR et de l'élément sensible ES et qui sont susceptibles de perturber la charge de mesure QM de l'élément sensible ES du fait qu'il est alimenté par la tension d'alimentation primaire AP qui est référencée par rapport à la masse électrique ME. II s'agit en fait de compenser les décalages (ou offset ) en courant et en tension de l'amplificateur opérationnel AO et les parasites de très basses fréquences produits par l'élément sensible ES dus à la dérive en température. A cet effet, ce module de contre-réaction AD2, R3 est connecté à la seconde entrée (-) de l'amplificateur IR et couplé à la masse électrique ME et reçoit une tension auxiliaire de contre réaction VC d'un équipement de contrôle (qui ne fait pas partie de l'invention, et qui peut être le calculateur de contrôle du moteur). Cet équipement de contrôle est plus précisément chargé d'éliminer les parasites électriques qui sont présents au niveau de la seconde entrée (-) de l'amplificateur IR et de l'élément sensible ES. Pour ce faire, il génère une tension auxiliaire de contre réaction VC destinée à s'opposer à l'action des parasites électriques sur la charge de mesure QM de l'élément sensible ES. Par exemple, et comme illustré sur l'unique figure, le module de contre-réaction peut comprendre un second amplificateur différentiel AD2 monté en série avec une 30 résistance R3. Le second amplificateur différentiel AD2 comprend alors une entrée d'alimentation qui peut être alimentée par la tension régulée VR, une entrée de masse couplée électriquement à la masse mécanique MM via une connexion conductrice qui la relie électriquement au réceptacle métallique T, une première entrée recevant la tension auxiliaire 35 de contre réaction VC, une seconde entrée couplée électriquement à la masse électrique ME, via une connexion conductrice, et une sortie délivrant une troisième tension de sortie VS3 représentative de la tension auxiliaire de contre réaction VC. Le fonctionnement 8 de ce second amplificateur différentiel AD2 est tout à fait classique. Il délivre sur sa sortie une troisième tension de sortie VS3 qui est proportionnelle à la différence entre la tension VME de la masse électrique ME et la tension auxiliaire de contre réaction VC (VS3 cc C*(VME - VC), où C est le gain). La résistance R3 comprend une première borne connectée à la sortie du second amplificateur différentiel AD2 afin de recevoir la troisième tension de sortie VS3, et une seconde borne connectée électriquement à la seconde entrée (-) de l'amplificateur IR. Grâce à l'invention, le rejet des parasites électriques présents sur la masse mécanique MM est assuré par la régulation en ligne effectuée par le régulateur de tension RT et par la réjection de mode commun du premier amplificateur différentiel AD1 ainsi que de l'éventuel second amplificateur différentiel AD2. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de capteur intégré décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art. Ainsi, dans ce qui précède on a décrit un exemple de réalisation de capteur intégré dans lequel l'élément sensible est un capteur piézoélectrique. Mais, comme indiqué précédemment, l'élément sensible pourrait être d'un autre type. II pourrait par exemple s'agir d'une sonde à oxygène délivrant sur sa sortie une grandeur électrique de mesure sous la forme d'une tension de mesure. Dans ce cas, le module d'amplification n'est pas un amplificateur intégrateur, mais un amplificateur à haute impédance d'entrée comprenant une première entrée (non inverseuse) recevant la tension de mesure (de préférence via une résistance) et une seconde entrée (inverseuse) faisant l'objet d'une contre réaction résistive (l'élément capacitif de rebouclage CA du précédent exemple de réalisation est ici remplacé par un élément résistif de rebouclage (par exemple une résistance)).25 REVENDICATIONS 1. Capteur intégré (CR), comprenant i) un régulateur de tension (RT) propre à délivrer une tension régulée à partir d'une tension d'alimentation primaire (AP) référencée par rapport à une masse électrique (ME), ii) un élément sensible à haute impédance (ES) alimenté par ladite tension d'alimentation primaire (AP) et propre à délivrer une grandeur électrique de mesure représentative d'une grandeur physique, et iii) un module d'amplification (IR) alimenté par ladite tension régulée et comprenant une première entrée (+) propre à recevoir une référence analogique fonction de ladite tension régulée et une seconde entrée (-) recevant ladite grandeur électrique de mesure, et agencé pour délivrer une première tension de sortie représentative de ladite tension de mesure amplifiée, caractérisé en ce que ledit élément sensible (ES) et ledit régulateur de tension (RT) sont couplés électriquement à une masse mécanique (MM), et en ce qu'il comprend un premier amplificateur différentiel (AD1) alimenté par ladite tension d'alimentation primaire (AP), référencé électriquement par rapport à ladite masse électrique (ME) et comprenant une première entrée propre à recevoir ladite référence analogique et une seconde entrée propre à recevoir ladite première tension de sortie, et agencé pour délivrer une seconde tension de sortie représentative de la première tension de sortie amplifiée et référencée par rapport à ladite masse électrique (ME). 2. Capteur intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de protection (MP) couplés électriquement, d'une part, à ladite masse électrique (ME), et d'autre part, à ladite masse mécanique (MM), et agencés pour protéger ledit module d'amplification (IR) contre des décharges électrostatiques. 3. Capteur intégré selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contre-réaction (AD2, R3) connectés à ladite seconde entrée (-) dudit module d'amplification (IR), couplés à ladite masse électrique (ME), et agencés pour induire au niveau dudit module d'amplification (IR) une réduction de l'influence de parasites électriques présents au niveau de ladite seconde entrée (-) dudit module d'amplification (IR) et dudit élément sensible (ES). 4. Capteur intégré selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend i) un second amplificateur différentiel (AD2) référencé par rapport à la masse mécanique (MM) et comprenant une première entrée (+) recevant une 35 tension auxiliaire de contre réaction (VC) représentative desdits parasites électriques détectés et une seconde entrée (-) couplée électriquement à 10 ladite masse électrique (ME), de manière à délivrer une troisième tension de sortie représentative de ladite tension auxiliaire, et ii) une résistance (R3) comprenant une première borne recevant ladite troisième tension de sortie et une seconde borne connectée électriquement à ladite seconde entrée (-) dudit module d'amplification (IR). 5. Capteur intégré selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit second amplificateur différentiel (AD2) est alimenté par ladite tension régulée. 6. Capteur intégré selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit module d'amplification (IR) comprend : i) un amplificateur opérationnel (AO) alimenté par ladite tension régulée, comprenant une entrée non inverseuse (+) définissant ladite première entrée recevant ladite référence analogique et une entrée inverseuse (-) définissant ladite seconde entrée recevant ladite grandeur électrique de mesure, et agencé pour délivrer ladite première tension de sortie, ii) un élément capacitif (CA) comprenant des première et seconde bornes connectées respectivement à la sortie et à l'entrée inverseuse (-) dudit amplificateur opérationnel (AO), et iii) un pont diviseur (RI, R2) comprenant une première résistance (RI) munie d'une première borne couplée électriquement à ladite masse mécanique (MM) et d'une seconde borne connectée à ladite entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel (AO), et une seconde résistance (R2) munie d'une première borne connectée électriquement à la sortie dudit régulateur de tension (RT) afin de recevoir ladite tension régulée et d'une seconde borne connectée à ladite entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel (AO). 7. Capteur intégré selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un réceptacle métallique (T) logeant ledit régulateur de tension (RT), ledit élément sensible (ES), ledit module d'amplification (IR) et ledit premier amplificateur différentiel (AD1), ainsi que les éventuels moyens de protection (MP) et moyens de contre- réaction (AD2, R3), et propre à être couplé électriquement à ladite masse mécanique (MM). 8. Capteur intégré selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit élément sensible (ES) est un élément piézoélectrique.