Brevet FR3005167A1 — publié le 20141031

Système d'interrogation d'un capteur passif interrogeable à distance intégré dans une cavité métallique à bilan énergétique optimisé et procédé d'interrogation Le domaine de l'invention est celui des capteurs passifs interrogeables à distance et notamment des capteurs de température, à base de résonateurs à ondes acoustiques de surface ou de volume, pouvant être intégrés dans tout type de cavité généralement, par exemple un four, un autoclave,... Généralement, de tels capteurs se composent d'une unité d'interrogation (constituée elle-même d'une partie émettrice et d'une partie réceptrice) et d'un capteur de température à ondes acoustiques de surface désigné couramment sous le nom SAW (acronyme anglais pour surface acoustic wave). Le système d'interrogation ainsi que le capteur SAW sont munis d'une antenne adaptée à la bande de fréquence de travail (bande ISM 433 MHz, 868 MHz, 2.45 GHz,...) ce qui permet d'effectuer une interrogation sans fil du capteur. La figure 1 schématise un tel type de capteur interrogeable à distance. Une unité d'interrogation/réception 10, muni d'une antenne 11 génère un signal d'interrogation SERF en direction d'un capteur SAW 20 également équipé d'une antenne 21 (impulsion temporelle basse fréquence d'une porteuse dans la bande ISM). Le dispositif SAW peut avantageusement être de type résonateur ce qui permet d'accéder à des structures de taille réduite. Si le signal d'émission SERF présente une fréquence suffisamment proche de la fréquence de résonance propre du résonateur SAW, ce dernier entre en résonance en passant par une période de charge. Il s'établit alors un régime permanent d'oscillation SCREF à la fréquence de résonance propre du dispositif SAW. Cette fréquence de résonance est proportionnelle à la vitesse de l'onde de surface dans la cavité résonante qui dépend elle-même de la température à laquelle est le résonateur. Le capteur réémet un signal SCREF à sa fréquence de résonance qui porte l'information liée à la grandeur à mesurer, par exemple la température. L'unité d'émission/réception du système d'interrogation détecte en dehors de la plage temporelle d'émission tout ou partie du signal SAW (oscillation amortie) et en extrait l'information recherchée, par exemple la température, via un traitement du signal adapté. Typiquement, le résonateur peut être composé d'un transducteur à peignes inter-digités, constitué d'une alternance d'électrodes de largeurs qui se répètent avec une certaine périodicité appelée période acoustique déposées sur un substrat piézoélectrique pouvant avantageusement être du quartz. Les électrodes, avantageusement en aluminium (réalisées par un procédé de photolithographie) présentent une faible épaisseur devant la période acoustique (typiquement, quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres). Par exemple pour un capteur fonctionnant à 433 MHz, l'épaisseur de métal (aluminium) utilisée peut être de l'ordre de 1000 Angstrôms, la période acoustique et la largeur d'électrode pouvant être respectivement de l'ordre de 3,5 pm et 2,5 pm. Un des ports du transducteur est par exemple relié à une antenne Radio Fréquence (RF) et l'autre à la masse. Les lignes de champ ainsi créées entre deux électrodes de polarités différentes donnent naissance à des ondes acoustiques de surface dans la zone de recouvrement des électrodes. Le transducteur est une structure bidirectionnelle, c'est-à-dire que l'énergie rayonnée vers la droite et l'énergie rayonnée vers la gauche ont la même intensité. En disposant de part et d'autre du transducteur des électrodes, celles-ci jouant le rôle de réflecteur, on réalise un résonateur, chaque réflecteur réfléchissant partiellement l'énergie émise par le transducteur. Si l'on multiplie le nombre de réflecteurs, on crée une cavité résonante caractérisée par une certaine fréquence de résonance. Cette fréquence dépend en premier lieu de la vitesse de propagation des ondes sous le réseau, celle-ci dépendant principalement de l'état physique du substrat, et donc sensible par exemple à la température. Dans ce cas, c'est le paramètre qui est mesuré par le système d'interrogation et c'est à partir de cette mesure qu'une température peut être calculée. On rappelle que la variation de la fréquence de résonance d'un 35 résonateur sur quartz est déterminée par la formule suivante : f(T) = fo [1 + CTF1 (T-T0) + CTF2 (T-T0)2] (1) avec f0 la fréquence à TO, TO la température de référence (25 °C par convention), CTF1 le coefficient de température en fréquence du premier ordre (ppm/°C) et CTF2 le coefficient de température en fréquence du second ordre (ppb/°C2). On peut également, reformuler cette loi en faisant apparaître une température d'inversion de la loi (1), dite de turn-over : f (T) = f-rt + fo CTF2 ( T-T turn-over ) 2 (2) avec trt la fréquence à la température de turn-over et T turn-over la température de turn-over ; Ces grandeurs sont données par les équations suivantes : T turn-over = TO- CTF1 /2CTF2 f-rt = fo [ 1- CTF12 / 4CTF2] (3) La loi de variation de la fréquence de résonance en fonction de la température est donc une parabole ; la température à laquelle la fréquence est maximum (sommet de la parabole) est appelée température de turn over. Il peut être particulièrement intéressant d'utiliser deux résonateurs SAW (W. Buff et al., "Universal pressure and temperature SAW sensor for wireless applications" 1997 IEEE Ultra. Symp. Froc.), inclinés l'un par rapport à l'autre comme illustré en figure 1. Dans ce cas, un premier résonateur R1 pour lequel la direction de propagation des ondes de surface est selon une direction X correspondant à un des axes cristallographiques du substrat cristallin, est couplé à un second résonateur R2, incliné d'un certain angle Ct (pouvant typiquement être de l'ordre de 200) par rapport à l'axe X, et utilisant donc une autre direction de propagation. L'intérêt de tels capteurs passifs de température réside dans le fait qu'ils puissent être interrogés à distance et donc qu'il est possible de déporter l'unité d'interrogation et de traitement en dehors de l'enceinte chauffante type four, autoclave, ..., dans laquelle est placé le capteur passif, seule l'antenne d'émission/réception équivalente de l'antenne 11 illustrée en figure 1, étant placée dans ladite enceinte. Néanmoins, le signal RF devient source de réflexions multiples d'énergie dans l'enceinte métallique, générant une distribution spatiale de 35 l'énergie RF, dépendante de la taille et de la forme de l'enceinte dans laquelle est placé le capteur passif, et dépendante également d'éléments vus comme des obstacles qui pourraient être également placés à l'intérieur de ladite enceinte. La distribution spatiale d'énergie présente alors des minima et des maxima de valeurs de puissance. Si le capteur est positionné à proximité d'une valeur minimale, il peut devenir impossible d'interroger ledit capteur à distance. On cherchera néanmoins à optimiser le bilan énergétique et optimiser le procédé d'interrogation. Il est envisageable, de positionner précisément et l'antenne 10 d'émission et le capteur dans l'enceinte afin de se trouver dans une configuration optimale en tenant compte des paramètres précités et notamment de la taille et de la forme de la cavité. A chaque configuration, il est cependant nécessaire de procéder à un bilan énergétique et à un positionnement adapté dudit capteur, ce 15 problème devenant encore plus aigu en présence de plusieurs capteurs. C'est pourquoi et pour résoudre le problème précité, la présente invention a pour objet un nouveau système permettant l'interrogation à distance d'un capteur passif utilisant un nombre d'antennes d'émission au moins supérieur ou égal à 2, lesdites antennes d'émission étant réglées pour 20 générer un bilan énergétique au niveau du capteur passif suffisant pour permettre une interrogation dudit capteur et ce quelle que soit la configuration du capteur dans la cavité dans laquelle il se trouve. Plus précisément, la présente invention a pour objet un système 25 comprenant : - une cavité comportant au moins un capteur à ondes acoustiques présentant une bande de fréquence de résonance, couplé à une antenne dite de capteur et ; - un dispositif d'interrogation/réception dudit capteur 30 caractérisé en ce que ledit dispositif d'interrogation/réception comporte : o des moyens d'émission/réception d'un signal RF émettant dans une bande de fréquence d'interrogation comprenant ladite bande de fréquence de résonance dudit capteur ; o au moins une première antenne d'émission/réception et une seconde antenne d'émission /réception, positionnées dans ladite cavité ; o des moyens pour diviser ledit signal en au moins un premier signal RF et un second signal RF, ledit premier signal étant transmis à ladite première antenne d'émission/réception et ledit second signal étant transmis à ladite seconde antenne d'émission/réception ; o des moyens pour créer un déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF. En effet comme il sera développé dans la description ci-après, le Demandeur a mis en évidence, qu'il était possible de déplacer spatialement les maxima et minima d'énergie générés dans la cavité en modulant le déphasage imposé entre la première et la seconde antenne d'émission/réception, permettant par là même de faire coïncider les maxima d'énergie avec une position déterminée du capteur dans la cavité. Selon une variante de l'invention, le système comprend des moyens d'analyse du ratio puissance du signal reçu / puissance maximale mesurable, cette puissance maximale mesurable correspondant à la 20 puissance de saturation du système de détection. Selon une variante de l'invention, la cavité est réfléchissante pour les ondes RF. Selon une variante de l'invention, ledit capteur comprend au moins un résonateur à ondes acoustiques de surface. 25 Selon une variante de l'invention, le capteur comprend au moins deux résonateurs à ondes acoustiques de surface. Selon une variante de l'invention, le système comprend N capteurs positionnés dans ladite cavité, ladite cavité comprenant au moins deux antennes d'émission/réception, les moyens pour diviser le signal RF 30 pouvant diviser ledit signal RF en au moins deux signaux élémentaires. Selon une variante de l'invention, les moyens d'émission comprennent des moyens pour balayer en fréquence le signal RF. Selon une variante de l'invention, les moyens pour faire varier la phase comprennent un microcontrôleur. 35 Selon une variante de l'invention, le système comprend : - des moyens automatiques de balayage en déphasage sur une plage de valeurs de déphasage ; - des moyens d'enregistrement du ratio puissance reçue/puissance maximale mesurable afin de déterminer un déphasage optimal ; - des moyens automatiques pour appliquer ledit déphasage optimal. L'invention a aussi pour objet un procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques intégré dans une cavité, ledit capteur à ondes acoustiques présentant une bande de fréquence de résonance et étant couplé à une antenne dite de capteur, ladite cavité comprenant au moins une première antenne d'émission/réception et une seconde antenne d'émission/réception caractérisé en ce qu'il comprend : - l'émission d'un signal RF d'interrogation émettant dans une bande de fréquence d'interrogation comprenant ladite bande de fréquence de résonance dudit capteur ; - la division dudit signal RF en au moins un premier signal RF d'émission et un second signal RF d'émission ; - la génération d'un déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF; - la détection d'un signal RF de réponse renvoyé par ledit capteur. Selon une variante de l'invention, le procédé d'interrogation comprend une série d'émissions successives d'un signal RF balayé en 25 fréquence dans une bande de fréquence comprenant la fréquence de résonance dudit capteur. Selon une variante de l'invention, la génération du déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF est effectué de manière croissante jusqu'à détection d'un signal de réponse. 30 Selon une variante de l'invention, le procédé d'interrogation comprend : - une étape préalable de détermination du ratio maximal de la puissance reçue du signal RF / la puissance maximale mesurable du signal RF en fonction du déphasage imposé sur une plage de valeurs pouvant être entre 00 et 360°, permettant de définir un déphasage optimal ; - l'application dudit déphasage optimal entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF. Selon une variante de l'invention, le capteur comportant au moins un premier résonateur présentant au moins une première fréquence de résonance et un second résonateur présentant au moins une seconde fréquence de résonance, il comprend : - une première série d'émissions successives dans une première bande de fréquence comprenant ladite première fréquence de résonance et la génération d'un premier déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF ; - une seconde série d'émissions successives dans une seconde bande de fréquence comprenant ladite seconde fréquence de résonance et la génération d'un second déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 20 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre un système d'interrogation /réception d'un capteur passif de type SAW selon l'art antérieur ; la figure 2 illustre un système selon la présente invention comprenant l'interrogation d'un capteur passif de type SAW placé 25 dans une cavité équipée de deux antennes d'émission/réception ; les figures 3a, 3b et 3c illustrent l'intensité du champ électromagnétique perçu par un capteur de type SAW placé en espace libre en fonction de différents déphasages imposés entre le premier signal RF et le second signal RF; 30 les figures 4a et 4b illustrent le rapport de la puissance détectée/la puissance maximale mesurable pour différents déphasages imposés entre le premier signal et le second signal, dans le cas d'un système comprenant un capteur SAW présentant deux fréquences de résonance. 35 Selon la présente invention, un capteur passif à ondes de surface que l'on cherche à interroger à distance est placé dans une cavité typiquement métallique, générant des réflexions multiples lorsqu'un signal d'interrogation RF est envoyé pour interroger la réponse dudit capteur, ledit capteur présentant une position donnée dans ladite cavité. La figure 2 illustre ainsi un exemple de cavité 30 dans laquelle est placé un capteur SAW 21, connecté d'une part à la masse et d'autre part à une antenne dite de capteur 22. Le dispositif d'interrogation/réception à distance 10, du capteur passif 21, comprend des moyens d'émission et de détection 100 d'un signal RF à une fréquence d'émission que l'on fait varier dans une bande de fréquence dans laquelle se situe la fréquence de résonance du capteur SAW. Le signal RF ainsi généré est divisé en deux parties, via un diviseur 101, de manière à créer un premier signal RF d'interrogation et un second signal RF d'interrogation. Selon la présente invention, il est prévu un déphaseur 102 commandé par une unité 103 capable de régler le déphasage AszP entre ledit premier signal et ledit second signal RF d'interrogation. Le premier signal d'interrogation est introduit dans la cavité via une première antenne d'émission/réception 111, le second signal d'interrogation étant introduit dans la cavité via une seconde antenne d'émission/réception 112. Les deux signaux d'interrogation interfèrent dans la cavité et permettent ainsi de régler spatialement les maxima d'énergie électromagnétique du champ d'interrogation dans la cavité. Il est plus précisément prévu pour cela un déphaseur 102 agissant sur le second signal d'interrogation commandé par une unité de commande 103 destinée à faire varier la valeur du déphasage imposé. Les figures 3a, 3b et 3c illustrent l'évolution de l'intensité du champ électromagnétique en espace libre lorsque les deux antennes d'émission/réception sont séparées par exemple (mais non de manière limitative) par une longueur d'onde' le capteur SAW étant positionné et repéré dans le repère X,Y par le carré : CsAw. Plus précisément, la figure 3a est relative à un déphasage imposé de - 60°, la figure 3b est relative à un déphasage imposé de 0 ° et la figure 35 3c est relative à un déphasage imposé de + 60 °. 3005 16 7 9 La couleur noire illustre un minimum d'énergie RF, alors que la couleur blanche illustre un maximum d'énergie RF. Ainsi selon la position précise du capteur SAW dans cette cavité, il apparait qu'un déphasage de - 60 °, permet d'interroger avec un très bon 5 bilan énergétique ledit capteur, alors que sans déphasage, ce bilan énergétique serait bien inférieur, voire très mauvais avec un déphasage de + 60°. Exemple de réalisation d'un système de l'invention comprenant un 10 capteur de température placé dans une cavité métallique. Le capteur de température de type SAW est placé dans une cavité métallique pouvant être une enceinte chauffante, ledit capteur comprend un premier résonateur et un second résonateur présentant respectivement : 15 une première fréquence de résonance située dans une première bande de fréquences : 433- 434 MHz; une seconde fréquence de résonance située dans une seconde bande de fréquences : 434- 435 MHz 20 L'interrogation du capteur est réalisée dans un premier temps par un balayage en fréquences de la bande 433 - 434 MHz, on enregistre le signal RF de réception par rapport au signal RF émis via les deux antennes. L'interrogation du capteur est également réalisée dans un second temps par un balayage en fréquences de la bande 434 - 435 MHz, on 25 enregistre le signal RF de réception par rapport au signal RF émis via les deux antennes. Les figures 4a et 4b illustrent respectivement pour une première position et pour une seconde position du capteur dans l'enceinte, l'évolution 30 du rapport de la puissance de signal détecté/ la puissance maximale mesurable illustrant le budget énergétique, en fonction du déphasage imposé entre les deux signaux d'interrogation et ce lors du balayage en fréquence dans la première bande de fréquence et dans la seconde bande de fréquence. La figure 4a montre un rendement énergétique assez faible, mais très évolutif en fonction du déphasage imposé, passant d'une valeur de 0,015 en unité arbitraire à un maximum de 0,065 et ce de manière dépendante de la fréquence, il est ainsi possible de déterminer un déphasage adapté à chaque résonateur en fonction de sa fréquence de résonance. La courbe C4a1 est relative à la fréquence 433,6 MHz, la courbe C4a2 étant relative à la fréquence 434,3 MHz. La figure 4b montre quant à elle, pour une autre position, qu'il est possible d'obtenir un rendement énergétique proche de la saturation du système de détection également dépendant du déphasage créé entre les signaux émis par les deux antennes. La courbe C4b1 est relative à la fréquence 433,6 MHz, la courbe C4b2 étant relative à la fréquence 434,3 MHz. Le système de l'invention peut fonctionner selon différents processus en termes d'identification de déphasage adapté. Selon une première variante de l'invention, le déphasage peut être manuellement progressivement augmenté jusqu'à obtenir une valeur de signal de réception détectable via l'unité d'émission et de réception, pour une 20 configuration donnée d'un capteur positionné dans une cavité donnée, impliquant de renouveler le réglage pour chaque nouvelle configuration. Selon une seconde variante de l'invention, le système peut avantageusement comprendre des moyens automatiques, effectuant dans une première étape un balayage complet sur une gamme de 00 de 360° et 25 enregistrant le signal de réception, permettant de définir la valeur optimale de déphasage permettant d'obtenir le budget énergétique optimal, afin de l'appliquer automatiquement dans une seconde étape. La présente invention a été décrite dans le cadre d'un capteur et 30 de deux antennes d'émission/réception. Lorsqu'une enceinte comporte plusieurs capteurs par exemple un nombre N de capteurs, il peut avantageusement être prévu d'équiper la cavité comprenant les N capteurs, de N+1 antennes permettant de créer l'ensemble des déphasages qui conviennent et ce dans le cas où les capteurs sont identiques en terme de 35 fréquence de résonance. En effet, dans ce cas on cherche à avoir un degré de liberté supplémentaire pour optimiser la position des maxima d'énergie pour les différents capteurs, en divisant dans ce cas, le signal d'interrogation RF en N+1 signaux élémentaires. REVENDICATIONS1. Système comprenant : - une cavité (30) comportant au moins un capteur à ondes acoustiques (21) présentant une bande de fréquence de résonance, couplé à une antenne dite de capteur (22) et ; - un dispositif d'interrogation/réception, dudit capteur caractérisé en ce que ledit dispositif d'interrogation/réception (10) comporte : o des moyens d'émission/réception d'un signal RF (100) émettant dans une bande de fréquence d'interrogation comprenant ladite bande de fréquence de résonance dudit capteur ; o au moins une première antenne d'émission/réception (111) et une seconde antenne d'émission /réception (112), positionnées dans ladite cavité (30) ; o des moyens pour diviser ledit signal en au moins un premier signal RF et un second signal RF (101), ledit premier signal étant transmis à ladite première antenne d'émission/réception et ledit second signal étant transmis à ladite seconde antenne d'émission/réception ; o des moyens pour créer un déphasage (102, 103) entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF ; o des moyens d'analyse du ratio puissance du signal reçu / puissance maximale mesurable. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'analyse du ratio puissance du signal reçu / puissance maximale mesurable. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la cavité est réfléchissante pour les ondes RF. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit capteur comprend au moins un résonateur à ondes acoustiques de surface. 5. Système de mesure de température selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur comprend au moins deux résonateurs à ondes acoustiques de surface. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend N capteurs positionnés dans ladite cavité, ladite cavité comprenant au moins deux antennes d'émission/réception, les moyens pour diviser le signal RF pouvant diviser ledit signal RF en au moins deux signaux élémentaires. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les moyens d'émission comprennent des moyens pour balayer en fréquence le signal RF. 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce 20 que les moyens pour faire varier la phase comprennent un microcontrôleur. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens automatiques de balayage en déphasage sur une 25 plage de valeurs de déphasage, pouvant être de 0°à 3600; - des moyens d'enregistrement du ratio puissance reçue/puissance maximale mesurable afin de déterminer un déphasage optimal correspondant à la valeur la plus élevée dudit ratio ; 30 - des moyens automatiques pour appliquer ledit déphasage optimal. 10. Procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques intégré dans une cavité, ledit capteur à ondes acoustiques présentant une 35 bande de fréquence de résonance et étant couplé à une antenne dite decapteur, ladite cavité comprenant au moins une première antenne d'émission/réception (111) et une seconde antenne d'émission/réception (112) caractérisé en ce qu'il comprend : - l'émission d'un signal RF d'interrogation émettant dans une bande de fréquence d'interrogation comprenant ladite bande de fréquence de résonance dudit capteur ; - la division dudit signal RF en au moins un premier signal RF d'émission et un second signal RF d'émission ; - la génération d'un déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF; - la détection d'un signal RF de réponse renvoyé par ledit capteur. 11. Procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques intégré dans une cavité selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une série d'émissions successives d'un signal RF balayé en fréquence dans une bande de fréquence comprenant la fréquence de résonance dudit capteur. 12. Procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques intégré dans une cavité selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la génération du déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF est effectuée de manière croissante jusqu'à détection d'un signal de réponse. 13. Procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques compris dans une cavité selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape préalable de détermination du ratio maximal de la puissance reçue du signal RF / la puissance maximale mesurable du signal RF en fonction du déphasage imposé sur une plage de valeurs, pouvant être situées entre les valeurs 00 et 360°, permettant de définir un déphasage optimal ; - l'application dudit déphasage optimal entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF. 14. Procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques compris dans une cavité selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le capteur comprenant au moins un premier résonateur présentant au moins une première fréquence de résonance et un second résonateur présentant au moins une seconde fréquence de résonance, il comprend : - une première série d'émissions successives dans une première bande de fréquence comprenant ladite première fréquence de résonance et la génération d'un premier déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF; - une seconde série d'émissions successives dans une seconde bande de fréquence comprenant ladite seconde fréquence de résonance et la génération d'un second déphasage entre ledit premier signal RF et ledit second signal RF.15