Brevet FR3043786A1 — publié le 20170519

Domaine de l'invention La présente invention concerne la détection de grandeur physique au moyen d'un capteur inertiel et plus particulièrement un capteur accélérométrique pendulaire, et par exemple un capteur de type microsystème électromécanique (ou MEMS). Etat de la technique Un accéléromètre pendulaire électrostatique com- prend un boîtier auquel est reliée une masse sismique re- liée au boîtier par une ou plusieurs charnières position- nées de telle manière que la masse sismique forme un pendule mobile par rapport au boîtier soit en translation soit en rotation. Les déplacements de la masse sismique sous l'effet de l'accélération sont généralement détectés au moyen de trois électrodes. Une première électrode fixe et une deuxième électrode fixe sont solidaires du boîtier et reliées à un circuit d'excitation. La troisième électrode, mobile, est portée par le pendule et reliée à un circuit de détection. Chaque électrode fixe forme avec l'électrode mobile une capacité dont la valeur dépend de leur écartement. En l'absence de défaut de réalisation et lorsque le capteur n'est pas soumis à une accélération suivant son axe sensible, le pendule demeure dans une position neutre dans laquelle les deux capacités sont égales. En revanche, lorsque le pendule est soumis à une accélération suivant son axe sensible, il se déplace, entraînant une diminution de la capacité formée par l'électrode mobile et l'une des électrodes fixes, et une augmentation de la capacité formée par l'électrode mobile et l'autre des électrodes fixes. Cette variation des capacités dépend également des déformations du boîtier et du pendule. Dans un fonctionnement en boucle fermée, la posi- tion du pendule est asservie dans une position neutre, ou 3043786 2 position de consigne, à mi-distance entre les électrodes fixes, en appliquant au pendule une force électrostatique. La force électrostatique doit donc compenser l'accélération appliquée selon l'axe sensible, ce qui 5 permet l'estimation de cette dernière. La force électros- tatique est le résultat de tensions appliquées aux élec- trodes pour maintenir à zéro la différence des capacités. Objet de l'invention Le rapport entre la performance de dérive d'un 10 capteur et l'étendue de sa gamme de mesure est fixé par la précision de réalisation de la structure mécanique et du circuit électronique du capteur. Pour réaliser un capteur disposant d'une dérive faible avec une gamme de mesure étendue, il est actuelle- 15 ment nécessaire d'utiliser des structures mécaniques et électroniques précises donc coûteuses. L'invention vise à dépasser cette limite. Exposé de l'invention A cet effet, on prévoit, un capteur accéléromé- 20 trique, comprenant un bâti auquel est fixé un corps mas- sique formant pendule et portant une électrode mobile reliée à une unité de commande reliée à deux électrodes fixes solidaires du bâti pour former avec l'électrode mobile deux condensateurs de capacités variables en fonc- 25 tion d'une distance entre les électrodes. L'unité de com- mande est agencée pour réaliser des opérations de mesure des capacités et une opération de commande en fonction des capacités mesurées dans laquelle une tension est appliquée aux électrodes pour maintenir le pendule dans une 30 position prédéterminée. Ces opérations sont réalisées par application d'impulsions. Selon l'invention, l'opération de commande comprend sélectivement : - une phase de commande fine dans laquelle une première tension est appliquée entre l'une des électrodes 35 fixes et l'électrode mobile, l'autre des électrodes fixes 3043786 3 étant au même potentiel que l'électrode mobile, - une phase de commande étendue dans laquelle une deuxième tension est appliquée entre l'une des électrodes fixes et l'électrode mobile, l'autre des électrodes fixes 5 étant au même potentiel que l'électrode mobile et la deu- xième tension étant supérieure en valeur absolue à la première tension. Ainsi : - la performance de biais optimale est obtenue en 10 envoyant des commandes d'amplitude modérée. Ce- la correspond au mode de fonctionnement « fin » ; - dans le mode de fonctionnement « étendu », on s'autorise à envoyer des commandes de forte am- 15 plitude permettant d'étendre ainsi la dynamique au détriment de la performance de biais. Généralement, la pleine échelle du capteur est rarement sollicitée sauf lorsque le porteur du capteur subit une forte accélération ou décélération, par exemple 20 lors d'une mise en mouvement brutal du porteur, à la suite d'un choc ou lors d'un arrêt brutal du porteur. En revanche, la pleine échelle n'est le plus souvent pas utilisée lors des autres phases de déplacement du porteur. 25 L'invention permet donc de : - garantir lors de la phase de commande fine une performance optimale sur une gamme de mesure réduite, - effectuer lors de la phase de commande étendue des mesures sur une gamme étendue avec une performance 30 éventuellement dégradée. Ainsi, avec l'invention, la performance du capteur reste optimale en moyenne sur la durée de fonctionnement du fait que la phase de commande étendue est habituellement rarement utilisée. 35 Selon un mode de réalisation particulier, en 3043786 4 phase de commande fine, un potentiel de référence est appliqué à ladite une des électrodes fixes et un deuxième potentiel est appliqué à ladite électrode mobile et à ladite autre des électrodes fixes et, dans la phase de com- 5 mande étendue, le potentiel de référence est appliqué à ladite une des électrodes fixes et le potentiel de référence est appliqué avec une polarité inversée à ladite électrode mobile et à ladite autre des électrodes fixes. Ce mode de réalisation permet de limiter le 10 nombre de tensions utilisées, ce qui facilite la concep- tion et la fabrication du capteur. De préférence alors, le deuxième potentiel est nul. D'autres caractéristiques et avantages de 15 l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Brève description des figures Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi 20 lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un capteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un convertisseur numérique analogique utilisé dans le 25 capteur de l'invention, - la figure 3 est un chronogramme montrant le fonctionnement du capteur en gamme étendue. Description détaillée de l'invention En référence à la figure, le capteur accéléromé- 30 trique selon l'invention est ici un microsystème électro- mécanique, dit aussi MEMS, réalisé par gravure d'une plaque de matériau cristallin ou semi-cristallin, ici du silicium. Le capteur comprend un bâti 1 auquel est articulé 35 un corps massique 2 formant pendule et portant une élec- 3043786 5 trode 3 mobile par rapport au bâti 1. Deux électrodes fixes 4.1, 4.2 sont solidaires du bâti 1 pour former avec l'électrode mobile 3 deux conden- sateurs de capacités variables en fonction d'une distance 5 entre les électrodes 4.1 et 3 d'une part et entre les électrodes 4.2 et 3 d'autre part. Les électrodes 3, 4.1, 4.2 sont reliées à une unité électronique de commande généralement désignée en 5. 10 L'unité de commande 5 comprend un circuit élec- tronique de commande, dont la structure est connue, comportant un premier estimateur 6 relié à l'entrée négative d'un soustracteur 7 ayant une sortie reliée à l'entrée d'un correcteur 8. Le correcteur 8 a une première sortie 15 reliée à un séquenceur 9 et une deuxième sortie reliée à un deuxième estimateur 10 ayant une première sortie formant la sortie principale de l'unité de commande 5 et une deuxième sortie reliée à l'entrée positive du soustracteur 7. 20 L'unité de commande 5 est reliée à des convertis- seurs numérique - analogique, généralement désignés en 11.1, 11.2, respectivement reliés aux électrodes fixes 4.1, 4.2 par des commutateurs 12.1, 12.2. Chaque convertisseur numérique - analogique 11.1, 25 11.2 comprend un commutateur 13 qui est piloté par l'unité de commande 5 et qui possède une première borne d'entrée à un potentiel de référence +Vref ; une deuxième borne d'entrée à l'inverse du potentiel de référence, soit -Vref ; une troisième borne d'entrée à un potentiel 30 nul ; et une borne de sortie reliée à un circuit d'adaptation d'impédance 14. Le circuit d'adaptation d'impédance 14, connu en lui-même, comprend une résistance d'entrée 15 reliée à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 16 doublé par un condensateur de 35 bouclage 17 et par une résistance 18. La capacité du con- 3043786 6 densateur de bouclage 17 détermine les temps de montée et descente, ce qui permet de maîtriser les courants de charge et de décharge des capacités entre les électrodes 4.1 et 3, 4.2 et 3. 5 Le convertisseur numérique - analogique 11.1 a sa sortie V1 reliée à une première borne du commutateur 12.1 et a une première borne du commutateur 12.2. Le convertisseur numérique - analogique 11.2 a sa sortie V2 reliée à une deuxième borne du commutateur 12.1 et a une deu- 10 xième borne du commutateur 12.2. Le commutateur 12.1 a une troisième borne Vh reliée à la première électrode fixe 4.1 et le commutateur 12.2 a une troisième borne Vh reliée à la deuxième électrode fixe 4.2. Les commutateurs 12.1, 12.2 sont pilotés pour relier leur troisième borne 15 soit à leur première borne soit à leur deuxième borne. L'électrode mobile 3 a sa sortie V, reliée à une première borne d'un commutateur 20 ayant une deuxième borne reliée à la sortie V2 du convertisseur numérique analogique 11.2 et une troisième borne Vo reliée à 20 l'entrée inverseuse d'un amplificateur de charge 21 dou- blé par un condensateur 22 et par un interrupteur 23. L'amplificateur de charge 21 a sa sortie Vd reliée à un convertisseur analogique - numérique 24 relié à l'entrée du premier estimateur 6. 25 Le séquenceur 9 émet les commandes suivantes : - C1 pour piloter le commutateur 13 du convertisseur numérique - analogique 11.1, - C2 pour piloter le commutateur 13 du convertisseur numérique - analogique 11.2, 30 - ph pour piloter le commutateur 12.1, - Db pour piloter le commutateur 12.2, - D, pour piloter le commutateur 20, - R pour piloter le commutateur 23, - S pour piloter le convertisseur analogique - 35 numérique 24. 3043786 7 L'unité de commande est agencée pour émettre des signaux logiques ED1, ED2 commandant la mesure des capacités entre les électrodes 3 et 4.1 d'une part et entre les électrodes 3 et 4.2 d'autre part, et un signal logique EC 5 commandant la délivrance d'impulsions en fonction des ca- pacités mesurées pour maintenir le pendule dans une position prédéterminée, à savoir une position médiane entre les électrodes fixes 4.1, 4.2. L'opération de commande comprend sélectivement 10 une phase de commande fine et une phase de commande éten- due. Dans la phase de commande fine, une première tension est appliquée entre l'une des électrodes fixes 4.1, 4.2 et l'électrode mobile 3 et l'autre des électrodes fixes 4.1, 4.2 est au même potentiel que l'électrode mobile 3. 15 Dans la phase de commande étendue, une deuxième tension est appliquée entre l'une des électrodes fixes 4.1, 4.2 et l'électrode mobile 3 et l'autre des électrodes fixes 4.1, 4.2 est au même potentiel que l'électrode mobile 3. La deuxième tension est supérieure en valeur absolue à la 20 première tension. Plus précisément, dans la phase de commande fine, un potentiel de référence Vref est appliqué à ladite une des électrodes fixes 4.1, 4.2 et un deuxième potentiel, ici nul, est appliqué à ladite électrode mobile 3 et à 25 ladite autre des électrodes fixes 4.1, 4.2. Plus précisément, dans la phase de commande étendue, le potentiel de référence Vref est appliqué à ladite une des électrodes fixes 4.1, 4.2 et le potentiel de référence est appliqué avec une polarité inversée à ladite 30 électrode mobile 3 et à ladite autre des électrodes fixes 4.1, 4.2. Les commandes logiques Dc, Dh, Db et EC obéissent aux relations booléennes ci-dessous : 3043786 8 Dc=EC Db = EDi +EC 1+ bs 2 Db = ED2 +EC 1- bs 2 bs = ±1 Le chronogramme de la figure 3 montre les diffé- rentes opérations qui sont réalisées en gamme étendue pendant la période d'échantillonnage T, qui comprend deux 5 périodes de détection Td (correspondant aux signaux EDI_ et ED2) et une période de commande Tc (correspondant au signal EC). On peut voir qu'en gamme étendue, les sorties V1, V2 et Vc peuvent prendre les potentiels +Vref OU -Vref selon 10 la direction de l'effort à exercer sur le pendule. La tension appliquée à la capacité Ch (entre les électrodes 4.1 et 3) vaut (1 + bs)Vref et la tension appliquée à la capacité Cb (entre les électrodes 4.2 et 3) vaut (1 - bs)Vref, bs dépendant de la direction de l'effort à exer- 15 cer sur le pendule. En revanche, en gamme fine, les sorties V1, V2 et Vc peuvent prendre les potentiels +Vref ou 0 selon la direction de l'effort à exercer sur le pendule. Alors, la tension appliquée à la capacité Ch (entre les électrodes 20 4.1 et 3) vaut (1 + bs)Vref/2 et la tension appliquée à la capacité Cb (entre les électrodes 4.2 et 3) vaut (1 bs)Vref/2, bs dépendant de la direction de l'effort à exercer sur le pendule. L'efficacité de l'impulsion de commande en gamme fine est donc divisée par quatre. 25 Durant l'opération de détection, Qo étant la quantité de charge injectée par l'interrupteur 23 lors de son ouverture et vos la tension d'offset en sortie de l'amplificateur de charge 21, les tensions en sortie de l'amplificateur de charge 21 aux instants 30 d'échantillonnage valent : 3043786 9 Ch - Vref + Qo Vdh - " + Vos Cref Ch - Vref + Qo Vdb - + Vos Cref On en déduit la différence des capacités : Ch -Ch Vdb - Vdh Cref= - Vref Au premier ordre, la position z est une fonction 5 affine de la différence ci-dessus. L'unité de commande 5 gère le fonctionnement du dispositif, en particulier la chronologie des diverses opérations échantillonnées à une fréquence F, (période T, = 1/F5, voir la figure 3). L'unité de commande 5 pilote 10 de manière séquentielle et cyclique les convertisseurs numérique - analogique 11.1, 11.2 et le convertisseur analogique numérique 24 et les interrupteurs analogiques 12.1, 12.2 et 20. Selon l'état logique de la commande Dc, 15 l'électrode mobile 3 est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur de charge 21 ou à la sortie v2 du convertisseur numérique - analogique 11.2. Selon l'état logique de la commande ph, l'électrode fixe 4.1 est reliée à la sortie yl du conver- 20 tisseur numérique - analogique 11.1 ou à la sortie v2 du convertisseur numérique - analogique 11.2. Selon l'état logique de la commande Db, l'électrode fixe 4.2 est reliée à la sortie 1,1 du convertisseur numérique - analogique 11.1 ou à la sortie v2 du 25 convertisseur numérique - analogique 11.2. Les tensions vh, vc et vh appliquées aux électrodes 4.1, 3 et 4.2 sont séquencées de sorte à mesurer Chi mesurer Cb puis appliquer la force électrostatique permettant d'asservir le pendule à sa position de con- 30 signe imposée par l'unité de commande 5. En phase de détection, l'électrode mobile 3 est 3043786 10 reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur de charge 21 bouclé par la capacité Cref du condensateur 22 et l'interrupteur 23 commandé par le signal logique R issu du séquenceur 9. Par contre-réaction, cet amplificateur 5 de charge 21 maintient le potentiel vo au voisinage de zéro en permanence. La tension de sortie vd de l'amplificateur de charge 21 est convertie en une grandeur numérique y par un convertisseur analogique - numérique 24 piloté par le 10 signal logique S. L'estimateur 6 fournit l'estimée z du déplacement du pendule à partir de la grandeur y. L'estimateur 10 fournit la consigne ze qui permet de compenser l'offset dû aux dissymétries statiques des 15 capacités entre les électrodes 4.1 et 3 et entre les électrodes 3 et 4.2. La différence zc-î est asservie à zéro par un correcteur numérique 8 qui élabore une commande bs valant +1 ou -1 selon qu'il convient de pousser ou de tirer sur 20 le pendule pour ramener l'entrée du correcteur 8 à zéro. Si bs = +1, la tension est appliquée à l'électrode 4.1 qui tire alors vers elle le pendule. Si bs = -1, la tension est appliquée à l'électrode 4.2 qui tire alors vers elle le pendule. 25 L'estimateur 10 élabore l'estimée ÿ de l'accélération à mesurer ainsi que la consigne zc. Le séquenceur 9 séquence les opérations à l'intérieur de la période d'échantillonnage et d'une période d'échantillonnage à l'autre. 30 Enfin, l'unité de commande 5 sélectionne de ma- nière autonome la gamme de fonctionnement, soit étendue soit fine, en fonction de la valeur de i> qui est comparée à un seuil. Les différences de temps de réponse des interrup- 35 teurs analogiques 12.1, 12.2 et 20 sont la principale 3043786 11 source de dissymétrie des impulsions. Pour y remédier, les opérations de détection (mesures des capacités Ch et 0b, repérées Td sur la figure 3) et de commande (repérée T, sur la figure 3) sont séparées par des phases dites de 5 relaxation (repérées Tr sur la figure 3) durant les- quelles chacun des interrupteurs 12.1, 12.2 et 20 est pré-positionné alors que les trois tensions appliquées à ses bornes sont identiques. Or, durant certaines phases, il est indispensable de faire évoluer simultanément les 10 tensions appliquées aux trois électrodes. Pour ce faire, celles-ci sont préalablement reliées au convertisseur numérique analogique 11.2 avant de faire évoluer la sortie de ce dernier. Ces phases sont repérées Ti sur le chronogramme de la figure 3. 15 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, la chronologie des opérations ci- 20 dessous peut être différente de celle décrite. Par exemple, le nombre de commutations réalisées en gamme fine peut être réduit ou la durée, l'amplitude et le signe des impulsions peuvent être modifiés. En outre, les phases de détection peuvent être permutées d'une période 25 sur l'autre pour améliorer la symétrie de fonctionnement. La tension en gamme étendue peut être ou pas un multiple entier de la tension en gamme fine. Le potentiel inférieur en gamme fine peut être différent de zéro. 30 REVENDICATIONS1. Capteur accélérométrique, comprenant un bâti auquel est fixé un corps massique formant pendule et por- tant une électrode mobile reliée à une unité de commande reliée à deux électrodes fixes solidaires du bâti pour former avec l'électrode mobile deux condensateurs de capacités variables en fonction d'une distance entre les électrodes, l'unité de commande étant agencée pour réali- ser des opérations de mesure des capacités et une opéra- tion de commande en fonction des capacités mesurées dans laquelle une tension est appliquée aux électrodes pour maintenir le pendule dans une position prédéterminée, ces opérations étant réalisées par application d'impulsions, le capteur étant caractérisé en ce que l'opération de commande comprend sélectivement : - une phase de commande dite fine dans laquelle une première tension est appliquée entre l'une des électrodes fixes et l'électrode mobile, l'autre des élec- trodes fixes étant au même potentiel que l'électrode mo- bile, - une phase de commande dite étendue dans la- quelle une deuxième tension est appliquée entre l'une des électrodes fixes et l'électrode mobile, l'autre des élec- trodes fixes étant au même potentiel que l'électrode mo- bile et la deuxième tension étant supérieure en valeur absolue à la première tension. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel, dans la phase de commande fine, un potentiel de référence est appliqué à ladite une des électrodes fixes et un deu- xième potentiel est appliqué à ladite électrode mobile et à ladite autre des électrodes fixes et, dans la phase de commande étendue, le potentiel de référence est appliqué à ladite une des électrodes fixes et le potentiel de ré- férence est appliqué avec une polarité inversée à ladite 3043786 13 électrode mobile et à ladite autre des électrodes fixes. 3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel le deuxième potentiel est nul. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendica- 5 tions précédentes, dans lequel l'unité de commande com- prend deux convertisseurs numérique - analogique reliés respectivement à une des électrodes fixes. 5. Capteur selon la revendication 4, dans lequel chaque convertisseur numérique - analogique comprend un 10 commutateur qui est piloté par l'unité de commande et qui possède une première borne d'entrée à un potentiel de référence, une deuxième borne d'entrée à l'inverse du potentiel de référence, une troisième borne d'entrée à un potentiel nul et une borne de sortie. 15 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel la borne de sortie est reliée à un circuit d'adaptation d'impédance. 7. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'électrode mobile (3) est reliée à une entrée d'un con- 20 vertisseur analogique - numérique (24) ayant une sortie reliée à une entrée d'un premier estimateur (6) relié à l'entrée négative d'un soustracteur (7) ayant une sortie reliée à l'entrée d'un correcteur (8) ayant une première sortie reliée à un séquenceur (9) et une deuxième sortie 25 reliée à un deuxième estimateur (10) ayant une première sortie formant la sortie principale de l'unité de commande (5) et une deuxième sortie reliée à l'entrée positive du soustracteur (7) ; le premier estimateur étant agencé pour fournir une première estimée d'un déplacement 30 du pendule à partir d'une différence entre les capacités, le deuxième estimateur étant agencé pour fournir une deu- xième estimée de ce déplacement et une consigne de com- mande pour compenser un offset dû à une dissymétrie sta- tique des capacités, le correcteur étant agencé pour as- 35 servir à zéro la différence entre la consigne et la pre- 3043786 14 mière estimée, le séquenceur étant agencé pour piloter le capteur. 8. Capteur selon la revendication 7, dans lequel l'électrode mobile (3) est reliée à une première borne 5 d'un commutateur (20) ayant une deuxième borne reliée à la sortie d'un convertisseur numérique - analogique (11.2) relié à l'une des électrodes fixes (4.2) et une troisième borne reliée à l'entrée inverseuse d'un amplificateur de charge (21) doublé par un condensateur (22) 10 et par un interrupteur (23), l'amplificateur de charge ayant sa sortie reliée au convertisseur analogique - numérique (24) relié à l'entrée du premier estimateur (6).