Brevet FR3103564A1 — publié le 20210528

L’invention concerne un capteur (1) capacitif pour véhicule automobile, ledit capteur (1) comprenant une capacité de stockage (Cext) comportant une première branche (B1) et une deuxième branche (B2), une capacité de détection (Ce) comportant une première branche (D1), reliée à la deuxième branche (B2) de la capacité de stockage (Cext) au niveau d’un point milieu (A), et une deuxième branche (D2), destinée à être reliée à une masse (M), un premier interrupteur (S1), un deuxième interrupteur (S2), un troisième interrupteur (S3), ledit capteur (1) capacitif comprenant une résistance de polarisation (Rpolar) connectée d’une part entre le point milieu (A) de la capacité de stockage (Cext) et de la capacité de détection (Ce) et d’autre part à la deuxième branche (S12) du premier interrupteur (S1). Figure 6 Capteur anti-bruit pour véhicule automobile L’invention concerne le domaine des capteurs pour véhicules automobiles et plus particulièrement un capteur capacitif pour véhicule automobile. L’invention vise notamment à améliorer la robustesse au bruit basse-fréquence des capteurs capacitifs pour véhicule automobile. Etat de la technique Dans un véhicule automobile, il est connu d’utiliser des capteurs capacitifs pour détecter la présence d’un utilisateur. Un capteur capacitif peut par exemple être monté dans une poignée de portière du véhicule afin de détecter la présence d’une main sur ladite poignée et déverrouiller la portière. Un capteur capacitif peut par exemple également être monté sous la malle arrière du véhicule afin de détecter la présence d’un pied à proximité et permettre ainsi l’ouverture de ladite malle. Différents types de technologie de capteurs capacitifs peuvent être utilisés selon l’application. En particulier, dans le cas d’un capteur de détection de la présence d’un pied sous une malle arrière de véhicule, il est notamment connu d’utiliser un capteur capacitif basé sur le principe de mesure du diviseur capacitif amplifié (Amplified Capacitive Divider ou ACD). Ce principe de mesure permet de mesurer la variation d’une capacité au cours du temps. Ce principe est basé sur l’utilisation d’un pont diviseur de tension capacitif réalisé avec une capacité physique dite « de stockage » (composant électronique soudé sur un circuit imprimé) et un élément sensible se présentant sous la forme d’une électrode modélisée par une capacité dite « de détection ». Lorsque le pied de l’utilisateur s’approche de l’électrode, il en résulte une augmentation de la valeur de capacitance de l’électrode. On a représenté à la figure 1 un exemple d’un tel capteur 100 capacitif. Le capteur 100 comprend un premier interrupteur S1 connecté d’une part au point milieu de l’ensemble formé par la capacité de stockage Cext et la capacité de détection Ce et d’autre part à une tension d’alimentation Vcc. La capacité de détection Ce est connectée par ailleurs à une masse M tandis que la capacité de stockage Cext est reliée par ailleurs au point milieu d’un ensemble formé par un deuxième interrupteur S2 et un troisième interrupteur S3, ledit deuxième interrupteur S2 étant d’autre part relié à la tension d’alimentation Vcc et ledit troisième interrupteur S3 étant d’autre part relié à la masse M. Une capacité dite « parasite » C dparasitic est connectée entre la masse et le point milieu de la capacité de stockage Cext et de la capacité de détection Ce. Cette capacité parasite C dparasitic correspond à une capacité représentant les bruits parasites du circuit. La mesure de capacité permettant la détection de présence ou d’absence d’un utilisateur à proximité du capteur 100 est réalisée en deux étapes. Tout d’abord, une étape d’initialisation est réalisée en fermant le premier interrupteur S1 et le deuxième interrupteur S2 et en ouvrant le troisième interrupteur S3, ce qui a pour effet de charger la capacité de détection Ce à la tension d’alimentation Vcc tout en déchargeant la capacité de stockage Cext qui se retrouve court-circuitée. Lorsque le circuit se stabilise, l’étape d’initialisation est interrompue en ouvrant le premier interrupteur S1. Ensuite, une étape de partage est réalisée en ouvrant le deuxième interrupteur S2 et en fermant le troisième interrupteur S3 de sorte que la tension dite « de détection » Vc e définie aux bornes de la capacité de détection Ce diminue jusqu’à une valeur définie selon l’équation suivante : La tension de détection Vc e est amplifiée et numérisée par un convertisseur analogique-numérique ADC (Analog Digital Converter). Lorsqu’un utilisateur approche le pied du capteur 100, la capacitance de la capacité de détection Ce augmente, ce qui augmente la valeur de la tension de détection Vc e . On a représenté à la figure 2 le capteur de la figure 1 couplé à une source de bruit 200. Cette source de bruit 200 est modélisée sur la figure 2 à l’aide d’un modèle dit « de perturbation BCI » (Bulk Current Injection pour injection de courant), connu en soi, qui teste l’immunité du capteur aux sources de bruits couplées puis conduites au faisceau de câble d’alimentation et de communication connecté au capteur. Ce modèle comporte une source de tension V DISR sinusoïdale à la fréquence de la perturbation et couplée avec le capteur, ce couplage étant modélisé par la capacité de perturbation C disruption connectée au point milieu de l’ensemble formé par la capacité de stockage Cext et la capacité de détection Ce. Cette source de tension V DISR est caractérisée par sa tension crête (notée ci-après Vpeak) et sa pulsation (notée ci-après w) qui varie en fonction du temps (noté ci-après t). On a représenté sur les figures 3 à 5 des exemples de comportement du circuit de la figure 2 en schéma équivalent dit « petits signaux », c’est-à-dire pour des signaux dont les valeurs ne varient pas suffisamment pour que les caractéristiques des composants varient peu et restent dans une approximation linéaire. En présence de cette source de bruit 200, lorsque le premier interrupteur S1 est fermé, la capacité de détection Ce n’est pas impactée par la perturbation, la tension de détection Vc e est égale à la tension d’alimentation Vcc et la capacité de perturbation C disru p tion est connectée à la masse M, illustrée à la figure 3, en schéma équivalent petits signaux. En présence de cette source de bruit 200, lorsque le premier interrupteur S1 est ouvert (le deuxième interrupteur S2 étant ouvert et le troisième interrupteur S3 étant fermé dans l’étape de partage), la capacité de détection Ce se retrouve en parallèle de la capacité de stockage Cext si bien que les valeurs de ces deux capacités s’ajoutent (figure 4). La tension de détection Vc e résultante dépend du temps et s’exprime selon l’équation suivante : où ∆V disruption est le décalage de tension lorsque la moyenne du terme additionnel V DC_Added n’est pas nulle. Plus précisément, le décalage de tension ∆V disruption en fonction du temps t s’écrit : où t 0 correspond à l’instant d’ouverture du premier interrupteur S1, V peak est la tension crête du signal et w est la pulsation du signal. L’effet de ce décalage de tension est illustré sur la figure 5 qui décrit trois exemples d’évolution de la tension de détection Vc e en fonction de l’état du premier interrupteur S1 et de la présence ou non d’une source de bruit 200 qui créée une perturbation. Dans le premier exemple (à gauche de la figure 5), la tension de détection Vc e varie en l’absence de source de bruit 200. On constate que, lorsque le premier interrupteur S1 passe de l’état ouvert (état (I) sur la figure 5) à l’état fermé (état (II) sur la figure 5) et que le deuxième interrupteur S2 est ouvert, puis que le troisième interrupteur S3 est fermé, la tension de détection Vc e passe à Vcc / 2 (dans cette simulation, les capacités Ce et Cext sont de valeur égale). Dans le deuxième exemple (milieu de la figure 5), la tension de détection Vc e varie en présence d’une source de bruit 200 déphasée de 90°. Dans cet exemple, la perturbation DISR causée par la source de bruit 200 est à la valeur maximale lorsque le premier interrupteur S1 s'ouvre (passage de l’état (I) à l’état (II) sur la figure 5). A l’ouverture, la capacité Ce devient flottante et une fraction de la perturbation DISR s’ajoute au signal de tension de détection Vc e . Autrement dit, une tension continue s’ajoute à la tension de détection Vc e . La valeur de cette tension continue est égale à: où V peak est la tension crête du signal en présence de la perturbation DISR. Dans le troisième exemple (à droite de la figure 5), la tension de détection Vc e varie en présence d’une source de bruit 200 déphasée de 270°. Dans cet exemple, la perturbation DISR causée par la source de bruit 200 est à la valeur minimale lorsque le premier interrupteur S1 s'ouvre (passage de l’état (I) à l’état (II) sur la figure 5). A l’ouverture, la capacité Ce devient flottante et une fraction de la perturbation DISR s’ajoute au signal de tension de détection Vc e . Autrement dit, une tension continue s’ajoute à la tension de détection Vc e . La valeur de cette tension continue est égale à: où V peak est la tension crête du signal en présence de la perturbation DISR. Ainsi, on constate que le terme additionnel V DC_Added peut s’écrire plus généralement selon l’équation suivante : où φ est la phase du sinus de la perturbation DISR à l’instant d’ouverture du premier interrupteur S1. En résumé, le capteur capacitif amplifie puis mesure la valeur de la tension de détection Vc e qui résulte du pont diviseur capacitif. Si la valeur de la tension continue varie en fonction d’une perturbation cela se traduit par du bruit de mesure. A chaque mesure le phasage entre la fermeture du premier interrupteur S1 et le sinus de la perturbation à une très grande probabilité d’être différente, générant alors l’ajout d’une tension continue V DC_Added aléatoire à chaque mesure. 6. Lors des tests réalisés à partir de la source de bruit 200, cette valeur de tension peut être largement plus grande que la variation de tension généré par l’approche d’un pied rendant ainsi impossible la détection dudit pied, mais pouvant aussi causer des fausses détections si la signature de la variation de tension dû à la perturbation ressemble à la signature du passage d’un pied. Il existe donc le besoin d’une solution simple, fiable et efficace permettant de remédier au moins en partie à ces inconvénients. A cette fin, l’invention concerne tout d’abord un capteur capacitif pour véhicule automobile, ledit capteur comprenant : une capacité de stockage comportant une première branche et une deuxième branche, une capacité de détection comportant une première branche, reliée à la deuxième branche de la capacité de stockage au niveau d’un point milieu, et une deuxième branche, destinée à être reliée à une masse, un premier interrupteur comportant une première branche, destinée à être reliée à une tension d’alimentation, et une deuxième branche, un deuxième interrupteur, comportant une première branche, destinée à être reliée à la tension d’alimentation, et une deuxième branche, un troisième interrupteur, comportant une première branche, reliée à la deuxième branche du deuxième interrupteur au niveau d’un point milieu, et une deuxième branche, destinée à être reliée à la masse, la première branche de la capacité de stockage étant reliée audit point milieu, ledit capteur capacitif étant remarquable en ce qu’il comprend une résistance de polarisation connectée d’une part entre le point milieu de la capacité de stockage et de la capacité de détection et d’autre part à la deuxième branche du premier interrupteur. Le capteur selon l’invention permet d’atténuer voire de supprimer l’influence des bruits du moteur du véhicule sur les mesures du capteur de manière à réduire voire éviter à la fois les non-détections ou les fausses détections par le capteur. Avantageusement, la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 20 kΩ, voire 50 kΩ. De préférence, la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 65 kΩ. De préférence encore, la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 100 kΩ voire à 150 kΩ. Selon un aspect de l’invention, le capteur comprend un circuit imprimé sur lequel est montée la résistance de polarisation. De manière avantageuse, la capacité de stockage est montée sur le circuit imprimé. L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant au moins un capteur capacitif tel que présenté précédemment. Selon une caractéristique de l’invention, le véhicule comprend une unité de contrôle électronique reliée à l’au moins un capteur et apte à contrôler le premier interrupteur, le deuxième interrupteur et le troisième interrupteur en ouverture et en fermeture. Description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : : la figure 1 illustre schématiquement une forme de réalisation d’un capteur de l’art antérieur. : la figure 2 illustre le capteur de la figure 1 connecté à une source de bruit. : la figure 3 illustre un schéma électrique équivalent du circuit de la figure 2 lorsque le premier interrupteur est fermé. : la figure 4 illustre un schéma électrique équivalent du circuit de la figure 2 lorsque le premier interrupteur est ouvert. : la figure 5 illustre trois exemples d’évolution de la tension de détection du circuit de la figure 2 en fonction l’absence ou de la présence d’une perturbation causée par la source de bruit. : la figure 6 illustre schématiquement une forme de réalisation d’un capteur selon l’invention. : la figure 7 illustre un schéma électrique équivalent du circuit de la figure 6 lorsque le premier interrupteur est fermé. : la figure 8 illustre un schéma électrique équivalent du circuit de la figure 6 lorsque le premier interrupteur est ouvert. : la figure 9 illustre un exemple d’évolution du rapport de l’impédance du premier interrupteur fermé sur l’impédance du premier interrupteur ouvert en fonction de la valeur de la résistance de polarisation Rpolar. Description détaillée d’au moins un mode de réalisation Le capteur capacitif selon l’invention est destiné à être monté dans un véhicule automobile, par exemple afin de détecter la présence d’un utilisateur, notamment un pied ou une main, à proximité dudit capteur afin de permettre d’activer une ou plusieurs fonctions du véhicule. Par exemple, le capteur capacitif selon l’invention peut être utilisé pour détecter la présence d’un pied humain et déverrouiller une malle arrière de véhicule lorsque ledit pied passe ou se positionne suffisamment près du capteur, par exemple à moins de 10 ou 20 cm. On a représenté à la figure 6 une forme de réalisation du capteur 1 capacitif selon l’invention. Le capteur 1 comprend une capacité de stockage Cext, une électrode se présentant sous la forme d’une capacité de détection Ce, un premier interrupteur S1, un deuxième interrupteur S2, un troisième interrupteur S3 et une résistance de polarisation R polar . Le capteur 1 est destiné à être relié à une unité de contrôle électronique du véhicule (non représentée) qui est apte à contrôler le premier interrupteur S1, le deuxième interrupteur S2 et le troisième interrupteur S3 en ouverture et en fermeture. Le capteur 1 est couplé à une source de bruit 2 générée par le moteur de véhicule. Cette source de bruit 200 est modélisée sur la figure 6 à l’aide d’un modèle dit « de perturbation BCI » (Bulk Current Injection) qui teste l’immunité du capteur aux sources de bruits couplées puis conduites au faisceau de câble d’alimentation et de communication connecté au capteur. Ce modèle comporte une source de tension sinusoïdale V DISR à la fréquence de la perturbation et couplée avec le capteur, ce couplage étant modélisé par la capacité de perturbation C disruption connectée au point milieu de l’ensemble formé par la capacité de stockage Cext et la capacité de détection Ce. La capacité de stockage Cext comporte une première branche B1 et une deuxième branche B2. La capacité de détection Ce comporte une première branche D1, reliée à la deuxième branche B2 de la capacité de stockage Cext au niveau d’un point milieu A, et une deuxième branche D2, reliée à une masse M. Le premier interrupteur S1 comporte une première branche S11, reliée à une tension d’alimentation Vcc, et une deuxième branche S12. Le deuxième interrupteur S2 comporte une première branche S21, reliée à la tension d’alimentation Vcc, et une deuxième branche S22. Le troisième interrupteur S3 comporte une première branche S31, reliée à la deuxième branche S22 du deuxième interrupteur S2 au niveau d’un point milieu B, et une deuxième branche S32, reliée à la masse M, la première branche de la capacité de stockage Cext étant reliée audit point milieu B. La résistance de polarisation R polar connectée d’une part entre le point milieu A de la capacité de stockage Cext et de la capacité de détection Ce et d’autre part à la deuxième branche S12 du premier interrupteur S1. La mise en œuvre du capteur capacitif va maintenant être décrite en référence aux figures 7 à 9. Tout d’abord, lorsque le premier interrupteur S1 est fermé, la capacité de détection Ce se trouve en parallèle de la capacité de stockage Cext en schéma équivalent petits signaux si bien que les valeurs de ces deux capacités s’ajoutent comme illustré sur la figure 7, la résistance de polarisation R polar étant elle-même en parallèle de la capacité de détection Ce et de la capacité de stockage Cext. En effet, en schéma équivalent petits signaux, la résistance de polarisation R polar est connectée à la tension d’alimentation Vcc qui peut être considée comme la masse M en schéma équivalent petits signaux. Dans ce cas, la tension de détection Vc e aux bornes de la capacité de détection Ce en fonction du temps t est définie selon l’équation suivante : où Z1 est l’impédance équivalente à la pulsation de perturbation w de l’ensemble formé par la résistance de polarisation R polar connectée en parallèle avec la somme de la capacité de stockage Cext et de la capacité de détection Ce et Z Cdisrupt est l’impédance équivalente à la pulsation de perturbation w de la capacité C disruption . Ensuite, lorsque le premier interrupteur S1 est ouvert, la résistance de polarisation R polar est déconnectée et la capacité de détection Ce se trouve en parallèle de la capacité de stockage Cext si bien que les valeurs de ces deux capacités s’ajoutent comme illustré sur la figure 8. Dans ce cas, la tension de détection Vc e aux bornes de la capacité de détection Ce est définie selon l’équation suivante : où Z2 est l’impédance équivalente à la pulsation de perturbation w de l’ensemble formé par la capacité de stockage Cext et la capacité de détection Ce connectées en parallèle et Z Cdisrupt est l’impédance équivalente à la pulsation de perturbation w de la capacité C disruption .. Ainsi, pour éviter que la perturbation ajoute une composante continue à l’ouverture du premier interrupteur S1, il faut que la tension de détection Vc e aux bornes de la capacité de détection Ce reste constante, c’est-à-dire gare la même valeur avant et après l’ouverture du premier interrupteur S1. Il faut donc idéalement que : L’impédance de la résistance de polarisation R polar en parallèle avec l’impédance Z2 correspond à l’impédance Z1. Par conséquent, si l’impédance de la résistance de polarisation R polar est grande devant Z2 alors Z1 tendra vers Z2 et la valeur de la tension de détection Vc e sera sensiblement la même quel que soit l’état du premier interrupteur S1. Il convient donc de choisir une valeur de résistance de polarisation R polar très supérieure à Z2 afin de réduire significativement, voire quasiment annuler, les effets des perturbations causées par une source de bruit 2. Les termes et sont les ratios d’impédances vu par la perturbation DISR quand le premier interrupteur S1 est respectivement ouvert et fermé. Pour simplifier l’écriture ils seront par la suite appelés et Le ratio peut alors être analysé afin de juger de l’amélioration. Sans la résistance de polarisation Rpolar, l’impédance vaut 0 et le meilleur cas possible est l’égalité soit un ratio de 1. Un résultat à 0.5 voudra dire que l’on a atténué de 50 % la perturbation, un résultat à 0,75 que l’on a atténué de 75 % et ainsi de suite. Exemple numérique En prenant C disruption = 0,5 pF ; Ce + Cext = 50 pF ; w = 2*(100 kHz), on a : Le calcul de pour différentes valeurs de la résistance de polarisation R polar est donné dans le tableau suivant : R polar 1kΩ 10kΩ 30kΩ 50kΩ 70kΩ 90kΩ 130kΩ 170kΩ 0.0003 0.003 0.0068 0.0084 0.009 0.0093 0.0096 0.0097 0.0317 0.3024 0.6895 0.846 0.9118 0.9438 0.9718 0.9832 On a illustré à la figure 9 l’évolution du rapport de l’impédance du premier interrupteur fermé sur l’impédance du premier interrupteur ouvert en fonction de la valeur de la résistance de polarisation R polar pour les valeurs de l’exemple utilisé précédemment (Table 1). Ainsi, on remarque qu’une valeur de la résistance de polarisation R polar supérieure à 65 kΩ permet de supprimer plus de 90 % du phénomène de perturbation dû à la source de bruit 2. L’invention permet ainsi de réduire drastiquement les perturbations des capteurs capacitifs dues au bruit généré par un moteur de véhicule automobile de manière simple, fiable et efficace. Capteur (1) capacitif pour véhicule automobile, ledit capteur (1) comprenant : une capacité de stockage (Cext) comportant une première branche (B1) et une deuxième branche (B2), une capacité de détection (Ce) comportant une première branche (D1), reliée à la deuxième branche (B2) de la capacité de stockage (Cext) au niveau d’un point milieu (A), et une deuxième branche (D2), destinée à être reliée à une masse (M), un premier interrupteur (S1) comportant une première branche (S11), destinée à être reliée à une tension d’alimentation (Vcc), et une deuxième branche (S12), un deuxième interrupteur (S2), comportant une première branche (S21), destinée à être reliée à la tension d’alimentation (Vcc), et une deuxième branche (S22), un troisième interrupteur (S3), comportant une première branche (S31), reliée à la deuxième branche (S22) du deuxième interrupteur (S2) au niveau d’un point milieu (B), et une deuxième branche (S32), destinée à être reliée à la masse (M), la première branche (B1) de la capacité de stockage (Cext) étant reliée audit point milieu (B), ledit capteur (1) capacitif étant caractérisé en ce qu’il comprend une résistance de polarisation (Rpolar) connectée d’une part entre le point milieu (A) de la capacité de stockage (Cext) et de la capacité de détection (Ce) et d’autre part à la deuxième branche (S12) du premier interrupteur (S1). Capteur (1) selon la revendication 1, dans lequel la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 20 kΩ. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 50 kΩ. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 65 kΩ. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 100 kΩ. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la valeur de la résistance de polarisation est supérieure à 150 kΩ. Capteur (1) selon l’une des revendications précédentes, ledit capteur comprend un circuit imprimé sur lequel est montée la résistance de polarisation. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la capacité de stockage est montée sur le circuit imprimé. Véhicule automobile comprenant au moins un capteur (1) capacitif selon l’une des revendications précédentes. Véhicule selon la revendication précédente, ledit véhicule comprenant une unité de contrôle électronique reliée à l’au moins un capteur (1) et apte à contrôler le premier interrupteur (S1), le deuxième interrupteur (S2) et le troisième interrupteur (S3) en ouverture et en fermeture.