Brevet FR3013450A1 — publié le 20150522

Procédé d'interrogation rapide de dispositifs résonants à ondes élastiques Le domaine de l'invention est celui des dispositifs résonants à ondes élastiques interrogeables à distance et ce au travers d'une liaison sans fil radiofréquence. Ces dispositifs peuvent être utilisés notamment dans le cadre de capteurs. De tels capteurs sont connus pour être utilisés par exemple comme capteur de température ou de pression et comprennent généralement au moins un résonateur comportant une micro-structure déposée à la surface d'un substrat piézoélectrique. Un exemple de capteur peut typiquement comporter deux transducteurs à peignes d'électrodes inter- digitées placés entre des réseaux réflecteurs. Les réseaux réflecteurs se comportent comme des miroirs et il existe donc des fréquences de résonance pour lesquelles le trajet retour dans la cavité est égal à un nombre entier de longueurs d'onde. Les modes de résonance pour ces fréquences sont excités par le transducteur placé entre les miroirs. Ce type de capteur peut être interrogé à distance, en connectant l'entrée du transducteur à une antenne radio-fréquence RF. Lorsque l'antenne reçoit un signal électromagnétique, celui-ci donne naissance à des ondes sur la surface du substrat qui sont elles-mêmes reconverties en énergie électromagnétique sur l'antenne. Ainsi, le dispositif constitué d'un ensemble de résonateurs connecté à une antenne a une réponse aux fréquences de résonance des résonateurs qu'il est possible de mesurer à distance. On peut ainsi réaliser des capteurs interrogeables à distance. Cette possibilité est un avantage important des ondes acoustiques de surface et peut être utilisée notamment dans le cadre des capteurs de pression de pneumatiques. Il est en effet intéressant dans ce type d'application de pouvoir placer le capteur dans le pneumatique alors que l'électronique d'interrogation est embarquée à bord du véhicule. Selon l'art connu, des systèmes d'interrogation à distance utilisent des signaux d'interrogation sous forme d'impulsions (typiquement de durée 35 environ 25 ps) qui transitent via une antenne émettrice en direction d'une antenne réceptrice connectée au capteur à ondes de surface dénommé ci-après dans la description, capteur SAW. Une bande de fréquences privilégiée pour ce type de systèmes est la bande ISM, acronyme anglo-saxon signifiant «Industriel, Scientific, 5 Medical », ayant pour fréquence centrale la fréquence de 433,9 mégahertz et la largeur de bande associée de 1,7 mégahertz (MHz). De manière générale un capteur SAW interrogeable à distance et son système d'interrogation peuvent comprendre, comme illustré en figure 1 dans le cas simplifié d'un seul transducteur : 10 - un système d'interrogation 2 ; - au moins, un résonateur 1 comportant : o une antenne 100; o un transducteur à peigne d'électrodes inter-digitées 11 et une cavité résonante SAW 13 caractérisée par 15 sa fréquence centrale F et son facteur de qualité Q, correspondant au rapport entre la fréquence centrale et la largeur de bande passante. La cavité 13 comprend deux séries de réflecteurs régulièrement espacés d'une distance d. Le transducteur est 20 connecté à l'antenne 100. L'interrogateur 2 envoie une impulsion radio-fréquence longue pour charger le résonateur 1. A l'arrêt de l'émission, le résonateur se décharge sur sa fréquence de résonance propre avec une constante de temps t égale à Q/(7cF). Cette décharge du résonateur constitue l'écho en 25 retour détecté par le récepteur de l'interrogateur. Une analyse spectrale permet ensuite de remonter à la fréquence du résonateur qui constitue son identification. Cette analyse peut être effectuée par des algorithmes basés sur la transformation de Fourier, par exemple de type FFT, acronyme anglo-saxon signifiant Fast Fourier Transform. Ce type de traitement par analyse 30 spectrale est particulièrement complexe. Une alternative à ce traitement complexe, a été précédemment démontré par le Demandeur, et consiste à sonder la réponse d'un dispositif résonant, piézoélectrique tant qu'il présente une variation abrupte de son coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, à seulement 2 35 fréquences de part et d'autre de la fréquence de résonance pour caractériser cette fréquence de résonance caractéristique de la grandeur physique mesurée (Demande de brevet FR 2 958 417 et l'article de J.M Friedt, C. Droit, S. Ballandras, S. Alzuaga, G. Martin & P. Sandoz, Remote vibration measurement: a wireless passive surface acoustic wave resonator fast probing strategy, Rev. Soi. Instrum. 83, p.055001 (2012)). Par rapport à cet art antérieur et pour perfectionner davantage ce type de procédé d'interrogation, le Demandeur a recherché à doubler la vitesse de rafraîchissement de l'information. Cependant, pour cela, sonder sur un unique point de fonction de transfert est insuffisant comme l'illustre la figure 2. Cette figure met en évidence à partir de la courbe Co correspondant à une fonction de transfert initiale, les deux évolutions possibles à un instant ultérieur, à savoir : une atténuation du signal représentée par la courbe C1 ou un décalage du signal de la fréquence de résonance représenté par la courbe C2. En effet, sur la figure 2, partant de la condition initiale de la fonction de transfert représentée par la courbe Co (fréquence de résonance f0, caractérisation aux deux fréquences f1 et f2), sonder la réponse à un instant ultérieur à une unique fréquence f2 ne permet pas de distinguer deux évolutions possibles de la fonction de transfert, à savoir une baisse de la puissance renvoyée par le capteur (réponse atténuée si le capteur s'éloigne de l'électronique de mesure) ou un décalage de la fréquence de résonance (correspondant à une variation de la grandeur physique). Ces deux conditions vont impliquer la même mesure, à savoir le cercle représenté. Il n'est ainsi pas possible de séparer la contribution du bilan de liaison (le capteur s'approche ou s'éloigne du lecteur) de la grandeur physique mesurée (la fréquence de résonance se décale de la fréquence sondée). Pour résoudre ce problème, le Demandeur propose un procédé d'interrogation, sondant un unique point de la fonction de transfert du dispositif résonant tantôt à la fréquence inférieure à la fréquence de résonance : fréquence f1, tantôt à la fréquence supérieure à la fréquence de résonance : fréquence f2. La différence entre ces deux grandeurs permet d'asservir la puissance émise en vue d'optimiser la puissance radiofréquence reçue, tandis que l'hypothèse que le point précédent de mesure (sur ou sous la résonance) reste inchangé lors de la mesure complémentaire (sous ou sur la résonance) permet de doubler la fréquence d'échantillonnage d'identification de la fréquence de résonance du dispositif. Cette condition respecte le théorème d'échantillonnage qui indique que l'on ne peut connaître l'évolution de la grandeur mesurée à la première fréquence au cours de la mesure sur la seconde fréquence : si le premier point venait à se décaler, il s'agirait d'une variation de la grandeur physique à une vitesse supérieure à la bande passante de la mesure, impliquant du repliement spectral. Le fait de rafraîchir l'information d'estimation de la fréquence de résonance f0 après chaque mesure, tantôt à la fréquence fi, tantôt à la fréquence f2, n'handicape donc pas la précision de la mesure mais double la bande passante par rapport à une information rafraîchie après les deux mesures des réponses à la fréquence f1 et à la fréquence f2 tel que proposée dans la demande de brevet FR 2 958 417. Plus précisément la présente invention a pour objet un procédé d'interrogation à distance d'un résonateur, permettant de déterminer la 20 fréquence de résonance dudit résonateur présentant une courbe de résonance définie par conception dudit résonateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une gamme de fréquences déterminée par conception 25 dudit résonateur, permettant la détermination rapide d'une courbe de résonance centrée sur une fréquence de résonance préalable fro comprise entre une fréquence préalable inférieure fro et une fréquence préalable supérieure frps définies à mi-hauteur de ladite courbe de résonance dudit résonateur, par détection de l'amplitude de signal de réponse dudit 30 résonateur ; - un premier ensemble d'étapes préalables comportant : o une première étape préalable d'un premier couple d'interrogations dudit résonateur à une première fréquence f1,1 et à une deuxième fréquence f2,1 telles que : f1,1 = fro - fm/2 et 35 f2,1 = fro + fm/2, avec f, La contribution de la valeur moyenne est éliminée lors du calcul de la différence des puissances reçues aux fréquences f1,1 et f2,1 afin d'extraire uniquement la contribution du signal de modulation. La différence des puissances reçues à chaque fréquence fournit une information dont le signe va dépendre de la position par rapport à la fréquence fro. Ainsi selon l'invention, il est proposé de réaliser une fonction itérative permettant d'annuler le résiduel mentionné ci-dessus. Cette étape peut être effectuée par une méthode de dichotomie, par une méthode de Newton ou toute autre méthode permettant l'accélération de la convergence du processus itératif. Ainsi toute méthode capable de déterminer le zéro d'une fonction est particulièrement adaptable en l'occurrence : la méthode de dichotomie est une approche consistant à réduire l'intervalle de recherche d'un zéro de la fonction traitée par comparaison des signes de cette fonction après estimation. Les échantillons sont toujours pris de sorte que leur signe soit opposé. On divise l'intervalle en deux puis l'on identifie le nouvel intervalle pour lequel les nouveaux échantillons sont de signes opposés. On poursuit le processus jusqu'à respect du critère de convergence. La méthode de Newton quant à elle s'appuie sur l'exploitation de la série de Taylor au premier ordre au voisinage du zéro à identifier. A chaque nouvelle prise d'échantillon on calcule la dérivée première de la courbe pour l'échantillon le plus éloigné du zéro et l'on exploite la dérivée première pour déduire une estimation de celui-ci. Le processus converge ou bout d'un nombre d'itérations d'autant plus faible que la courbe est régulière et monotone au voisinage du point recherché. Ces exemples sont fournis à titre d'illustration et peuvent être 35 avantageusement remplacés par des méthodes plus efficaces (Müller, etc.). Une référence bibliographique utile en ce sens est : A. Angot, Compléments de mathématiques, Masson Ed., 6ème Edition, 1982, et à l'international Abramowitz and Stegun. Handbook of Mathematical Functions, on line http://www.math.ucla.eduhcbm/aands/ On réalise ainsi un asservissement de la fréquence fro qui coïncide avec la fréquence de résonance du capteur interrogé. Cet asservissement s'apparente à une boucle à verrouillage de phase dont les caractéristiques de stabilité et de précision dans la détection de la fréquence cible sont meilleures que les éléments de cette mesure en boucle ouverte. Pour mettre en oeuvre le procédé d'interrogation de la présente invention, il est intéressant d'utiliser un interrogateur en configuration monostatique (avec partage entre l'émetteur et le récepteur de l'électronique et de l'antenne permettant de réduire l'encombrement et les coûts de synchronisation entre l'émetteur et le récepteur) pouvant être de type RADAR impulsionnel à balayage en fréquence. Cet interrogateur comprend un microcontrôleur chargé d'appliquer une boucle d'asservissement alternativement sur l'une des deux fréquences selon le processus décrit ci-après - on émet pendant par exemple 30 ps, soit 5 constantes de temps du résonateur, une impulsion radiofréquence à la fréquence souhaitée fr 2k; _ connaissant la mesure qui a été faite auparavant à une fréquence antérieure, fr 2k-1 , on calcule fr 2k = fr 2k-1 ± K[A(Pf1, 2k-1 - Pf2, 2k) -Ca] qui équilibrerait la réponse (correspondant à la puissance retournée par le 25 transducteur SAW) aux fréquences fr 2k-1 et fr 2k ; - on fournit alors une tension (DAC) proportionnelle à cette estimation de la fréquence ainsi déterminée. Typiquement, la fréquence fm/2 peut être de quelques kilohertz, 30 soit dans la gamme des applications visées, environ 1/8 de la largeur à mi-hauteur. La figure 4 illustre un exemple de dispositif permettant de qualifier la bande passante de mesure du résonateur à ondes élastiques de surface. Il s'agit d'un dispositif expérimental permettant de qualifier la bande passante 35 de mesure d'un résonateur 111 à ondes élastiques de surface SAW, fixé à la base du bras d'un diapason 101 excité par un électroaimant 102. La méthode des mesures de la fréquence de résonance du SAW exploite une source radiofréquence reconfigurable 200 (Direct Digital Synthesizer-DDS) configuré par un micro-contrôleur 210. La puissance renvoyée par le capteur SAW pour chaque fréquence sondée est détectée par un détecteur 220 et numérisée (ADC) pour traitement numérique du signal et définition de la prochaine fréquence fl, 2k ou f 2, 2k' à émettre afin de rester proche (sous ou sur respectivement) de la fréquence de résonance. Il s'agit d'un diapason musical (fréquence nominale de résonance de 440 Hz) équipé d'un résonateur à ondes élastiques de surface en quartz collé à la base d'un de ses bras. Ce résonateur se comporte comme une jauge de contrainte, dont la fréquence de résonance (autour de 434 MHz, dans la bande Industrielle, Scientifique et Médicale (ISM- européenne) varie avec la contrainte transmise du bras du diapason au substrat de quartz. Ainsi, le résonateur à quartz voit sa fréquence de résonance varier lors du mouvement du bras du diapason. Afin de faciliter la démarche expérimentale en observant un régime stationnaire, le diapason musical est excité par induction magnétique par un électroaimant alimenté par un signal sinusoïdal généré par un synthétiseur de fréquence dont la fréquence est proche de la fréquence de résonance du diapason (442 Hz). Le résultat de cette mesure est illustré en figure 5, indiquant un rafraîchissement de l'information transmise à l'utilisateur, de 6800 Hz. Compte-tenu d'un temps de charge du résonateur de 30 ps et d'un temps de décharge de durée égale (constante de temps de Qtrr périodes du résonateur, avec Q facteur de qualité), sonder la réponse à une fréquence nécessite 60 ps soit un taux de rafraîchissement maximal de 16, 6 KHz. La courbe C5a est relative à l'excitation du diapason proche de la fréquence de résonance du résonateur, la courbe C5b étant relative à la mesure de la réponse du résonateur. Le zoom illustre la fréquence de rafraîchissement de l'information de 6800 Hz dans cette implémentation de l'algorithme. Une telle implémentation expérimentale sur microcontrôleur nécessite par ailleurs : - la reconfiguration expérimentale de la source de fréquence nécessaire à générer le signal sonde radiofréquence à f 1,2k-1 puis f 2, 2k ; - le stockage en mémoire des mesures et leur traitement numérique ; - la programmation d'un convertisseur numérique-analogique pour retranscrire une tension proportionnelle à la fréquence de résonance déduite du calcul. Ces opérations expliquent une fréquence de rafraîchissement de 10 l'ordre du tiers de la fréquence maximale accessible. Une implémentation sur architecture numérique dédiée (ASIC, FPGA) permettant d'atteindre la bande passante maximale par réduction de la durée de traitement numérique du signal. Ainsi, selon le procédé de la présente invention, l'exploitation de 15 la valeur antérieure de la puissance renvoyée par le capteur combinée avec la nouvelle mesure de puissance selon les lois explicitées précédemment, alternant ainsi mesure et rafraîchissement de la grandeur mesurée et fournie à l'utilisateur, permet de doubler la vitesse de mesure par rapport au procédé objet de la demande de brevet FR 2 958 417. 20 REVENDICATIONS1. Procédé d'interrogation à distance d'un résonateur à ondes 5 élastiques, permettant de déterminer la fréquence de résonance dudit résonateur présentant une courbe de résonance définie par conception dudit résonateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une gamme de fréquences déterminée par conception dudit 10 résonateur, permettant la détermination rapide d'une courbe de résonance centrée sur une fréquence de résonance préalable fro comprise entre une fréquence préalable inférieure fro et une fréquence préalable supérieure frps définies à mi-hauteur de ladite courbe de résonance dudit résonateur, par détection de l'amplitude de signal de réponse dudit résonateur ; 15 - un premier ensemble d'étapes préalables comportant : O une première étape préalable d'un premier couple d'interrogations dudit résonateur à une première fréquence f1,1 et à une deuxième fréquence f2,1 telles que : fi,i = fro - fm/2 et f2,1 = fro + fm/2, avec f,, 2. Procédé d'interrogation d'un résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une bande de fréquences permettant la 20 détermination rapide d'une première fréquence de résonance (fro) dudit résonateur est effectuée avec un pas de fréquences égal à environ le tiers de la large à mi-hauteur de la courbe de résonance . 3. Procédé d'interrogation d'un résonateur selon l'une des 25 revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la bande de fréquences est une bande ISM, et plus particulièrement celle centrée en 433,9 MHz. 4. Procédé d'interrogation d'un résonateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence f, est inférieure à 30 quelques dizaines de kilohertz. 5. Procédé d'interrogation d'un résonateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse de rafraîchissement de l'interrogation est de l'ordre de quelques kilohertz et atteint la bande 35 passante maximale accessible par un résonateur. 6. Procédé d'interrogation d'un résonateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la consigne d'asservissement est nulle. 7. Procédé d'interrogation d'un résonateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la constante K est égale à 1. 8. Dispositif mettant en oeuvre le procédé d'interrogation selon 10 l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend : - une source radiofréquence reconfigurable ; - un microcontrôleur pour reconfigurer ladite source ; - des moyens de réception et de traitement numérique de l'amplitude du signal de réception 15