Brevet FR2938344A1 — publié le 20100514

La présente invention est relative à un capteur capacitif à transfert de charge. Elle est particulièrement utile lors de l'application d'un tel capteur dans les poignées de porte d'un véhicule pour l'accès dit � mains libres � du conducteur à son véhicule. De nos jours, certains véhicules automobiles sont équipés d'accès � mains libres �. C'est à dire que le conducteur du véhicule n'a plus besoin d'une clé pour ouvrir les portes de son véhicule. II possède à la place d'une clé, un badge d'identification repéré par le système électronique de véhicule. Pour solliciter l'ouverture d'une portière, le conducteur appuie d'abord sur la poignée de portière. Un capteur de présence, en l'occurrence un capteur capacitif à transfert de charge situé dans le module électronique de la poignée détecte la présence de la main du conducteur. Ce capteur est connecté au calculateur électronique du véhicule (ECU : acronyme anglais pour Electronic Control Unit) et ce dernier envoie par l'intermédiaire d'une antenne LF (acronyme anglais pour � Low Frequency �, Basse Fréquence) un signal a l'identifiant intégré à la clé. Une fois le signal de détection reçu, l'identifiant envoie par ondes RF (radio fréquence) son code d'identification vers le calculateur. Si le calculateur reconnait le code d'identification comme celui autorisant l'accès au véhicule, il déclenche l'ouverture de la portière. Si en revanche, le calculateur n'a pas reçu de code ou le code reçu est erroné, l'ouverture ne peut pas se faire. Un tel capteur capacitif est constitué d'une électrode capacitive intégrée dans la poignée de portière et de son environnement proche relié directement ou indirectement à une référence de masse, cet environnement pouvant inclure une partie du corps d'un utilisateur dont on doit détecter la présence par exemple ici la main du conducteur constitue une deuxième électrode reliée à la masse. Lorsque la main du conducteur se rapproche de la poignée de la portière, la capacitance de l'électrode capacitive intégrée dans la poignée augmente. La variation est mesurée à l'aide d'une capacité de référence, située sur un circuit imprimé connecté à l'électrode capacitive intégrée dans la poignée. Si cette capacitance est au dessus d'un seuil, cela signifie que la détection est réalisée, c'est à dire que la main du conducteur est sur la poignée ou suffisamment proche de la poignée de la portière et qu'il demande son ouverture. On connaît de la technique antérieure, que le capteur capacitif à transfert de charge permet de mesurer la variation de la capacitance d'une capacité variable en effectuant un cycle constitué d'un grand nombre de charges et de décharges de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée dans la capacité de référence jusqu'à atteindre un seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence. L'estimation de la variation de la capacitance de l'électrode intégrée dans la poignée par rapport au cycle précédent est réalisée à partir de la variation du nombre de décharges de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée dans la capacité de référence qu'il a fallu effectuer pour atteindre un seuil de tension aux bornes de la capacité de référence. Ces capteurs font intervenir des commutateurs qui permettent de diriger le courant pour réaliser d'abord la charge de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée par l'intermédiaire de la tension d'alimentation et ensuite la décharge de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée dans la capacité de référence et vice versa. Le transfert de charge, c'est à dire la succession de charges et de décharges, selon l'art antérieur, et illustré à la figure 1, se décompose en quatre étapes : • 1 ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité de référence CX à partir de la tension d'alimentation Vcc. Pour cela le premier commutateur S1 est fermé et le second commutateur S2 est ouvert. • 2ème étape : une fois la charge finie, le premier commutateur S1 est ouvert. • 3ème étape : puis la décharge de la capacité de l'électrode CX vers la capacité de référence Cs peut commencer, pour cela, le premier commutateur S1 reste ouvert et le second commutateur S2 est fermé. • 4ème étape : une fois la décharge réalisée, le second commutateur S2 est ouvert. Le transfert de charge est répété jusqu'à ce que la tension aux bornes de la capacité de référence VS atteigne la tension de seuil VTH. Le nombre de décharges x de la capacité de l'électrode CX vers la capacité de référence Cs nécessaire pour atteindre ce seuil donne une image de la capacité de l'électrode C. La capacité de référence Cs est ensuite complètement déchargée par l'intermédiaire du commutateur S pour la prochaine mesure. Un compteur du nombre de décharges x et un microcontrôleur (non représentés sur la figure 1) permettent de déterminer la capacité de l'électrode C. L'équation régissant le fonctionnement du capteur de transfert de charge est la suivante : V ( .l ) = X V (y. + V S (x - 1) X (1 - C V C C S L'évolution de la tension aux bornes de la capacité de référence VS constitue une suite mathématique selon le nombre de décharges x de la capacité de l'électrode CX vers la capacité de référence Cs, et est donnée par l'équation (1) : V (x)= V~.~. x(1ù(1ù ~.t ) ~) (1) A la fin du transfert de charge, la tension aux bornes de la capacité de référence Vs a atteint la tension seuil VTH, et on obtient un nombre x de décharge défini par: x ln( 1 ù '" Va On défini Th comme un seuil de détection, correspondant à un nombre de transferts de charge entre les deux états de Cx, c'est à dire entre Cx et Cx+OCx. Th est égal à la variation du nombre de décharges x, entre la valeur de la capacitance Cx et la valeur de la capacitance Cx + ACx. Par conséquent Th = ù C x ln( 1 + C s x ln( 1 ù V nr V V V cc C + 4 C V cc Ce qui donne : A C ù Th x V cc ) ù Th x C Comme la capacité de référence Cs est selon l'art antérieur, largement 15 supérieure à la capacité de l'électrode Cx, on obtient l'équation suivante de la variation ACx de la capacitance Cx : Th x C r A C ~. ù U (3) C s x ln( 1 ù r" ) V Par conséquent, avec un tel capteur capacitif, la variation ,,Cx de la capacitance Cx mesurable, c'est à dire la sensibilité du capteur, définie par l'équation (3) 20 dépend de nombreux paramètres : la valeur de la capacité de stockage Cs, la tension d'alimentation Vcc, le seuil de tension d'arrêt de mesure VTH et surtout principalement de la capacité de l'électrode au carré Cx2. Hors la capacité de l'électrode Cx est difficilement maitrisable et varie en fonction de l'environnement (température, humidité, durée) ce qui dégrade la sensibilité et les performances du capteur. 25 De plus, x le nombre de décharges qui conditionne la durée de mesure, est proportionnel à la capacité de référence Cs (cf. équation 2), qui est elle même dépendante des autres paramètres et en particulier de la sensibilité ACx souhaitée (cf. équation 3). Ainsi pour une sensibilité de capteur donnée ACx correspond une valeur de la capacité de référence Cs et donc un nombre de décharges x fixe (Th, Vcc, VTH, et Cx 30 étant des paramètres fixes). Par conséquent le nombre de décharges x, c'est à dire la durée de transfert de charge, ou la durée de mesure de la variation de la capacitance Cx X C ' (2) C s x ln( 1 V TH jusqu'à la détection, est fixe et ne peut pas être optimisé. En effet si on réduit le nombre de décharges x par deux, par exemple, pour réduire la durée de mesure, la capacité de référence Cs est divisée par deux selon l'équation (2), et par conséquent, la sensibilité du capteur ACx du capteur est dégradée, puisqu'elle est multipliée par deux selon l'équation (3). Avec un tel dispositif, il n'y a donc aucun moyen d'optimiser la durée de mesure du capteur capacitif sans impacter sa sensibilité. Cependant, la durée de mesure du capteur capacitif doit être extrêmement rapide : • le mécanisme d'ouverture de la portière doit être complètement transparent pour le conducteur. En effet ce dernier s'attend à une ouverture de la portière aussi rapide que dans le cas d'une ouverture d'une poignée mécanique. • la consommation du capteur doit être minimisée, car il fonctionne durant de longues périodes lorsque le véhicule est à l'arrêt. Hors la consommation étant liée à la durée de mesure, si la durée de mesure est réduite, la consommation baisse. Cependant, comme détaillé ci dessus, étant donné que la réduction de la durée de mesure engendre une diminution de la précision du capteur, ceci peut provoquer des détections trop tardives. II existe donc un compromis nécessaire entre la durée de mesure et la précision, c'est à dire la sensibilité du capteur souhaitée. Il y a donc un avantage important à réaliser un capteur dont la sensibilité est indépendante de la durée de mesure. La présente invention a pour but un capteur capacitif à transfert de charge dont la sensibilité est indépendante de la capacité de l'électrode et avec lequel l'optimisation de la durée de mesure, c'est à dire la réduction du nombre de décharges est possible sans impacter la sensibilité du capteur. On atteint ces buts de l'invention, au moyen d'un dispositif de mesure d'une variation LCx de la capacitance d'une structure capacitive variable Cx, comprenant : • une tension d'alimentation Vss, • des moyens pour charger la structure capacitive variable à partir de la 30 tension d'alimentation, • des moyens pour décharger la structure capacitive variable vers une capacité de référence Cs en un nombre de décharges fixe x, • des moyens pour mesurer une tension aux bornes de la capacité de référence VS, 35 • des moyens pour charger une structure capacitive de mesure CM, à partir de la tension d'alimentation, • des moyens pour décharger la structure capacitive de mesure vers la capacité de référence en un nombre de décharges variable n, • des moyens pour détecter un seuil de tension VTH aux bornes de la capacité de référence, permettant la décharge de la structure capacitive de mesure, en un nombre de décharges variable, dans la capacité de référence après que la structure capacitive variable ait été déchargée du nombre de décharges fixe dans la capacité de référence. Ceci afin que la variation du nombre de décharges variable par rapport à un nombre de décharges précédemment obtenu permette d'estimer la variation de la capacité de la structure capacitive variable. Avantageusement, un seuil de détection Th prédéterminé d'un nombre de décharges de la structure capacitive de mesure dans la capacité de référence est défini, correspondant à la variation de la capacité de la structure capacitive variable de la valeur Cx à la valeur Cx+ ACx Dans un premier mode de réalisation, le nombre de décharges prédéterminé et fixe de la structure capacitive variable vers une capacité de référence est défini par : Th x C .t1 A C Dans un deuxième mode de réalisation, le nombre de décharges variable de la structure capacitive de mesure dans la capacité de référence est défini lorsque la 20 tension aux bornes de la capacité de référence est égale au seuil de tension : V x ln( 1 ù TH ) + x x C V cc C Suivant une caractéristique importante de la présente invention, la mesure de la variation de la structure capacitive variable est indépendante de la structure capacitive variable et équivaut à : n = 25 A C Th x C De manière judicieuse, la valeur de la structure capacitive de mesure est fixe et inférieure à la capacitance de la structure capacitive variable. Dans un troisième mode de réalisation, la capacité de référence est déterminée lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence est inférieure au 30 seuil de tension : Cs xxCx- In(1ù Urfa ) Vc.c De manière avantageuse, la capacité de référence présente une capacité supérieure à celle de la structure capacitive variable et la capacité de mesure présente une capacité inférieure à celle de la structure capacitive variable. Dans un mode de réalisation préférentiel, la capacité de mesure présente une 5 capacité équivalente à une capacité résiduelle. Dans un mode de réalisation combinant les précédents, le dispositif comprend en outre des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la structure capacitive variable et des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la capacité de mesure. 10 Bien sur, l'invention s'applique à tout capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en oeuvre un dispositif de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable, comprenant par exemple une électrode de détection disposée au sein de l'équipement, et la capacité de la structure capacitive variable étant déterminée entre l'électrode de détection et 15 l'environnement proche de l'électrode de détection, l'équipement dans lequel l'électrode de détection est disposée pouvant être une poignée de portière d'un véhicule. L'invention concerne aussi tout procédé de réduction du temps de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable, mettant en oeuvre le dispositif décrit précédemment. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge selon l'art antérieur, décrit précédemment, la figure 2 représente une vue schématique d'une poignée de portière d'un 25 véhicule intégrant un capteur capacitif à transfert de charge, la figure 3 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge selon l'invention. Comme illustré à la figure 2, le capteur capacitif à transfert de charge 3, intégré dans une poignée 6 de portière de véhicule comporte une électrode 4, dont la 30 capacité CX est variable et une capacité de référence Cs, située sur un circuit imprimé 5, ce dernier aussi intégré dans la poignée 6. Lorsque la main du conducteur se rapproche de la poignée 6 de la portière de la position éloignée 1 à la position rapprochée 2 (figure 2), la capacitance de l'électrode CX augmente d'une valeur OCX, cette variation LCX est mesurée à l'aide de la capacité de référence Cs, située sur le circuit imprimé 5 connecté à 35 l'électrode 4. Si cette capacitance est au dessus d'un seuil, cela signifie que la main du conducteur est dans une position rapprochée 2 de la poignée de la portière, et qu'il demande son ouverture. L'art antérieur, illustré à la figure 1, décrit un tel capteur capacitif mesurant la variation de la capacitance d'une capacité variable en effectuant un cycle constitué d'un grand nombre de charges et de décharges x de la capacité de l'électrode Cx dans la capacité de référence Cs jusqu'à atteindre un seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence VS égal à VTH. L'estimation de la variation de la capacitance de l'électrode Cx par rapport au cycle précédent est réalisée à partir de la variation du nombre de décharges x de la capacité de l'électrode Cx dans la capacité de référence Cs qu'il a fallu effectuer pour atteindre le seuil de tension VTH aux bornes de la capacité de référence Cs. La présente invention propose d'ajouter à ce dispositif une troisième capacité, appelée capacité de mesure CM (figure 3) pour réaliser la mesure de la variation de la capacité Cx de telle manière que la sensibilité du capteur ACx soit indépendante de la capacité de l'électrode Cx mesurée et aussi que l'optimisation de la durée de mesure jusqu'à la détection (c'est à dire le nombre de charges et/ou décharges) du capteur capacitif soit possible sans impacter sa sensibilité OCX. La capacité de mesure CM est connectée à la masse et alimentée par la tension d'alimentation Vos. Deux commutateurs S3 et S4, permettent de charger la capacité de mesure CM à partir de la tension d'alimentation Vcc, puis de décharger cette capacité dans la capacité de référence Cs en un nombre variable de décharge n. Un compteur de transfert de charge (non représenté) compte le nombre de décharges n de l'électrode de mesure CM vers la capacité de référence Cs. Un microcontrôleur (non représenté) calcule, à partir de ce nombre de décharges n, et du nombre décharges fixe x, connu, la capacité de l'électrode C 15 de charge de la capacité de mesure CM, vers la capacité de référence Cs ont été réalisés. Ces cinq transferts de charge signifient que la capacité de l'électrode a varié d'une valeur ACX significative, c'est à dire que la main du conducteur touche la poignée 6 de la portière et qu'il demande son ouverture. Il est à noter que la définition du seuil Th est identique à celle de l'art antérieur à l'exception qu'il s'applique dans l'invention au nombre de transfert 20 de décharge variable n, et non au nombre de décharges x. Th étant défini comme correspondant à la différence entre les deux états de l'électrode entre la capacité Cx et la capacité CX+ ACx, il est donc égal à : C , x In( 1 ù V' " ) + x x C ,. Th = V CC C x ln( 1 + x x (C + A C + s V rf~ V C Soit : Th x C = x x A C 25 par conséquent la variation ACX de la capacitance de l'électrode Cx est donnée par l'équation suivante : A C = Th x C t1 (6) Ainsi la sensibilité du capteur ACX selon l'invention n'est plus dépendante de la capacité variable de l'électrode C. Elle n'est plus déterminée que par le nombre de décharges fixe de la phase d'acquisition x et la valeur de la capacité de mesure CM, et du seuil de détection Th qui sont aussi des valeurs fixes (cf. équation 6). Afin d'obtenir une bonne précision sur la valeur de la capacité de l'électrode Cx, la valeur de la capacité de mesure CM doit être inférieure à la valeur de la capacité de l'électrode C>. On peut par exemple fixer la valeur de la capacité de mesure CM au minimum, c'est à dire équivalente à la valeur d'une capacité résiduelle, c'est à dire à 10 pF. La valeur de la capacité de mesure CM étant fixée, nous pouvons ensuite en déduire x selon l'équation 7. Th x C x A C (7) Une fois le nombre x de décharges déterminé, la valeur de la capacité de mesure Cs peut être déterminée. En effet pour que le transfert de charge de la capacité de mesure CM vers la capacité de référence Cs puisse se faire, il faut qu'après le nombre x de décharges de la capacité de l'électrode CX vers la capacité de mesure CM, la tension aux bornes de la capacité de référence Vs n'ait pas atteint la tension seuil de détection VTH. Par conséquent une condition s'impose sur Vs : Vs Vccx(1ù(1ùC)`) C5. C'est à dire (1_VTH) (8) ln(1 - V TH ) Va. La capacité de référence Cs a donc une valeur minimum pour un nombre donné de décharges x, afin d'atteindre la précision ACX. En appelant la valeur de la capacité de référence Cs selon l'invention, CS2, et en la comparant à la valeur de la capacité de référence Cs de l'art antérieur, que l'on appellera Cs1, qui est définie par l'équation (3), c'est à dire : C ù s Th x C Y 4 C Y x ln( 1ù V rH ) V cc et en faisant l'hypothèse que les valeurs des paramètres du seuil de détection Th, de la capacité de l'électrode CX, de la sensibilité du capteur A,CX, de la tension d'alimentation Vcc et de la tension seuil VTH sont identiques entre l'art antérieur et l'invention, on obtient : xxACc Th xCr Etant donnée la valeur du nombre de décharges fixe x, défini à l'équation (7) et le fait que la valeur de ln (1- VTH / Vcc) est négative, on obtient : Cs, = Cs, x C (9) Cv La valeur de la capacité de mesure CM étant définie comme étant très inférieure à la valeur de la capacité de l'électrode CX, on obtient par conséquent, CS2 La capacité de référence selon l'invention CS2 a une valeur plus petite que celle utilisée pour l'art antérieur Cs1 et ceci pour la même précision ACX du capteur. Par conséquent le nombre total de décharges selon l'invention, c'est à dire N, est inférieur au nombre de décharges de l'art antérieur, x. La durée de mesure est donc fortement réduite par l'invention sans impacter la précision du capteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. L'invention s'applique aussi à tout procédé de mesure d'une variation ACX d'une capacitance CX mettant en oeuvre le dispositif selon l'invention et détaillé ci dessus. Cs, =1 Cs1 x REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure d'une variation (ACX) de la capacitance d'une structure capacitive variable (Cx), comprenant : • une tension d'alimentation (Vcc), • des moyens pour charger la structure capacitive variable (Cx) à partir de la tension d'alimentation (Vcc), • des moyens pour décharger la structure capacitive variable (Cx) vers une capacité de référence (Cs) en un nombre de décharges fixe (x), • des moyens pour mesurer une tension aux bornes de la capacité de référence (Vs), • des moyens pour charger une structure capacitive de mesure (CM), à partir de la tension d'alimentation (Vcc), • des moyens pour décharger la structure capacitive de mesure (CM) vers la capacité de référence (Cs) en un nombre de décharges variable (n), • des moyens pour détecter un seuil de tension (VTH) aux bornes de la capacité de référence (Cs), caractérisé en ce que la décharge de la structure capacitive de mesure (CM), en un nombre de décharges variable (n), dans la capacité de référence (Cs) est réalisée après que la structure capacitive variable (Cx) ait été déchargée du nombre de décharges fixe (x) dans la capacité de référence (Cs) et en ce que la variation du nombre de décharges variable (n) par rapport à un nombre de décharges précédemment obtenu permet d'estimer la variation (ACX) de la capacité de la structure capacitive variable (Cx). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, un seuil de détection (Th) prédéterminé d'un nombre de décharges de la structure capacitive de mesure (CM) dans la capacité de référence (C5) est défini, correspondant à la variation (ACX) de la capacité de la structure capacitive variable (Cx). 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre de décharges fixe (x) de la structure capacitive variable (Cx) vers la capacité de référence(Cs) est défini par Th x C 4 C 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de décharges variable (n) de la structure capacitive de mesure (CM) dans la capacité de référence (C5) est défini lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence (Vs) est égale au seuil de tension (VTH)V + x x C V ~.~. 13 C ,, 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure de la variation de la structure capacitive variable (OCX) est indépendante de la structure capacitive variable (Cx) et équivaut à : Th x C C x 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de la structure capacitive de mesure (CM) est fixe et inférieure à la capacitance de la structure capacitive variable (Cx). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que la capacité de référence (Ce) est déterminée lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence (Vs) est inférieure au seuil de tension (VTH) : rxCr Cs 1 1 1n(1ù VTif ) Vcc 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité de référence (Ce) présente une capacité supérieure à 15 celle de la structure capacitive variable (Cx). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la capacité de mesure (CM) présente une capacité inférieure à celle de la structure capacitive variable (Cx). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 20 caractérisé en ce que la capacité de mesure (CM) présente une capacité équivalente à une capacité résiduelle. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la structure capacitive variable (Cx). 25 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la capacité de mesure (CM). 13. Capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en oeuvre un dispositif de mesure d'une variation de la capacité 30 d'une structure capacitive variable (Cx) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure capacitive (Cx) dont la variation de capacité est détectée comprend une électrode de détection disposée au sein du ditéquipement, la capacité de la structure capacitive étant déterminée entre ladite électrode de détection et l'environnement proche de la dite électrode de détection. 14. Capteur capacitif, selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'équipement dans lequel l'électrode de détection est disposée est une poignée de portière 5 d'un véhicule. 15. Procédé de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable (Cx), appelée (ACX), mettant en oeuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.