FR2987676A1

FR2987676A1 - Capteur infrarouge et capteur d'acceleration ainsi qu'un procede de gestion d'un tel capteur

Info

Publication number: FR2987676A1
Application number: FR1351888A
Authority: FR
Inventors: Ingo Herrmann; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-09-06
Also published as: US20150028207A1; CN104145476B; DE102012203440A1; WO2013131683A1; JP2015515608A; US9476762B2; CN104145476A; JP5911609B2

Abstract

Dispositif de capteur (1) comprenant un capteur infrarouge (2) détectant et générant des données d'image infrarouges (4a), et un capteur d'accélération (3) détectant l'accélération instantanée du dispositif de capteur et fournissant des données d'accélération (4b). L'émission de données d'image infrarouges (4a) par le capteur infrarouge (2) est bloquée, si l'accélération instantanée du dispositif de capteur (1) dépasse un seuil préprogrammé.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de cap- teur comportant un capteur infrarouge ainsi qu'un capteur d'accélération équipé d'un tel capteur infrarouge et un procédé de gestion du capteur infrarouge avec son capteur d'accélération, notamment pour des applications civiles. Etat de la technique Les capteurs infrarouges, notamment dans le domaine infrarouge lointain (encore appelé domaine infrarouge FIR) sont utilisés dans différents procédés de génération d'image, par exemple pour détec- ter des piétons à partir de véhicules terrestres ou encore pour les caméras thermiques. Les capteurs infrarouges peuvent être réalisés suivant un réseau de structures micromécaniques (structures MEMS, c'est-àd ir e d e structures mi cr o-électromécaniques). Les documents DE 10 2008 041 587 Al et WO 2007/147663 Al décrivent par exemple des capteurs infrarouges en structure MEMS. Les capteurs infrarouges et les réseaux de capteurs infra- rouges s'utilisent non seulement dans des applications civiles, mais également dans des applications militaires comme par exemple pour générer des images pour la commande de fusées ou autres engins vo- lants à caractéristiques militaires. Le document US 6 279 478 B1 décrit par exemple l'utilisation de capteurs infrarouges dans un engin volant explosif. C'est pourquoi, les capteurs infrarouges et les réseaux de capteurs infrarouges sont classés comme des produits à double utilisation et peuvent être soumis à des restrictions d'utilisation ou d'exportation même si ces capteurs ne sont finalement que destinés à des applications civiles. But de l'invention La présente invention a pour but de développer des cap- teurs infrarouges et des réseaux de capteurs infrarouges dont les fonc- tions limitées ne conviennent pas aux applications militaires ainsi qu'un procédé de gestion de capteurs infrarouges et de réseaux de capteurs infrarouges ne permettant pas leur utilisation dans des applications militaires ou ne rendant pas ces applications intéressantes.35 Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de capteur comprenant : - un capteur infrarouge détectant et générant des données d'image infrarouges, et - au moins un capteur d'accélération détectant l'accélération instantanée du dispositif de capteur et fournissant des données d'accélération, dispositif dans lequel l'émission de données d'image infrarouges (4a) par le capteur infrarouge, est bloquée, si l'accélération instantanée du dis- positif de capteur dépasse un seuil préprogrammé. Selon un développement, l'invention concerne un système de capteur comportant un dispositif de capteur tel que défini ci-dessus et un circuit d'exploitation pour recevoir les données d'accélération du capteur d'accélération et comparer l'accélération instantanée du dispo- sitif de capteur à un seuil préprogrammé et en fonction de la comparaison, bloquer l'émission de données d'image infrarouges du capteur infrarouge pendant une durée prédéfinie. Selon un développement, l'invention a pour objet un pro- cédé de gestion d'un système de capteur du type défini ci-dessus con- sistant à : - détecter une valeur de l'accélération instantanée du dispositif de capteur, - comparer la valeur détectée de l'accélération instantanée à un seuil prédéfini, - libérer les données d'image infrarouges du capteur infrarouge si la valeur détectée ne dépasse pas le seuil ou ne le dépasse pas pendant une durée suffisamment longue, et - bloquer les données d'image infrarouges du capteur infrarouge ou neutraliser le capteur infrarouge si la valeur détectée dépasse le seuil pendant une durée supérieure à une durée fixée. Ainsi, l'invention a l'avantage d'intégrer un capteur d'ac- célération, un capteur infrarouge ou un réseau de capteurs infrarouges dans un dispositif de capteur pour que des accélérations du dispositif de capteur dépassent un seuil prédéfini, neutralisent le capteur infra- rouge ou le réseau de capteurs infrarouges ou encore bloquent l'émission des données des capteurs pendant une durée prédéfinie. Ainsi et à titre d'exemple, un circuit d'exploitation bloque ou libère l'émission de données du capteur infrarouge ou du réseau de capteurs infrarouges en fonction des valeurs d'accélération déterminées par le capteur d'accélé- ration. Un avantage très important de ce dispositif de capteur est de limiter considérablement sa possibilité d'utilisation dans des applications militaires car dans des applications civiles caractéristiques, les accélérations rencontrées sont beaucoup plus faibles que celles que l'on rencontre dans les applications militaires caractéristiques. De façon particulièrement avantageuse, le ou les cap- teurs infrarouges et le capteur d'accélération sont intégrés de manière monolithique dans un substrat ce qui permet d'une part de réduire l'en- combrement et d'autre part de compliquer le contournement de la limi- tation de l'émission de données de capteur pour des valeurs d'accélération trop élevées si l'on modifie ou si l'on sépare le capteur infrarouge. L'intégration des différents capteurs dans un substrat permet l'intégration verticale ce qui réduit les coûts de fabrication et simplifie les procédés de fabrication. De manière avantageuse, le capteur d'accélération est utilisé en plus pour déterminer le sens de déplacement d'un objet détecté par le capteur infrarouge. On pourra par exemple détecter l'accélération latérale ou la vitesse de l'objet saisi par l'exploitation simultanée des données du capteur infrarouge et aussi les données d'accélération du capteur d'accélération. Cela est particulièrement avantageux pour implémenter un appareil de vison nocturne pour un véhicule terrestre, par exemple un véhicule automobile s'il faut détecter des êtres vivants tels que des piétons ou du gibier qui peuvent de se déplacer devant le véhicule. En déterminant la direction de mouvement du piéton ou de l'animal, on pourra prendre automatiquement des mesures pour esquiver Selon un développement du dispositif de capteur de l'in- vention, le capteur infrarouge et au moins un capteur d'accélération ont une structure micro-électromécanique.

Selon un autre développement du dispositif de capteur de l'invention, le capteur infrarouge et au moins un capteur d'accélération sont intégrés de manière monolithique dans un substrat semiconducteur.

Selon un autre développement du dispositif de capteur de l'invention, au moins un capteur d'accélération comporte des éléments de détection à effet piézo-résistant ou capacitif. Selon un développement du dispositif de l'invention, le capteur d'accélération détecte l'accélération dans la direction de détec- tion du capteur infrarouge. Les applications militaires sont fréquem- ment orientées sur des procédés de génération d'image dans la direction de mouvement du capteur infrarouge. Or, l'utilisation pour déterminer l'accélération du système de capteur dans la direction de visée du capteur infrarouge, par exemple au lancement d'une fusée, est rendue im- possible d'une manière efficace. Selon un développement du système de capteur de l'invention, le circuit d'exploitation bloque l'émission des données d'image infrarouges par le capteur infrarouge pendant une durée prédéfinie si l'accélération instantanée du dispositif de capteur dépasse le seuil pré- programmé pendant une durée supérieure à une durée prédéfinie. Cette solution a l'avantage que le dépassement bref du seuil, par exemple en cas de chute de l'appareil équipé du dispositif de capteur, ne neutralise pas la libération des données d'image infrarouges. Suivant un autre développement du système de capteur selon l'invention, le seuil prédéfini est fixé à 10g, ce qui a l'avantage que le système de capteur reste d'une utilisation pratiquement illimitée pour les applications civiles. Selon un développement de l'invention, le procédé com- porte en outre l'étape de combinaison des données d'image infrarouges avec détection de la valeur de l'accélération instantanée pour détermi- ner les paramètres de mouvement d'un objet mobile saisi par les données d'image infrarouges. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un dispositif de capteur équipé d'un capteur in- frarouge et d'un procédé de gestion d'un tel système de capteur représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est le schéma d'un système de capteur équipé d'un capteur infrarouge et d'un capteur d'accélération correspondant à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma d'un système de capteur équipé d'un capteur infrarouge et d'un capteur d'accélération correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un schéma d'un système de capteur équipé d'un cap- teur infrarouge et d'un capteur d'accélération correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est un schéma de la section du dispositif de capteur de la figure 1, et - la figure 5 est un schéma d'un procédé de gestion d'un système de capteur selon un autre mode de réalisation. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est un schéma d'un système de capteur 10 comportant un dispositif de capteur 1 et un circuit d'exploitation 4. Le dispositif de capteur 1 comporte par exemple un capteur infrarouge 2 ou un réseau de capteurs infrarouges 2 et au moins un capteur d'accé- lération 3. Le dispositif de capteur 1 peut par exemple comporter des capteurs à structure micro-électromécanique (capteurs MEMS) par exemple réalisés en technique SOI (technique silicium sur isolant). Le nombre de capteurs infrarouges 2 ou de pixels du réseau de capteurs infrarouges 2 ainsi que le nombre de capteurs d'accélération 3, sont donnés à titre d'exemple à la figure 1 sans que cet exemple ne soit limitatif d'une quelconque manière. Le capteur infrarouge 2 détecte le rayonnement dans le domaine infrarouge éloigné (domaine FIR) d'un objet représenté pour fournir des données d'image infrarouges 4a. Le capteur infrarouge 2 ou le réseau de capteurs infrarouges 2, ont une direction principale de détection qui est essentiellement perpendiculaire à la surface active du dispositif de capteur 1. Cette direction principale de détection est désignée ci-après comme direction de visée du capteur infrarouge 2 ou du réseau de capteurs infrarouges 2.

Le capteur d'accélération 3 détecte l'accélération du dispositif de capteur 1 et fournit des valeurs de l'accélération détectée comme données d'accélération 4b. Le capteur d'accélération 3 détecte par exemple des accélérations qui correspondent principalement à la direction perpendiculaire à la surface active du dispositif de capteur 1, c'est-à-dire des capteurs correspondant à la direction de visée des capteurs infrarouges 2 ou du réseau de capteurs infrarouges 2. On peut également utiliser d'autres capteurs d'accélération non représentés de manière explicite à la figure 1 et de détecter des accélérations du dispo- sitif de capteur 1 dans d'autres directions de l'espace. Les données d'image infrarouges 4a et les données d'accélération 4b sont transmises au circuit d'exploitation 4c qui combine les données pour émettre les paramètres de mouvement 4c caractérisant un objet mobile détecté de façon à générer une image par le cap- teur infrarouge 2 ou le réseau de capteurs infrarouges 2. L'émission des données d'image infrarouges 4a par le capteur infrarouge 2 sera bloquée si l'accélération instantanée du dispositif de capteur 1 dépasse un seuil déterminé, par exemple égal à 10g. Pour cela, le circuit d'exploitation 4 reçoit les données d'accélération 4b du capteur d'accélération 3 et l'accélération instantanée du dispositif de capteur 1 pour les comparer à un seuil préprogrammé ; en fonction de la comparaison, l'émission de données d'image infrarouges ou données vidéo infrarouges 4a par le capteur infrarouge 2 sera bloquée pendant une durée prédéfinie ou encore le capteur infrarouge 2 sera neutralisé temporairement. La durée prédéfinie est par exemple de l'ordre de quelques secondes. La figure 2 est le schéma d'un système de capteur 10 comportant un dispositif de capteur 1 et un circuit d'exploitation 4 selon un autre exemple de réalisation. Le dispositif de capteur 1 comporte par exemple un capteur infrarouge 2 ou un réseau de capteurs infra- rouges 2 et au moins un capteur d'accélération 3. La différence entre le dispositif de capteur 1 de la figure 1 et le dispositif de capteur 1 de la figure 2, réside principalement dans le fait que le dispositif de capteur infrarouge 2 ou le réseau de capteurs infrarouges 2, intègre une logique d'exploitation 2c pour exploiter les données d'accélération 4b du cap- teur d'accélération 3 et bloquer cette émission pendant une durée pré-définie en fonction de la comparaison entre l'émission de données d'image vidéo 4a par le capteur infrarouge 2. La figure 3 est une représentation schématique d'un dis- positif de capteur 1 en technique MEMS comportant un pixel de capteur infrarouge 2 et des capteurs d'accélération 3, 5, 6. Le pixel de capteur infrarouge 2 dispose par exemple de deux rangées de diodes 2a, 2b formant des structures micro-électromécaniques (MEMS). Le nombre de diodes 2a, 2b est en principe non limité. Le capteur d'accélération 3 est représenté par exemple comme capteur d'accélération z comportant un élément de saisie MEMS 3a couplé par exemple par une couche piézoélectrique à un substrat du dispositif de capteur 1. De façon analogue, les capteurs d'accélération 5 et 6 sont représentés comme des capteurs d'accélération latérale ayant des éléments de saisie MEMS correspon- ds dants 5a, 6a, couplés par exemple par des éléments piézo-électriques ou piézo-résistifs au substrat du dispositif de capteur 1. Le pixel de capteur infrarouge 2 et les trois capteurs d'accélération 3, 5, 6, sont intégrés de manière monolithique dans un substrat MEMS, c'est-à-dire que sont intégrées les fonctions de MEMS du pixel infrarouge 2 et du cap- 20 teur d'accélération 3, 5, 6, du même côté actif du substrat MEMS. L'in- tégration monolithique comme pixel de capteur 2 et comme capteur d'accélération 3, 5, 6, a l'avantage de pouvoir effectuer simplement une reprogrammation du fonctionnement, c'est-à-dire la suppression de l'émission bloquée pour les données infrarouges 4a en cas de dépasse- 25 ment d'un seuil d'accélération, toutes opérations qui se font simple- ment. La figure 4 est un schéma d'une vue en coupe du disposi- tif de capteur 1, notamment en passant par le pixel de capteur infrarouge 2 et le capteur d'accélération 3. Le dispositif de capteur 1 est 30 réalisé sur un substrat 13, par exemple un substrat semi-conducteur, tel que du silicium. Le substrat 13 reçoit une couche épitaxiale 12 ou une couche de dispositif 12 (en technique SOI). La couche épitaxiale ou couche de dispositif 12 est surmontée d'une couche d'isolation 11, par exemple en oxyde de silicium. Le pixel de capteur infrarouge 2 comporte 35 en outre un îlot de diodes 2a, 2b concernant des structures métallisées 18 pour le branchement électrique. Les couches de contact 17 peuvent comporter des lignes électriques vers les îlots de diodes 2a, 2b. Les îlots de diodes 2a, 2b sont découplés par une structure de caverne 14 en dessous des îlots dans le substrat 13 ou la couche épitaxiale ou couche de dispositif 12, par rapport au substrat par une découpe à contre- dépouille, pour découpler le pixel de capteur infrarouge 2 de la température de l'environnement. Pour cela, on peut réaliser des canaux de gravure dans la couche d'isolation 11 qui assurent le dégagement par gravure de la couche épitaxiale ou de la couche de dispositif 12 ainsi que du substrat 13. Dans la même étape de dégagement par gravure, on peut dégager une structure de caverne 15 en dessous d'une zone de détection 3a du capteur d'accélération 3. L'élément de détection ou de saisie 3a peut représenter la masse inerte du capteur d'accélération 3 et avoir une autre structure de métallisation 19. Le capteur d'accélération 3 peut être par exemple séparé totalement du substrat 13 par une couche capacitive ou encore provenir de l'effet piézo-résistant. C'est pourquoi il est clair que les multiples possibilités de recevoir un capteur d'accélération 3 dans une structure MEMS, permet de sélectionner librement de façon fondamentale la nature de l'élément d'accélération 3, 5, 6. Le dispositif de capteur 1 peut être encapsulé sous vide, de sorte que les pixels de capteur infrarouges 2 et les capteurs d'accélération 3, 5, 6, seront isolés de manière correspondante et protégés contre les influences externes.

La figure 5 montre l'ordinogramme d'un procédé 20 de gestion d'un système de capteur, notamment d'un système de capteur 10 décrit en relation avec les figures 1 à 4. Le procédé 20 s'utilise par exemple pour limiter l'utilisation du système de capteur 10 à des applications civiles telles que des caméras thermiques, des appareils de vi- sion nocturne ou des domaines analogues. Dans une première étape 21, on détecte la valeur de l'accélération instantanée du dispositif de capteur 10 pour fournir l'information au dispositif de capteur 1. Pour cela, on peut par exemple exploiter les données émises 4b par au moins l'un des capteurs d'accé- lération 3, 5, 6, du dispositif de capteur 1. L'exploitation se fera par le circuit d'exploitation 4. Dans une seconde étape 22, on compare un seuil préprogrammé de la valeur détectée du couple d'accélération saisi au seuil préprogrammé. Le seuil préprogrammé peut varier suivant l'application. Le seuil préprogrammé est par exemple de 10g. Mais il est également possible de prévoir un autre seuil plus élevé ou plus bas. Dans l'étape 23, on détermine si la valeur saisie de l'accélération instantanée dépasse le seuil. Pour cela, on peut par exemple ne faire qu'une simple comparaison des valeurs instantanées. Mais on peut également ne détecter un dépassement du seuil, que si la valeur saisie est présente pendant une durée prédéfinie au-dessus du seuil. La durée est par exemple de l'ordre de la seconde. La durée peut également être plus élevée ou plus faible suivant le domaine d'application. Si dans l'étape 23, on constate que la valeur détectée ne dépasse pas le seuil ou ne le dépasse pas pendant une durée suffisamment longue, alors dans l'étape 24, on libère les données du capteur ou les données d'image in- frarouges 4a du capteur infrarouge 2 ou du réseau de capteurs infrarouges 2. Ensuite, on peut recontrôler ou surveiller de nouveau les valeurs d'accélération du système de capteur 10 en commençant par l'étape 21.

Si dans l'étape 23, on constate que la valeur détectée a dépassé le seuil pendant une durée suffisamment longue, alors dans l'étape 25, on bloque les données de capteur ou les données d'image infrarouges 4a du capteur infrarouge 2 ou du réseau de capteurs infrarouges 2 ou encore on neutralise le capteur infrarouge 2 ou le réseau de capteurs infrarouges 2. Le blocage ou la neutralisation pendant une du- rée prédéfinie reste maintenu, par exemple pendant quelques secondes. Ce n'est qu'à la fin de cette durée, que l'on peut effectuer un nouveau contrôle ou surveillance de la valeur de dépassement du système de capteur 10 en commençant par l'étape 21. Le système de capteur 10 pourra être rendu inutilisable dans des applications militaires pour les- quelles on rencontre souvent et sur des périodes prolongées, de fortes accélérations et nécessitant un taux de répétition d'image poussé, pour pouvoir suivre rapidement les engins volants. La prédéfinition appropriée du seuil exclut l'utilisation militaire du système de capteur alors que les utilisations civiles sont possibles pratiquement sans limitation.

Même si l'on utilise des capteurs d'accélération 3, 5, 6, appropriés, en option on peut également avoir une combinaison de données d'accélération 4b correspondant aux données d'image infrarouges 4a pour détecter le mouvement d'un objet mobile. Cela se fait par exemple dans le circuit d'exploitation 4 si l'on dispose des capteurs d'accélération latérale 5 et/ou 6 verticale. Le circuit d'exploitation 4 peut fournir les paramètres de mouvement 4c du véhicule, de sorte que pour l'utilisation du système de capteur 10, par exemple dans un appareil de vision nocturne, un véhicule sera équipé de moyens indicateurs permettant de viser la base de la trajectoire de mouvement si le capteur infrarouge 2 a pour objectif de détecter un piéton, un animal ou autres objets mobiles.15 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 dispositif de capteur 2 capteur infrarouge 2a,b îlot de diodes 2c logique d'exploitation 3,5,6 capteurs d'accélération 3a,5a,5b éléments de saisie MEMS 4 circuit d'exploitation io 4a données d'image infrarouges 4b données d'accélération 4c circuit d'exploitation 7 réseau de capteurs infrarouges système de capteur 12 couche épitaxiale ou de dispositif 13 substrat 14 structure en caverne 19 structure métallisée procédé de gestion d'un système de capteur 20 21-25 étapes du procédé 20

Claims

REVENDICATIONS1°) Dispositif de capteur (1) comprenant : - un capteur infrarouge (2) détectant et générant des données d'image infrarouges (4a), et - au moins un capteur d'accélération (3) détectant l'accélération ins- tantanée du dispositif de capteur (1) et fournissant des données d'accélération (4b), dispositif dans lequel l'émission de données d'image infrarouges (4a) par le capteur infrarouge (2) est bloquée, si l'accélération instantanée du dispositif de capteur (1) dépasse un seuil préprogrammé.
2°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur infrarouge (2) et le capteur d'accélération (3), ont des struc- tures micro-électromécaniques.
3°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur infrarouge (2) et le capteur d'accélération (3) sont intégrés de manière monolithique dans un substrat semi-conducteur (13).
4°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur d'accélération (3) comporte des éléments de détection (19) par effet piézo-résistant ou capacitif.
5°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur d'accélération (3) détecte une accélération dans la direction de détection du capteur infrarouge (2).
6°) Système de capteur (10) comprenant : - un dispositif de capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et un circuit d'exploitation (4) recevant les données d'ac- célération (4b) du capteur d'accélération (3) et comparantl'accélération instantanée du dispositif de capteur (1) à un seuil pré-défini et en fonction de la comparaison, bloquant l'émission de données d'image infrarouges (4a) du capteur infrarouge (2) pour une durée prédéfinie.
7°) Système de capteur (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit d'exploitation (4) bloque en outre l'émission des données d'image infrarouges (4a) par le capteur infrarouge (2) pour une durée prédéfinie si l'accélération instantanée du dispositif de capteur (1) dé- passe le seuil prédéfini pendant une durée plus longue qu'une durée prédéfinie.
8°) Système de capteur (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le seuil d'accélération prédéfini est de 10g.
9°) Procédé (20) de gestion d'un système de capteur (10) selon l'une des revendications 6 à 8 comprenant les étapes suivantes consistant à : - détecter (21) la valeur de l'accélération instantanée du dispositif de capteur (10), - comparer (22) la valeur détectée de l'accélération instantanée à un seuil prédéfini, - libérer (24) les données d'image infrarouges (4a) du capteur infra- rouge (2) si la valeur détectée ne dépasse pas le seuil ou ne le dé- passe pas pendant une durée suffisamment longue, et - bloquer (25) les données d'image infrarouges (4a) du capteur infrarouge (2) ou neutraliser le capteur infrarouge (2) si la valeur détectée dépasse le seuil pendant une durée supérieure à une durée fixée.
10°) Procédé (20) selon la revendication 9, comprenant en outre l'étape consistant à combiner les données d'image infrarouges (4a) à la valeur détectée de l'accélération instantanée pour déterminer les paramètres de mouvement (4c) d'un objet mobile détecté par les données d'image infrarouges (4a).