Brevet FR3067459A1 — publié le 20181214

CAPTEUR NUMÉRIQUE DE PRESSION 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un capteur numérique de pression. En particulier, l'invention concerne un capteur numérique de pression de type M EMS à membrane. L'invention est notamment optimisée pour être embarquée dans un système autonome en énergie, potentiellement mobile ou difficile d'accès d'un point de vue de la maintenance, et par exemple dans un véhicule terrestre, maritime, ferroviaire, aérien (aéronef), spatial, etc. 2. Arrière-plan technologique Les capteurs de pression de type M EMS existent sous différentes formes, présentant chacune leurs avantages et inconvénients. Par exemple, des capteurs de pression peuvent être : - des capteurs résonants, qui présentent une excellente performance mais qui sont très couteux, complexes et ont une consommation élevée. - des capteurs piezorésistifs, qui présentent une architecture simple et une bonne linéarité entre la grandeur mesurée et le signal de sortie, mais qui présentent une grande sensibilité à la température et un vieillissement important, - des capteurs capacitifs utilisant une membrane comme électrode mobile d'une capacité variable, qui ont une bonne tenue en température, une faible consommation mais qui ont un comportement fortement non-linéaire, sont sensibles aux capacités parasites pouvant varier dans le temps et en température, et plus complexes à traiter que des capteurs piezorésistifs. Ces derniers ont été améliorés en formant des capteurs capacitif en mode de contact, comprenant une membrane se déformant sous l'action d'une variation de pression par rapport à une pression de référence, jusqu'à venir en contact avec une couche diélectrique recouvrant une couche conductrice. Lorsque le contact est effectué, une augmentation de la variation de pression entraine une augmentation de la zone de contact de la membrane. La capacité mesurée dépend donc dans un premier temps de 2 la distance entre la membrane et la couche diélectrique avant contact, puis de la surface de contact de la membrane ensuite, permettant un comportement plus linéaire. Ils présentent toutefois une hystérésis plus importante, du fait de l'adhésion de la membrane à la couche diélectrique. 5 Enfin, plus généralement, les capteurs de pression de type MEMS transmettent tous une information de type analogique (typiquement une variation de tension ou de charge), qui doit faire l'objet d'une conversion numérique au niveau du capteur ou du système d'acquisition. Cette conversion permet l'exploitation des données par un système numérique tel qu'un calculateur (par exemple embarqué dans un aéronef), la 10 transmission des données par des réseaux numériques intelligents (point à point ou multipoints), le chiffrement des données, etc. Toutefois, cette conversion implique aussi une perturbation du signal, même lorsqu'elle est effectuée au plus près du capteur. Notamment, les perturbations peuvent être des perturbations électromagnétiques diverses, produisant du bruit qui peut 15 fausser les données ; en particulier, lorsque les signaux perçus sont d'amplitude faible, le rapport signal/bruit peut être fortement diminué. En outre, les différents traitements du signal (conditionnement, filtrage, échantillonnage, conversion etc.) peuvent entrainer des pertes de données ou des réductions de résolution. En outre, la chaîne de conversion utilise une multitude de composants qui 20 augmentent la consommation électrique. En particulier, la consommation la plus importante d'énergie d'un système intégré est la consommation des fonctions analogiques de traitement du capteur M EMS, du fait de ces conversions et de l'alimentation en permanence du capteur en tension. Les inventeurs ont ainsi cherché une solution à ces inconvénients en essayant de 25 réduire la chaine de conversion numérique. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des capteurs de pression connus. En particulier, l'invention vise à fournir, dans au moins un mode de réalisation 30 de l'invention, un capteur de pression numérique permettant d'obtenir directement un signal de sortie numérique. 3 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un capteur de pression numérique permettant de réduire la consommation d'énergie. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un capteur de pression numérique présentant une architecture électronique 5 simple. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un capteur de pression numérique résistant en température. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un capteur de pression numérique présentant un comportement proche d'un 10 comportement linéaire. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un capteur de pression numérique peu coûteux. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un capteur numérique de pression, adapté 15 pour mesurer une variation de pression relativement à une pression de référence, comprenant : - un support, comprenant un fond entouré de parois, - un corps d'épreuve deformable constitué d'une membrane reliée au support au niveau des parois, formant avec ledit support une cavité 20 hermétique dont la pression interne est égale à la pression de référence, et configurée pour se déformer sous l'effet de la variation de pression extérieure à la cavité hermétique, caractérisé en ce que le capteur numérique de pression comprend : - au moins deux électrodes disposées sur le fond du support, en regard de 25 la membrane, chaque électrode étant électriquement séparée de la ou des autres électrodes, - au moins deux connecteurs, chacun étant relié d'une part à une électrode et d'autre part à une masse via une haute impédance, - une alimentation électrique, 30 - au moins deux circuits de mesure, configurés pour mesurer la tension au niveau des connecteurs, 4 en ce que la membrane est configurée pour, suite à sa déformation sous l'effet de la variation de pression extérieure, entrer en contact avec une ou plusieurs électrodes de sorte à former au moins un circuit fermé entre l'alimentation électrique et la masse via au moins une électrode, et en ce que les circuits de mesure sont adaptés 5 pour fournir les mesures de tensions sur chaque connecteur sous la forme d'un signal unaire indiquant, pour chaque électrode, si le circuit formé via cette électrode est fermé ou ouvert. Un capteur numérique de pression selon l'invention permet donc d'obtenir directement un signal de sortie sous un format numérique (signal unaire), représentatif 10 des électrodes en contact avec la membrane et donc de la variation de pression mesurée par rapport à la pression de référence. La configuration des électrodes étant connue, les mesures de tension relevées au niveau des connecteurs permettent de détecter si la membrane est en contact avec une électrode de façon à former un circuit fermé (auquel cas la tension relevée sera proche de la tension d'alimentation, aux 15 baisses de tensions dues aux résistances de la membrane et de l'électrode près) ou si la membrane n'est pas en contact avec une électrode (auquel cas la tension relevée sera nulle). De préférence, le signal est exprimé sous forme d'une succession de bit, un bit « 0 » correspond à une membrane qui n'est pas en contact avec une électrode donnée et un bit « 1 » correspond à une membrane en contact avec l'électrode. 20 La fourniture d'un signal de sortie totalement numérique permet de s'affranchir des inconvénients exprimés précédemment, notamment en limitant le traitement du signal et la sensibilité aux perturbations électromagnétiques. La consommation est ainsi réduite, les valeurs mesurées plus sûres, et l'architecture obtenue est simple. Le signal unaire permet de déterminer quelles électrodes sont en contact avec la 25 membrane, en partant du principe que la déformation de la membrane va entrainer la mise en contact avec une première électrode, puis avec la première électrode et une deuxième électrode, puis avec la première, la deuxième et une troisième électrode. Par exemple, soit un signal unaire comprenant 4 bits représentant chacun une électrode, un signal « 0001 » indique que seule la première électrode est en contact avec la 30 membrane, un signal « 0011 » indique que la première et la deuxième électrode sont en contact avec la membrane, etc. Plus généralement, un signal unaire est composé d'un 5 enchainement consécutif de « 0 » et de « 1 », avec un seul et unique changement d'état. Par exemple, « 000 », «001 », « 011 » et « 111 » sont des signaux unaires. En revanche, « 010 » ou encore « 101 » ne sont pas des signaux unaires. De plus, le nombre de bits d'un mot unaire est égal à sa longueur plus un. 5 Avantageusement et selon l'invention, la membrane est en matériau conducteur ou recouverte d'un matériau conducteur sur sa surface susceptible d'être en contact avec une ou des électrodes en cas de déformation de la membrane. Selon cet aspect de l'invention, la membrane permet la connexion électrique de 10 sorte à former le circuit fermé au contact de l'électrode. La membrane peut être en matière conductrice ou non, par exemple être dans une matière isolante ou présentant un risque de forte résistance de contact avec les électrodes, une couche d'un matériau conducteur, par exemple une couche métallique, pourra être disposées sous la membrane, du côté de la cavité hermétique, c'est-à-dire sur sa surface susceptible 15 d'être en contact avec une ou des électrodes en cas de déformation de la membrane. Avantageusement et selon une première variante de l'invention, chaque électrode est divisée en deux parties, une première partie reliée à l'alimentation électrique et une deuxième partie reliée au connecteur, et la membrane est configurée 20 pour relier la première partie et la deuxième partie pour former le circuit fermé. Selon cet aspect de l'invention, l'alimentation électrique est amenée par l'électrode et la membrane permet de relier les deux parties ensemble de sorte à former le circuit fermé lorsque la membrane rentre en contact avec l'électrode. 25 Avantageusement et selon une deuxième variante de l'invention, la membrane est reliée à l'alimentation électrique. Selon cet aspect de l'invention, c'est la membrane qui apporte l'alimentation et qui forme le circuit fermé lorsqu'elle rentre en contact avec l'électrode. 30 Avantageusement et selon cette deuxième variante de l'invention, les électrodes sont disposées de manière concentrique ou forment une matrice de point ou sont en 6 forme de U et disposés emboités les uns dans les autres. Selon ces différents aspects de l'invention, les configurations différentes des électrodes permettent d'obtenir des résultats différents en termes de précision, sensibilité, conductivité, résolution, encombrement, facilité de fabrication, etc. Ces 5 variantes seront davantage décrites plus loin en référence avec les figures. D'autres variantes de configuration des électrodes sont possibles. Avantageusement et selon l'invention, chaque circuit de mesure comprend une bascule de Schmitt. 10 Selon cet aspect de l'invention, la bascule de Schmitt permet de s'affranchir des fluctuations et des phénomènes transitoires qui peuvent apparaitre du fait de la déformation de la membrane et du contact entre la membrane et les électrodes qui répondent à une dynamique mécanique et électrique. 15 Avantageusement et selon l'invention, le capteur numérique de pression comprend un module de conversion convertissant le signal unaire en un signal binaire. Selon cet aspect de l'invention, le module de conversion permet de fournir à un signal binaire qui sera plus réduit en taille et plus facile à traiter par des équipements habitués à traiter un signal binaire, comme un calculateur de traitement de données ou 20 un réseau de communication par exemple. Par exemple, un signal unaire « 00111 » correspondant à trois électrodes en contact avec la membrane sur cinq électrodes au total, sera converti en signal binaire « 011 ». Trois bits sont suffisants car la valeur maximale du signal unaire est « 11111 » (correspondant aux cinq électrodes en contact avec la membrane) qui se convertit en signal binaire « 101 ». 25 Avantageusement et selon l'invention, le capteur numérique de pression comprend au moins trois électrodes et en ce que les distances entre chaque électrode consécutive est variable. Selon cet aspect de l'invention, la distance variable entre chaque électrode 30 permet d'améliorer la linéarité de la mesure de pression. En particulier, selon la façon dont se déforme la membrane du fait de la variation de la pression en fonction d'une 7 pression de référence Pref, les électrodes peuvent être disposées de façon différente : par exemple de façon à ce que lorsque qu'une pression Pref+x est appliquée à la membrane, une électrode soit en contact avec la membrane, lorsqu'une pression P,f+2x est appliquée à la membrane, deux électrodes soient en contact avec la membrane, 5 lorsqu'une pression Pref+3x est appliquée à la membrane, trois électrodes soient en contact avec la membrane, etc. Si la membrane nécessite une variation de pression de plus en plus importante pour entrer en contact avec davantage d'électrodes, les électrodes seront ainsi de plus en plus rapprochées. 10 L'invention concerne également un capteur numérique de pression caractérisé en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 15 lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - les figures la et lb sont des vues schématiques en coupe d'un capteur numérique de pression selon un premier mode de réalisation de l'invention, selon différentes valeurs de pression extérieure mesurée, 20 - la figure 2 est une vue schématique de dessus d'un capteur numérique de pression selon le premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un capteur numérique de pression selon un deuxième mode de réalisation, - les figures 4a, 4b et 4c sont des vues schématiques de dessus de différentes 25 configurations d'électrodes de capteurs numériques de pression selon différents modes de réalisation. 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque 30 référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de 8 différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. 5 Les figures la et lb représentent schématiquement en coupe un capteur 10 numérique de pression selon un premier mode de réalisation de l'invention, selon différentes valeurs de pression extérieure mesurée. Le capteur 10 numérique de pression permet la mesure d'une variation d'une pression extérieure relativement à une pression Pref de référence. En particulier, la figure la représente le capteur 10 10 numérique de pression lorsque la pression extérieure est égale à la pression de référence, c'est-à-dire lorsque la variation de la pression extérieure par rapport à la pression de référence est nulle. La figure lb représente le capteur numérique de pression lorsque la pression extérieure est supérieure à la pression de référence c'est-à-dire lorsque la variation de la pression extérieure par rapport à la pression de référence 15 est positive. Le capteur numérique de pression comprend, de façon connue, un support 12 comprenant un fond 14 entouré de parois 16, lesdites parois 16 permettant de maintenir un corps d'épreuve deformable constitué d'une membrane 18 délimitant, avec le support, une cavité 20 hermétique dont la pression interne est égale à la 20 pression de référence. Comme représenté sur la figure lb, la membrane se déforme sous l'effet de la pression extérieure, représentée par une pluralité de flèches. Dans l'art antérieur, la membrane pouvait jouer le rôle d'une électrode d'un condensateur et la mesure de la capacité de ce condensateur permettait de déterminer la variation de pression mesurée. 25 Dans le capteur 10 numérique de pression selon l'invention, la membrane 18 se déforme sous l'effet de la variation de pression jusqu'à entrer en contact avec une ou plusieurs électrodes 22 disposés sur le fond 14 du support, en regard de la membrane 18. Sur la figure lb, la membrane 18 est ainsi en contact avec trois électrodes. 30 La figure 2 représente schématiquement du dessus un capteur 10 numérique de pression selon le premier mode de réalisation de l'invention, notamment dans la 9 situation représentée à la figure lb. Les électrodes sont composés chacun de deux parties disposées sur le fond du support : les premières parties 24 des électrodes sont visibles ici sur la partie supérieure de la figure et sont reliées à une alimentation électrique VDD. Les deuxièmes parties 26 sont visibles ici sur la partie inférieure de la 5 figure et sont reliée chacune à un connecteur 28, les connecteurs 28 étant eux-mêmes chacun reliés à une masse GND via une haute impédance 29. Une électrode 22a centrale est située au centre du capteur et sera en contact en premier avec la membrane. Au niveau de chaque connecteur 28, un circuit 30 de mesure configuré pour mesurer la tension au niveau des connecteurs, ici représenté par un fil relié à chaque 10 connecteur 28. La tension relevé par les circuits 30 de mesure dépend de la déformation de la membrane 18 et donc de la pression extérieure mesurée. La membrane 18 est représentée ici en transparence selon une configuration identique à la figure lb, c'est-à-dire que sous l'effet de la pression extérieure, elle est déformée de sorte à entrer en 15 contact avec trois électrodes parmi l'ensemble des électrodes 22. En particulier, la membrane 18 (en matériau conducteur ou comprenant une couche de matériau conducteur) permet de fermer le circuit entre l'alimentation VDD et la masse GND en reliant les deux parties des trois électrodes avec laquelle elle est en contact. Ainsi, les connecteurs 28 reliés à ces électrodes sous soumis à une tension proche de VDD (aux 20 baisses de tension dues aux résistances des électrodes et de la membrane près). Cette tension est considérée comme un niveau haut et un bit associé aux électrodes dans cet état aura la valeur « 1 ». Lorsque la membrane 18 n'est pas en contact avec une électrode, la tension au niveau du connecteur sera égale à la tension de la masse, considérée comme un niveau bas et un bit associé aux électrodes dans cet état aura la 25 valeur « 0 ». Dans cet exemple, les bits forment un signal unaire « 00111 » qui est interprété comme une membrane 18 touchant trois électrodes. Le signal unaire ainsi obtenu peut être transmis à un calculateur qui en déduira la pression mesurée. Avant transmission, le signal unaire peut être traité par un multiplexeur pour simplifier la transmission. En 30 outre, le signal unaire peut être converti en signal binaire afin de réduire le nombre de bit nécessaire et donc la taille du signal à transmettre. 10 Comme représenté sur la figure, le capteur numérique comprend des électrodes supplémentaires identiques aux électrodes précédentes et disposées symétriquement par rapport à l'électrode 22a centrale, qui peuvent servir de vérifications supplémentaires pour une meilleure exactitude de mesure. 5 La figure 3 représente schématiquement du dessus un capteur 10' numérique de pression selon un deuxième mode de réalisation, identique au premier mode de réalisation auquel on ajoute des bascules 32 de Schmitt au niveau des circuits 30 de mesure afin de permettre une meilleure robustesse aux fluctuations de pression 10 mesurée, fluctuations de comportement dynamique de la membrane, fluctuations des contacts avec les électrodes ou fluctuations électriques, notamment comportement transitoires. Les figures 4a, 4b et 4c représentent schématiquement différents modes de 15 réalisation d'un capteur numérique de pression selon l'invention, notamment des configurations différentes d'électrodes au fond du support. Dans ces modes de réalisation, c'est la membrane qui est reliée à l'alimentation électrique et les électrodes sont en une seule partie. Lorsque la membrane vient en contact avec une ou plusieurs électrodes, elle forme un circuit fermé avec ces électrodes et les tensions associées au 20 niveau haut sont mesurée au niveau des connecteurs par les circuits de mesure. Comme dans le premier mode de réalisation, les électrodes sont avantageusement configurées de façon symétrique autour d'une électrode centrale qui sera la première à entrer en contact avec la membrane. Sur la figure 4a, le premier capteur 10a numérique de pression a des électrodes 25 122a disposées de manière concentrique. Sur la figure 4b, le deuxième capteur 10b numérique de pression a des électrodes 122b en forme de U et disposés emboités les uns dans les autres. Sur la figure 4c, le troisième capteur 10c numérique de pression a des électrodes 122c formant une matrice de points. 30 L'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. En particulier, 11 d'autres configurations d'électrodes REVENDICATIONS1. Capteur numérique de pression, adapté pour mesurer une variation de pression relativement à une pression de référence, comprenant : - un support (12), comprenant un fond (14) entouré de parois (16), - un corps d'épreuve deformable constitué d'une membrane (18) reliée au support au niveau des parois (16), formant avec ledit support (12) une cavité (20) hermétique dont la pression interne est égale à la pression de référence, et configurée pour se déformer sous l'effet de la variation de pression extérieure à la cavité (20) hermétique, caractérisé en ce que le capteur numérique de pression comprend : - au moins deux électrodes (22, 22a, 122a-c) disposées sur le fond (14) du support, en regard de la membrane (18), chaque électrode étant électriquement séparée de la ou des autres électrodes, - au moins deux connecteurs (28), chacun étant relié d'une part à une électrode et d'autre part à une masse (GND) via une haute impédance (29), - une alimentation (VDD) électrique, - au moins deux circuits (30) de mesure, configurés pour mesurer la tension au niveau des connecteurs, et en ce que la membrane (18) est configurée pour, suite à sa déformation sous l'effet de la variation de pression extérieure, entrer en contact avec une ou plusieurs électrodes de sorte à former au moins un circuit fermé entre l'alimentation électrique et la masse via au moins une électrode, et en ce que les circuits (30) de mesure sont adaptés pour fournir les mesures de tensions sur chaque connecteur (28) sous la forme d'un signal unaire indiquant, pour chaque électrode, si le circuit formé via cette électrode est fermé ou ouvert. 2. Capteur numérique de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (18) est en matériau conducteur ou recouverte d'un matériau conducteur sur sa surface susceptible d'être en contact avec une ou des électrodes en cas de déformation de la membrane (18). 3. Capteur numérique de pression selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque électrode est divisée en deux parties, une première partie 5 (24) reliée à l'alimentation électrique et une deuxième partie (26) reliée au connecteur (28), et en ce que la membrane (18) est configurée pour relier la première partie et la deuxième partie pour former le circuit fermé. 4. Capteur numérique de pression selon l'une des revendications 1 ou 2, 10 caractérisé en ce que la membrane (18) est reliée à l'alimentation électrique. 5. Capteur numérique de pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes (122a) sont disposées de manière concentrique. 15 6. Capteur numérique de pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes (122b) sont en forme de U et disposés emboités les uns dans les autres. 7. Capteur numérique de pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes (122c) forment une matrice de point. 20 8. Capteur numérique de pression selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque circuit de mesure comprend une bascule (32) de Schmitt. 9. Capteur numérique de pression selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé 25 en ce qu'il comprend un module de conversion convertissant le signal unaire en un signal binaire. 10. Capteur numérique de pression selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois électrodes et en ce que les distances entre chaque 30 électrode consécutive est variable. 13