FR2937742A1 - Accelerometre en boucle ouverte a conversion sigma delta - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un accéléromètre fournissant un signal binaire modulé de type sigma-delta et comportant - une masse sismique mobile suspendue élastiquement, des électrodes mobiles (AM1, AM2) sur la masse mobile et des électrodes fixes (AF1, AF2) sur une partie fixe de l'accéléromètre pour constituer deux capacités de mesure (Cv1, Cv2) variant en sens opposé en fonction du déplacement de la masse mobile, - un circuit d'intégration (A1, Cint) à capacités commutées pour appliquer cycliquement aux deux armatures fixes des capacités de mesure un premier groupe de deux potentiels pendant une première phase (phi1) d'un cycle et un deuxième groupe de deux autres potentiels opposés aux potentiels du premier groupe pendant une deuxième phase (phi2) du cycle, et pour transférer des électrodes mobiles vers une capacité d'intégration (Cint) lors de la deuxième phase une charge liée aux potentiels appliqués et aux valeurs des capacités de mesure, - un circuit de comparaison (COMP) connecté à la sortie du circuit d'intégration, fournissant une sortie binaire (Q) fonction de l'évolution de la charge de la capacité d'intégration , - un circuit de contre-réaction pour sélectionner des valeurs de potentiels différentes à appliquer aux électrodes fixes des capacités de mesure en fonction de la valeur binaire de la sortie du circuit de comparaison.

Description

ACCELEROMETRE EN BOUCLE OUVERTE A CONVERSION SIGMA DELTA L'invention concerne les accéléromètres, fournissant un signal électrique représentant l'accélération subie, et notamment les accéléromètres miniatures réalisés selon les techniques de micro-usinage inspirées des techniques de fabrication de circuits intégrés sur silicium.

Le principe d'un accéléromètre est le suivant : une masse sismique mobile est suspendue élastiquement par rapport à un cadre fixe ; elle se déplace sous l'effet d'une accélération et le déplacement est limité par la force de rappel de la suspension ; la masse et le cadre portent des électrodes en vis-à-vis ; la capacité entre les électrodes en vis-à-vis est fonction de la distance entre ces électrodes (ou parfois fonction de la surface variable en regard entre les électrodes), et la distance (ou la surface en regard) est elle-même fonction du déplacement de la masse sismique sous l'effet de l'accélération. En général, deux capacités sont prévues, comportant chacune une électrode mobile (sur la masse sismique) et une électrode fixe (sur le cadre fixe) ; ces deux capacités sont disposées de telle manière qu'elles varient en sens inverse lorsque la masse sismique se déplace, et qu'elles ont la même valeur lorsque la masse est à sa position d'équilibre en l'absence d'accélération. Il existe deux grandes catégories d'accéléromètres : ceux qui sont 20 asservis et ceux qui fonctionnent en boucle ouverte. Dans les accéléromètres asservis on applique à la masse sismique des forces électrostatiques de contre-réaction, d'amplitude telle que la masse reste en permanence au voisinage de sa position au repos, et on mesure la force de rappel électrostatique qu'il faut appliquer à la masse pour 25 la maintenir à sa position d'équilibre. Cette force de rappel est produite par une tension appliquée à des électrodes de rappel. La position d'équilibre est celle qui rend égales les deux capacités variant en sens inverse. Les accéléromètres asservis, ou accéléromètres en boucle fermée, ont l'avantage d'être très linéaires. Or la linéarité de la mesure, c'est-à-dire 30 l'absence de distorsion de la courbe de réponse représentant l'amplitude de signal électrique en fonction de l'accélération, est un paramètre très important.

Malheureusement, les accéléromètres asservis nécessitent une circuiterie électronique complexe et coûteuse car l'asservissement doit prendre en compte les caractéristiques mécaniques de l'accéléromètre si on veut stabiliser correctement la boucle d'asservissement ; ils sont donc coûteux, et de plus ils nécessitent des tensions d'alimentation relativement élevées (10 ou 20 volts) pour engendrer des forces électrostatiques suffisantes. Enfin, ils consomment beaucoup d'énergie pour maintenir en permanence la masse sismique à sa position d'équilibre. Les accéléromètres non asservis, fonctionnant en boucle ouverte, ne comportent pas d'électrodes supplémentaires pour appliquer une force de rappel électrostatique. La masse sismique se déplace et la valeur de son déplacement est une mesure de l'accélération subie, sachant que le déplacement est limité par la force de rappel linéaire engendrée par l'élasticité des bras de suspension de la masse. Le déplacement est lui- même mesuré à partir d'une observation des valeurs des capacités variables : l'une diminue pendant que l'autre augmente, selon le sens de l'accélération subie. Les valeurs des capacités variables sont mesurées en général par des tensions électriques. Les accéléromètres non asservis sont plus simples et 20 consomment beaucoup moins d'énergie que les accéléromètres asservis, mais ils présentent des défauts de linéarité.

Par ailleurs, on a déjà proposé de réaliser des accéléromètres pourvus d'un convertisseur analogique-numérique de type sigma-delta, 25 fournissant une succession de bits dont la valeur moyenne représente le signal mesuré. Dans ces convertisseurs, on établit à partir du déplacement de la masse sismique une tension ou un courant ou une charge électrique représentant la mesure d'accélération, et on convertit en un flux binaire les variations de cette tension, ce courant, ou cette charge, au moyen d'un 30 modulateur sigma-delta fournissant un flux binaire dont la moyenne temporelle représente l'accélération. Ou bien, on intègre périodiquement dans une capacité d'intégration (en deux ou quatre phases périodiques) des variations de charge engendrées par l'application de tensions de référence aux armatures fixes des deux capacités variables, et on réinjecte à chaque 35 phase dans la capacité d'intégration une charge élémentaire qui tend à compenser les variations de charge de la capacité d'intégration ; le sens de la réinjection est tel qu'on tend à maintenir sensiblement à zéro la charge de la capacité d'intégration. Un comparateur détecte périodiquement les variations de charge de la capacité d'intégration, et la sortie du comparateur contrôle le signe de la réinjection de charge élémentaire. La sortie binaire périodique du comparateur fournit le flux binaire de type sigma/delta dont la valeur moyenne représente la mesure d'accélération recherchée. Dans ce type d'accéléromètre, pour réinjecter dans la capacité d'intégration une charge élémentaire, on applique cette charge sous forme d'une tension fixe (dont le signe varie) aux armatures mobiles des capacités variables ; ces armatures sont en effet reliées à la capacité d'intégration pendant au moins une phase du cycle. On a constaté que ces accéléromètres présentent les mêmes défauts de linéarité que les accéléromètres en boucle ouverte qui fournissent 15 une tension analogique dérivée des variations des capacités variables.

L'invention a pour but de proposer un accéléromètre fonctionnant en boucle ouverte, dans lequel on établit un flux de données binaire dont la moyenne temporelle représente l'accélération mesurée, l'accéléromètre 20 ayant une très bonne linéarité.

Selon l'invention, on propose un accéléromètre comportant - une masse sismique mobile suspendue élastiquement, des électrodes mobiles sur la masse mobile et des électrodes fixes sur une partie 25 fixe de l'accéléromètre pour constituer deux capacités de mesure variant en sens opposé en fonction du déplacement de la masse mobile, - un circuit d'intégration à capacités commutées pour appliquer cycliquement aux deux électrodes fixes des capacités de mesure un premier groupe de deux potentiels pendant une première phase d'un cycle et un 30 deuxième groupe de deux autres potentiels opposés aux potentiels du premier groupe pendant une deuxième phase du cycle, et pour transférer des électrodes mobiles vers une capacité d'intégration, lors de la deuxième phase, une charge liée aux potentiels appliqués et aux valeurs des capacités de mesure, - un circuit de comparaison connecté à la sortie du circuit d'intégration, fournissant une sortie binaire qui varie en fonction de l'évolution de la charge de la capacité d'intégration, cet accéléromètre étant caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de contre-réaction dont l'entrée reçoit la sortie binaire, pour modifier les valeurs de potentiel du premier groupe et du deuxième groupe, appliquées aux électrodes fixes, en fonction de la valeur de la sortie binaire.

De préférence, pour un premier état de la sortie binaire les potentiels ~o appliqués respectivement aux deux électrodes sont respectivement Vrefl-Vref2 et -Vrefl -Vref2 pendant la première phase, et -Vrefl + Vref2, et Vrefl +Vref2 pendant la deuxième phase, alors que pour un deuxième état de la sortie binaire les potentiels appliqués aux deux mêmes électrodes sont respectivement Vrefl+Vref2 et -Vrefl+Vref2 pendant la première phase et 15 -Vrefl -Vref2 et Vrefl-Vref2 pendant la deuxième phase, Vrefl et Vref2 étant deux niveaux de potentiels de référence et Vref2 étant différent de zéro. Les valeurs de potentiels de référence Vrefl et Vref2 peuvent avoir des valeurs préférentielles qui, dans un premier mode de réalisation, sont 20 égales, et, dans un deuxième mode de réalisation sont telles que Vref2 = (Vrefl)/2. En pratique, les potentiels de référence sont définis par rapport à une masse commune et les électrodes mobiles sont reliées à cette masse pendant la première phase et à une entrée inverseuse d'un amplificateur 25 opérationnel pendant la deuxième phase. L'entrée non-inverseuse est reliée à la masse pour un montage non différentiel, ou à un deuxième circuit à capacités commutées symétrique du premier pour un montage complètement différentiel. La capacité d'intégration dans laquelle est opéré un transfert de 30 charges pendant la deuxième phase est une capacité de contre-réaction connectée entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel. Un deuxième circuit d'intégration peut être inséré entre la sortie du premier circuit d'intégration et l'entrée du circuit de comparaison, un 35 sommateur pondéré étant prévu pour effectuer une somme pondérée de la sortie du premier circuit d'intégration et de la sortie du deuxième, la somme pondérée étant appliquée à l'entrée du comparateur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 5 à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un circuit de mesure d'accélération proposé antérieurement ; - la figure 2 représente un circuit de mesure d'accélération selon 10 l'invention ; - la figure 3 représente une variante de réalisation avec un intégrateur double.

On rappelle d'abord les principes généraux régissant le 15 fonctionnement des accéléromètres en boucle ouverte : en pratique, l'accéléromètre comporte au moins deux capacités Cv1 et Cv2 constituées chacune par une armature ou électrode mobile (attachée à la masse sismique mobile) et une armature ou électrode fixe (attachée au substrat auquel la masse sismique est reliée par des bras de suspension élastiques). 20 Les électrodes ont des surfaces en regard identiques pour les deux capacités. La structure est construite de manière symétrique de sorte que les capacités ont des valeurs égales lorsque la masse sismique est à sa position d'équilibre et qu'elles varient en sens inverse lorsque la masse sismique se déplace hors de sa position d'équilibre dans la direction où on veut mesurer 25 l'accélération. Dans ce qui suit, on considère que la direction de déplacement est perpendiculaire aux surfaces des électrodes en regard, et c'est donc la distance d entre armatures de capacité qui varie lorsque la masse se déplace sous l'effet de l'accélération. La distance d diminue pour l'une des 30 capacités pendant que l'épaisseur augmente pour l'autre. La valeur des capacités varie comme on le sait en proportion inverse de cette distance. La position d'équilibre est celle pour laquelle les capacités ont des valeurs identiques, ce qui implique que les électrodes fixe et mobile des deux capacités sont à une même distance do l'une de l'autre.

En fonction de la structure physique de l'accéléromètre fonctionnant en boucle ouverte, on sait modéliser le déplacement d qui est engendré par une force d'accélération donnée y (gamma). Le modèle fait intervenir de nombreux paramètres qui sont la raideur mécanique (rapport de proportionnalité entre déplacement et force de rappel) des ressorts de suspension, les coefficients de friction, la masse, mais aussi les forces électrostatiques exercées sur la masse mobile du fait que les électrodes fixes et mobiles sont portées à des potentiels permettant d'effectuer la mesure de capacité ; ces potentiels créent en effet sur les électrodes en vis-à-vis des charges engendrant des forces d'attraction ou de répulsion. En ce qui concerne ces forces électrostatiques, on comprend qu'elles s'équilibrent mutuellement et n'agissent pas sur la masse lorsque la masse mobile est à sa position d'équilibre, car elles engendrent des forces égales mais opposées, à condition bien sûr que les potentiels de mesure appliqués aux électrodes des capacités soient identiques pour les deux capacités. Mais, du fait que l'accéléromètre fonctionne en boucle ouverte, la masse se déplace de sa position d'équilibre et les forces électrostatiques engendrées par les potentiels de mesure ne sont plus égales de part et d'autre de la masse ; pour un même potentiel appliqué aux deux capacités, l'une engendre des forces électrostatiques plus grandes que l'autre. Pour mémoire, on rappelle que la force électrostatique est proportionnelle aux surfaces en regard, au carré de la tension appliquée, et à l'inverse du carré de la distance, ce qui revient à dire qu'elle est proportionnelle au carré de la charge de la capacité pour une surface donnée d'armatures en regard. Et on peut montrer aussi que la variation de capacité pour un écart de distance d-do par rapport à la position d'équilibre est à peu près proportionnelle à d-do et à peu près inversement proportionnelle au carré de la distance do à la position d'équilibre. Pour mesurer l'écart des capacités, on a déjà proposé d'utiliser des circuits à capacités commutées dont les capacités variables Cv1 et Cv2 forment des éléments, et on a déjà proposé de faire un circuit à capacités commutées fournissant un flux binaire de sortie dont la moyenne temporelle représente la mesure d'accélération recherchée.

Le schéma qui permet cela est représenté à la figure 1. II comprend deux parties ; la première partie est le circuit qui utilise les capacités variables Cv1 et Cv2 pour transférer dans une capacité d'intégration Cint des paquets de charge liés à des potentiels de référence Vrefl et -Vrefl appliqués aux électrodes fixes pendant deux phases successives périodiques de commutation phil et phi2 ; la deuxième partie est un circuit de contre-réaction injectant sur les électrodes mobiles des charges élémentaires correctives pendant les phases phil et phi2, le signe de la charge élémentaire injectée pendant une phase dépendant de la tension sur la capacité d'intégration Cint ; les charges injectées par le circuit de contre-réaction tendent à réduire la tension sur la capacité d'intégration. Deux potentiels de référence Vrefl et -Vrefl sont appliqués pendant la phase phil, l'une sur l'armature fixe AF1 de la capacité Cv1, l'autre sur l'armature fixe AF2 de la capacité Cv2. Ces potentiels sont inversés pendant la phase phi2, Vrefl étant appliqué sur AF2 et -Vrefl sur AF1. La capacité d'intégration Cint est montée entre la sortie et l'entrée inverseuse (-) d'un amplificateur opérationnel Al dont l'entrée non inverseuse (+) est à la masse. Les armatures mobiles AMI et AM2 des capacités variables Cv1 et Cv2 sont reliées à la masse pendant la phase phil et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur Al pendant la phase phi2. La sortie de l'amplificateur Al est reliée à l'entrée d'un comparateur COMP qui bascule dans un sens ou dans l'autre selon que la tension sur la capacité Cint est positive ou négative. La comparaison est faite pendant la phase phil et l'état de la sortie du comparateur COMP est maintenu à sa valeur jusqu'à la phase phil suivante. La sortie du comparateur COMP fournit une valeur logique binaire Q qui sert à sélectionner le signe d'une charge élémentaire de contre-réaction à réinjecter sur les armatures mobiles des capacités Cv1 et Cv2. Si la tension sur la capacité d'intégration est positive, le signe des charges réinjectées doit être tel que la tension sur la capacité d'intégration diminue pour se rapprocher de zéro. Si au contraire la tension sur la capacité d'intégration est négative, le signe des charges réinjectées doit tendre aussi à rapprocher cette tension de zéro.

La quantité de charges réinjectées est définie par deux potentiels de référence Vref2 et -Vref2, et par une capacité Cref reliée entre ces potentiels et les armatures mobiles des capacités Cv1 et Cv2. Le circuit de contre-réaction comprend un circuit de sélection SEL, contrôlé par la sortie du comparateur COMP, pour sélectionner les potentiels à appliquer à la capacité Cref selon l'état de la sortie du comparateur. Plus précisément, la valeur absolue de la charge élémentaire est toujours la même et égale à Vref.Cref. Le signe de la charge est inversé entre la phase phil et la phase phi2. Et le signe est inversé, pour les deux ~o phases, selon la valeur de Q. Dans les explications mathématiques qui suivent, on considère que le comparateur fournit une valeur binaire Q ayant deux états possibles : Q = 1 ou Q = -1. En fonction de cette valeur, les potentiels appliqués à la capacité Cref sont les suivants: 15 - pendant la phase phil, la capacité Cref reçoit -Vref2 si Q = 1 et Vref2 si Q = -1 ; - pendant la phase phi2, c'est l'inverse. C'est pourquoi, on a écrit sur la figure 1 que la capacité Cref reçoit un potentiel -Q*Vref2 pendant la phase phil et +Q*Verf2 pendant la phase 20 phi2. Si la construction physique des circuits est telle que le comparateur COMP fournit des niveaux logiques q= 0 ou 1, le circuit de sélection fournit des valeurs -Q*Vef2 et +Q*Vref2, dans lequel Q=-1 si q=0 et Q=+1 si q=1. On peut alors calculer les charges stockées sur les armatures des capacités pendant les phases phil (armatures mobiles mises à la masse) et 25 les phases phi2 (armatures mobiles maintenues au potentiel virtuel de masse par l'amplificateur opérationnel ayant son entrée non-inverseuse à la masse et ayant une capacité de contre-réaction Cint entre sa sortie et son entrée). Ce calcul montre que l'équilibre est atteint lorsque la sortie binaire Q du comparateur prend en moyenne la valeur Q = (Cv1-Cv2)/Cref. Ceci résulte 30 du fait qu'en moyenne, la tension aux bornes de la capacité d'intégration reste nulle du fait du circuit de contre-réaction constitué par le comparateur COMP, le circuit de sélection SEL, et la capacité commutée Cref. Le flux binaire qui sort du comparateur COMP peut être intégré dans un filtre passe-bas numérique LPF qui fournit une sortie numérique SN représentant la valeur moyenne Q = (Cvl-Cv2)/Cref de la sortie binaire du comparateur. Cette valeur est presque proportionnelle au déplacement d-do. Le flux binaire Q représente donc le déplacement de la masse sismique, donc l'accélération. Mais la proportionnalité n'est qu'imparfaite et il y a une distorsion de linéarité. En effet, le déplacement (d-do) est plutôt proportionnel à (Cv1-Cv2)/(Cvl +Cv2), et la somme Cv1 +Cv2 n'est pas constante, bien que Cv1 et Cv2 varient dans des sens opposés. Pour que la proportionnalité soit meilleure, il faudrait donc que la 10 moyenne temporelle du flux binaire soit proportionnelle à (Cv1-Cv2)/(Cvl +Cv2) et ce n'est pas le cas. De plus, même si la moyenne temporelle était proportionnelle à (Cvl-Cv2)/(Cvl+Cv2), il subsisterait un phénomène de distorsion électrostatique due aux forces électrostatique exercées sur la masse mobile 15 par les potentiels de mesure appliqués (Vrefl et -Vrefl). Les mêmes valeurs absolues de potentiel (Vrefl) sont appliquées entre les armatures fixes et mobiles et créent des forces qui tendent à se compenser. Mais la compensation n'est pas exacte malgré l'égalité des potentiels puisque la distance entre armatures n'est pas la même. 20 L'accéléromètre mesure donc non pas la force d'accélération mais la différence entre la force d'accélération et la force électrostatique résiduelle. La mesure ne serait donc pas linéaire même si la moyenne temporelle du flux binaire était proportionnelle à (Cv1-Cv2)/(Cvl +Cv2).

25 La figure 2 représente un schéma selon l'invention, qui résout ce problème et fournit une mesure linéaire non perturbée par les forces électrostatiques. Dans ce schéma, au lieu d'asservir la tension de la capacité d'intégration par une quantité de charges élémentaires injectées sur les 30 armatures mobiles de la masse sismique à travers une capacité de référence Cref, on modifie les potentiels de référence appliqués aux armatures fixes des capacités Cv1 et Cv2 en fonction de la valeur binaire Q en sortie du comparateur. Sur la figure 2, les éléments semblables à ceux de la figure 1 35 portent les mêmes références. L'accéléromètre comprend des capacités de mesure Cv1 et Cv2 constituées comme expliqué plus haut, un circuit d'intégration à capacités commutées à deux phases de commutation phil et phi2, et un circuit de contre-réaction. Il n'y a pas de capacité de référence Cref.

Le circuit à capacités commutées qui sert à intégrer des charges dans la capacité d'intégration Cint comprend - les capacités de mesure Cv1 et Cv2, - l'amplificateur opérationnel Al ayant son entrée non inverseuse à la masse et sa capacité d'intégration Cint entre la sortie 10 et l'entrée inverseuse de l'amplificateur, - les interrupteurs permettant d'appliquer aux armatures fixes AF1 et AF2 des potentiels de référence choisis pendant les phases phil et phi2, - les interrupteurs permettant de relier les armatures 15 mobiles AMI et AM2 à la masse pendant la phase phil et à l'entrée inverseuse (-) pendant la phase phi2 ; Le circuit de contre-réaction comprend - le comparateur COMP ayant une entrée reliée à la masse et une entrée reliée à la sortie du circuit d'intégration (ici : la sortie de 20 l'amplificateur opérationnel Al) ; le comparateur peut être constitué par une amplificateur opérationnel non bouclé ayant une entrée inverseuse reliée à la masse et une entrée non-inverseuse recevant le signal à comparer à zéro ; le comparateur fournit pendant la phase phil, et conserve jusqu'à la phase phil de la période suivante, une 25 valeur binaire qui est fonction de l'état de la comparaison ; cette valeur binaire peut être une valeur q égale à 0 ou 1, correspondant à une valeur mathématique Q égale à +1 ou -1, selon l'état de la comparaison. - un circuit SEL de sélection de potentiels de référence, 30 commandé par la valeur binaire q ou Q ; il applique divers potentiels de référence aux armatures fixes AF1 et AF2 des capacités de mesure: plus précisément, il fournit -- pendant la phase phil une valeur de potentiel parmi deux possibles qui sont Vrefl-Vref2 et Vref1+Vref2 pour 35 l'armature fixe AF1 et une valeur de potentiel parmi deux possibles qui sont -Vrefl -Vref2 et -Vrefl + Vref2 pour l'armature fixe AF2 ; -- pendant la phase phi2 des valeurs de potentiel inverses de celles qui ont été appliquées pendant la phase phil.

Par conséquent, le circuit de sélection SEL reçoit quatre valeurs de potentiel possibles qui sont respectivement Vrefl-Vref2, Vrefl+Vref2, -Vrefl -Vref2, et -Vrefl+Vref2 et il aiguille vers les interrupteurs placés en amont des armatures fixes AF1 et AF2 un choix de potentiels qui dépendent de la valeur de Q. Le potentiel appliqué pendant la phase phil à l'armature AF1 est Vrefl - Q.Vref2 pendant la phase phil, donc Vrefl -Vref2 si Q=1 et Vrefl+Vref2 si Q=-1. De même, le potentiel appliqué à cette armature pendant la phase phi2 est l'inverse, à savoir -Vrefl + Q.Vref2. Pour l'autre armature AF2, le potentiel sélectionné pendant la phase phil est -Vrefl - Q.Vref2 ; et pendant la phase phi2 c'est l'inverse Vrefl + Q.Vref2.

Pendant la phase phil, en raison des potentiels appliqués sur l'armature fixe AF1 pendant que l'armature mobile est à la masse, la capacité Cv1 prend une charge Cv1.(Vref1-Q.Vref2) et la charge sur l'armature mobile AMI est donc Cv1.(Q.Vref2-Vrefl). De même, la charge de l'autre armature mobile AM2 est Cv2.(Q.Vref2+Vref1). Au total sur les armatures mobiles reliées entre elles : Cv1.(Q.Vref2-Vrefl) + Cv2.(+Q.Vref2+Vrefl ) Lors de la phase phi2, cette charge se retrouve sur la capacité d'intégration, mais les potentiels appliqués maintenant sur les armatures fixes ont changé ; le potentiel des armatures mobiles reste maintenu virtuellement à zéro du fait du montage rebouclé de l'amplificateur opérationnel A1. La nouvelle charge des armatures mobiles devient : - pour AMI une charge Cv1.(-Q.Vref2 + Vrefl ) - pour AM2 une charge Cv2.(-Q.Vref2 -Vrefl) Au total : Cv1.(-Q.Vref2 + Vrefl ) + Cv2.(-Q.Vref2 -Vrefl )35 La charge injectée pendant cette période sur la capacité d'intégration est la différence entre les charges de la phase phil et celles de la phase phi2, soit Cv1.(Q.Vref2-Vrefl) + Cv2.(Q.Vref2+Vref1) - Cv1.(-Qvref2+Vrefl ) + Cv2.(-Q.Vref2 -Vrefl ) Ou encore 2Q.[(Cvl+Cv2).Vref2] -2(Cvl-Cv2).Vref1 La contre-réaction agit pour tendre à maintenir à zéro la valeur moyenne de cette charge injectée. Il en résulte qu'en moyenne la valeur Q prend une valeur (VreflNref2).(Cv1-Cv2)/(Cvl+Cv2).

C'est ce qui est souhaité pour supprimer la non-linéarité entre le déplacement et la valeur moyenne de Q. De plus, la charge moyenne de la capacité Cvl entre la phase phil et la phase phi2 est Cv1.IQ.Vref2-Vrefl l en valeur absolue, aussi bien pendant la phase phil que pendant la phase phi2.

Etant donné que Q est en moyenne égal à (Vrefl Nref2).(Cv1-Cv2)/(Cvl+Cv2), le calcul montre facilement que la charge de la capacité Cvl est en moyenne égale à 2Cv1.Cv2/(Cvl +Cv2).Vrefl , aussi bien pendant la phase phil que pendant la phase phi2 (avec toutefois des signes inversés entre les deux phases). On montre de la même manière que la charge moyenne de la capacité Cv2 est en moyenne (et en valeur absolue) égale à 2Cv2.Cv1(Cv2+Cv1).Vref1, pendant les phases phil comme pendant les phases phi2. Les charges des deux capacités sont donc en moyenne égales en valeur absolue. Cette égalité des charges moyennes sur les deux capacités Cvl et Cv2 conduit à l'observation que les forces électrostatiques exercées entre les armatures fixe et mobile de la capacité Cvl sont égales aux forces électrostatiques exercées entre les armatures fixe et mobile de la capacité Cv2. En effet les forces électrostatiques sont proportionnelles au carré des charges pour une surface d'armatures donnée, et elles ne dépendent pas de la distance entre armatures. Elles sont donc égales pour les capacités Cvl et Cv2. Les électrodes fixes AF et AF2 étant placées chacune d'un côté de la masse mobile, les forces électrostatiques exercées entre les armatures des deux capacités s'annulent. On mesure donc bien l'accélération subie par la masse mobile, et non la différence entre l'accélération et une force électrostatique non nulle qui dépendrait du déplacement de la masse mobile.

Dans une première réalisation préférentielle, on choisit une valeur identique Vref pour les potentiels Vrefl et Vref2, ce qui veut dire que les deux potentiels appliqués aux armatures fixes AMI et AM2 sont respectivement a) 0 et -2Vref pendant la phase phil et 0 et + 2Vref pendant la phase phi2, dans le cas où Q=1 ; b) +2Vref et 0 pendant la phase phil et -2Vref et 0 pendant la phase phi2, dans le cas où Q = -1.

Dans une deuxième réalisation préférentielle, on choisit pour Vref2 une valeur moitié de Vrefl : Vrefl = Vref et Vref2 = Vref/2. Dans ce cas, les potentiels appliqués aux armatures fixes AMI et AM2 sont respectivement: a) Vref/2 et -3Vref/2 pendant la phase phil et -Vref/2 et +3Vref/2 pendant la phase phi2 dans le cas où Q=1, b) 3Vref/2 et -Vref/2 pendant la phase phil et -3Vref/2 et +Vref/2 pendant la phase phi2 dans le cas où Q = -1 Dans la première de ces réalisations, on constate que la capacité Cv1 ne reçoit pas de tension lorsque Q=1, que ce soit pendant la phase phil ou pendant la phase phi2, alors que la capacité Cv2 reçoit une tension 2.Vref aussi bien pendant la phase phil que pendant la phase phi2 (le sens de la tension étant inversé entre les phases). Pour Q = -1, c'est l'inverse. Or la valeur moyenne de Q n'est pas nulle ; elle est positive ou négative selon le sens de l'accélération. II y a donc une sorte de dissymétrie d'application des tensions entre les deux capacités pour une accélération de sens donné. L'une des capacités est stressée par la tension, tandis que l'autre ne l'est pas. Au contraire, dans la deuxième réalisation où Vrefl = Vref et Vref2 = Vref/2, on peut vérifier que les deux capacités reçoivent une tension pendant chaque phase. Bien que ces tensions ne soient pas identiques, les deux capacités sont stressées. On pourrait envisager aussi que Vref2 ne soit qu'une plus petite fraction de la tension Vrefl, mais la valeur moyenne de Q est proportionnelle au rapport Vref1/Vref2 et si ce rapport est trop important, la constante de temps d'établissement de cette valeur moyenne devient trop importante. De même qu'à la figure 1, la sortie binaire Q est intégrée dans un filtre numérique passe-bas dont la sortie SN représente l'accélération. A la figure 3, on a représenté une variante de réalisation de l'accéléromètre, dans laquelle la modulation de type sigma-delta utilise une intégration du second ordre. Un deuxième circuit d'intégration INT2 est prévu entre la sortie de l'amplificateur opérationnel Al (qui joue le rôle de premier circuit d'intégration avec sa capacité de contre-réaction Cint) et l'entrée du comparateur. Un sommateur pondéré est également prévu, pour que l'entrée du comparateur COMP reçoive une somme pondérée des sorties du premier et du second circuit d'intégration. Le sommateur pondéré peut être constitué simplement par des résistances d'entrée différentes sur l'entrée non- inverseuse du comparateur COMP. Une résistance R1 reçoit la sortie de l'amplificateur Al ; une résistance R2 reçoit la sortie de l'intégrateur INT2 ; et une résistance R3 est reliée à la masse. Les rapports entre les résistances déterminent la pondération de la somme. Cette variante peut être généralisée à des modulateurs d'ordre plus élevé que 2, avec plusieurs circuits d'intégration en cascade et un sommateur pondéré qui recueille les sorties des différents circuits d'intégration.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Accéléromètre comportant - une masse sismique mobile suspendue élastiquement, des électrodes mobiles (AMI, AM2) sur la masse mobile et des électrodes fixes (AF1, AF2) sur une partie fixe de l'accéléromètre pour constituer deux capacités de mesure (Cv1, Cv2) variant en sens opposé en fonction du déplacement de la masse mobile, - un circuit d'intégration (Al, Cint) à capacités commutées pour appliquer cycliquement aux deux électrodes fixes des capacités de mesure un premier groupe de deux potentiels pendant une première phase (phil) d'un cycle et un deuxième groupe de deux autres potentiels opposés aux potentiels du premier groupe pendant une deuxième phase (phi2) du cycle, et pour transférer des électrodes mobiles vers une capacité d'intégration (Cint) lors de la deuxième phase une charge liée aux potentiels appliqués et aux valeurs des capacités de mesure, - un circuit de comparaison (COMP) connecté à la sortie du circuit d'intégration, fournissant une sortie binaire (Q) fonction de l'évolution de la charge de la capacité d'intégration , caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de contre-réaction dont l'entrée reçoit la sortie binaire, pour modifier les valeurs de potentiel du premier groupe et du deuxième groupe, appliquées aux électrodes fixes, en fonction de la valeur de la sortie binaire.
2. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour un premier état de la sortie binaire les potentiels appliqués respectivement aux deux électrodes sont respectivement Vrefl-Vref2 et -Vrefl -Vref2 pendant la première phase (phil), et -Vrefl + Vref2, et Vref1+Vref2 pendant la deuxième phase (phi2), alors que pour un deuxième état de la sortie binaire les potentiels appliqués aux deux mêmes électrodes sont respectivement Vref1 +Vref2 et -Vrefl +Vref2 pendant la première phase (phil) et -Vrefl -Vref2 et Vrefl-Vref2 pendant la deuxième phase (phi2), Vrefl et Vref2 étant deux niveaux de potentiels de référence et Vref2 étant différent de zéro.
3. 3. Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les valeurs de potentiels de référence Vrefl et Vref2 sont égales à une valeur commune Vref.
4. 4. Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur du potentiel de référence Vref2 est une fraction de la valeur du potentiel de référence Vrefl. 10
5. 5. Accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur du potentiel de référence Vref2 est la moitié de la valeur du potentiel de référence Vrefl.
6. 6. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en 15 ce que les potentiels de référence sont définis par rapport à une masse commune et les électrodes mobiles sont reliées à cette masse pendant la première phase (phil) et à une entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel (A1) pendant la deuxième phase (phi2). 20
7. 7. Accéléromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'amplificateur opérationnel (Al) possède une entrée non-inverseuse reliée à la masse pendant la première et la deuxième phases.
8. 8. Accéléromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que la 25 capacité d'intégration (Cint) dans laquelle est opéré un transfert de charges pendant la deuxième phase est une capacité de contre-réaction connectée entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel (A1).
9. 9. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en 30 ce qu'un ou plusieurs autres circuits d'intégration (INT2) sont insérés entre la sortie du premier circuit d'intégration et l'entrée du circuit de comparaison, un sommateur pondéré (R1, R2, R3) étant prévu pour effectuer une somme pondérée de la sortie du premier circuit d'intégration et des sorties des autres circuits d'intégration, la somme pondérée étant appliquée à l'entrée du circuit 35 de comparaison.5