WO2010051939A1 - Dispositif de mesure d'une variation de la capacitance d'une structure capacitive variable - Google Patents

Dispositif de mesure d'une variation de la capacitance d'une structure capacitive variable Download PDF

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variable
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capacitive
reference capacitor
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Xavier HOURNÉ
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Continental Automotive France SAS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K17/962—Capacitive touch switches
    • H—ELECTRICITY
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    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive charge transfer sensor. It is particularly useful when applying such a sensor in the door handles of a vehicle for the access "hands free" of the driver to his vehicle.
  • a presence sensor in this case a capacitive charge transfer sensor located in the electronic module of the handle detects the presence of the driver's hand.
  • This sensor is connected to the electronic computer of the vehicle (ECU: Electronic Control Unit) and the latter sends via an antenna LF (acronym for "Low Frequency", Low Frequency) a signal to the identifier integrated in the key.
  • LF radio frequency
  • the identifier sends by RF (radio frequency) its identification code to the computer. If the computer recognizes the identification code as the one allowing access to the vehicle, it triggers the opening of the door. If, on the other hand, the computer has not received a code or the received code is wrong, the opening can not be done.
  • Such a capacitive sensor consists of a capacitive electrode integrated in the door handle and its close environment connected directly or indirectly to a mass reference, this environment may include a body part of a user whose presence must be detected.
  • the hand of the driver is a second electrode connected to the ground.
  • the capacitance of the capacitive electrode built into the handle increases. The variation is measured using a reference capacitor, located on a printed circuit connected to the capacitive electrode integrated in the handle. If this capacitance is above a threshold, it means that the detection is carried out, that is to say that the hand of the driver is on the handle or close enough to the handle of the door and that it requests its opening.
  • the capacitive charge-coupled sensor makes it possible to measure the variation of the capacitance of a variable capacitance by performing a cycle consisting of a large number of charges and discharges of the capacitance of the electrode. integrated into the handle in the reference capacity until a fixed voltage threshold is reached across the reference capacitor.
  • the estimation of the variation of the capacitance of the integrated electrode in the handle compared to the cycle previous is made from the variation in the number of discharges of the capacity of the electrode integrated in the handle in the reference capacity that had to be performed to reach a voltage threshold across the reference capacity.
  • the charge transfer ie the succession of charges and discharges, according to the prior art, and illustrated in FIG. 1, is broken down into four stages: • 1st step: the first step consists of charging the reference capacitance C x from the supply voltage V C c- For this the first switch S1 is closed and the second switch S2 is open.
  • a counter of the number of discharges x and a microcontroller make it possible to determine the capacitance of the electrode C x .
  • V s (x) V cc x (l - (l - - ⁇ ) ⁇ ) (1) cs
  • V TH threshold voltage
  • C ⁇ x V y Th that is defined as a detection threshold corresponding to a number of charge transfer between the two states of C x, i.e. between C x and C X + X .DELTA.C.
  • Th is equal to the variation of the number of discharges x, between the value of the capacitance C x and the value of the capacitance C x + ⁇ C X. Therefore
  • the variation ⁇ C X of the capacitance C x measurable, ie the sensitivity of the sensor, defined by the equation (3) depends on many parameters: the value of the storage capacity C 3 , the supply voltage V C c, the measurement stop voltage threshold V TH and especially mainly the capacitance of the electrode C x 2 square. Outside the capacity of the C x electrode is difficult to master and varies depending on the environment (temperature, humidity, duration) which degrades the sensitivity and performance of the sensor. In addition, x the number of discharges which conditions the measurement duration, is proportional to the reference capacitor C 3 (see equation 2), which itself is dependent on the other parameters and in particular on the desired sensitivity ⁇ C X (cf. equation 3).
  • the opening mechanism of the door must be completely transparent to the driver. Indeed the latter expects an opening of the door as fast as in the case of an opening of a mechanical handle.
  • Sensor consumption should be minimized because it operates for long periods of time when the vehicle is stationary. Excluding consumption being related to the measurement duration, if the measuring time is reduced, the consumption drops.
  • the object of the present invention is a capacitive load-transfer sensor whose sensitivity is independent of the capacitance of the electrode and with which the optimization of the measurement duration, ie the reduction of the number of discharges is possible. without impacting the sensitivity of the sensor.
  • a device for measuring a variation ⁇ C X of the capacitance of a variable capacitive structure C x comprising:
  • Means for detecting a voltage threshold V TH at the terminals of the reference capacitor said device being configured / programmed so that the discharge of the capacitive measurement structure, in a variable number of discharges, into the reference capacitor after the variable capacitive structure has been discharged from the fixed number of discharges in the reference capacity. This is so that the variation of the number of variable discharges with respect to a number of discharges previously obtained makes it possible to estimate the variation of the capacitance of the variable capacitive structure.
  • a predetermined Th detection threshold of a number of discharges of the capacitive measurement structure in the reference capacitance is defined, corresponding to the variation of the capacitance of the variable capacitive structure from the value C x to the value C x + ⁇ C X.
  • the number of variable discharges of the capacitive measurement structure in the reference capacitor is defined when the voltage at the terminals of the reference capacitor is equal to the voltage threshold:
  • the measurement of the variation of the variable capacitive structure is independent of the variable capacitive structure and is equivalent to:
  • the value of the capacitive measurement structure is fixed and less than the capacitance of the variable capacitive structure.
  • the reference capacitance is determined when the voltage at the terminals of the reference capacitor is below the voltage threshold: xx C,
  • the reference capacitance has a capacitance greater than that of the variable capacitive structure and the measurement capacitance has a capacitance lower than that of the variable capacitive structure.
  • the measurement capacity has a capacity equivalent to a residual capacity.
  • the device further comprises switching means, controlled to load and / or unload the variable capacitive structure and switching means, controlled to load and / or unload the measurement capacity.
  • the invention applies to any capacitive sensor for detecting the presence of a user of a device, implementing a device for measuring a variation in the capacitance of a variable capacitive structure, comprising, for example a sensing electrode disposed within the equipment, and the capacitance of the variable capacitive structure being determined between the sensing electrode and the environment proximate to the sensing electrode, the equipment in which the sensing electrode is arranged to be a door handle of a vehicle.
  • the invention also relates to any method for reducing the measurement time of a variation of the capacitance of a variable capacitive structure, implementing the device described above.
  • FIG. 1 represents a schematic view of a charge-coupled capacitive sensor according to the prior art, previously described,
  • FIG. 2 represents a schematic view of a door handle of a vehicle incorporating a capacitive load-transfer sensor
  • FIG. 3 represents a schematic view of a capacitive load-transfer sensor according to the invention.
  • the capacitive load-transfer sensor 3 integrated in a vehicle door handle 6 comprises an electrode 4 whose capacitance C x is variable and a reference capacitor C s situated on a printed circuit board. 5, the latter also integrated in the handle 6.
  • the capacitance of the electrode C x increases by a value ⁇ C X
  • this variation ⁇ C X is measured using the reference capacitor C 3 , located on the printed circuit 5 connected to the electrode 4. If this capacitance is above a threshold, it means that the hand of the driver is in a position close to the door handle 2 and that it requests its opening.
  • the measuring capacitance C M is connected to ground and powered by the supply voltage V C.
  • Two switches S3 and S4 make it possible to load the measurement capacitor C M from the supply voltage V C c. then to discharge this capacity in the reference capacity C s in a variable number of discharge n.
  • a charge transfer counter (not shown) counts the number of discharges n from the measuring electrode C M to the reference capacitor C s .
  • a microcontroller calculates, from this number of discharges n, and the known fixed discharge number x, the capacitance of the electrode C x .
  • the duration of measurement is proportional to the total number N of discharge, N being equal to the sum between the fixed number of discharge x and the variable number of discharge n.
  • the charge transfer according to the invention is divided into two phases: acquisition and measurement.
  • the acquisition phase consists of a conventional charge transfer from the capacitance of the electrode C x to the reference capacitor Cs.
  • the difference with conventional charge transfer is that the charge transfer stops after a number of discharges. fixed x and not when the voltage across the reference capacitor V s reaches a voltage threshold V TH .
  • the measurement phase consists of a charge transfer, of a variable number of discharges n, of the measurement capacitance C M towards the reference capacitor C s until the voltage across the capacitors of the reference capacitor V 3 reaches the threshold voltage V TH .
  • the charge of the capacitance of the electrode C x is transferred into the measuring capacitor C 3 as follows: • first step: the first step consists in carrying capacity of the electrode C x from the supply voltage V CC> for this, the first switch S1 is closed and the second switch S2 is open,
  • This cycle of charges and discharges is repeated a number of times x predetermined and fixed.
  • the load of the measurement capacitor C M is transferred into the reference capacitor C 5 until the voltage across this capacitor V 5 reaches a threshold V TH -
  • the first step consists in charging the measurement capacitance C M -
  • the third switch S3 is closed and the fourth S4 is open,
  • the first and second switches S1 and S2 are open during this phase. Therefore C x is neither loaded nor unloaded during this phase. This cycle is repeated until the voltage across the reference capacitor V 3 reaches the threshold voltage V TH .
  • the number of variable discharges (called n) necessary to reach the threshold represents an image of the capacitance C x .
  • the reference capacitance C s is then fully discharged by closing the switch S for the next measurement.
  • the equations governing the operation of the linear charge transfer sensor are as follows: the charge transfer equation of the capacitance of the electrode C x in the reference capacitor C 5 is unchanged from the principle of the prior art (see equation 1).
  • V s (n) V cc x (l - (1 - ⁇ r X (I - - ⁇ -) ") (4)
  • Th detection threshold is defined. This threshold is equal to a number of discharges n from the measurement capacity C M to the reference capacitor Cs, corresponding to the detection of the driver's hand on the handle 6 of the door. For example, Th is equal to five, signifies that the detection is performed when five charge transfers from the measurement capacitor C M to the reference capacitor C s have been made. These five load transfers mean that the capacitance of the electrode has varied by a significant value ⁇ C X , that is to say that the hand of the driver touches the handle 6 of the door and that it requests its opening. It should be noted that the definition of the threshold Th is identical to that of the prior art except that it applies in the invention to the variable discharge transfer number n, and not to the number of discharges x.
  • Th being defined as corresponding to the difference between the two states of the electrode between the capacitance C x and the capacitance C x + ⁇ C X , it is therefore equal to:
  • the sensitivity of the sensor ⁇ C X according to the invention is no longer dependent on the variable capacitance of the electrode C x . It is only determined by the number of fixed discharges of the acquisition phase x and the value of the measuring capacitance C M , and of the detection threshold Th which are also fixed values (see equation 6).
  • the value of the measurement capacitance C M must be lower than the value of the capacitance of the electrode C x .
  • the value of the measuring capacitance C M can be set to the minimum, ie equivalent to the value of a residual capacitance, that is to say to 10 pF. Since the value of the measuring capacitance C M is fixed, we can then deduce x according to equation 7.
  • the value of the measuring capacitance C s can be determined. Indeed, in order for the charge transfer from the measurement capacitor C M to the reference capacitor C s to be possible, it is necessary that after the number x of discharges of the capacitance of the electrode C x towards the measurement capacitance C M , the voltage across the reference capacitor V 5 has not reached the detection threshold voltage V TH - Therefore a condition is imposed on V 3 : V s ⁇ V TH -
  • the threshold voltage as a function of the number of discharges x, V 5 (x), is given by equation (1).
  • V m Vcc x ⁇ - (I - ⁇ ⁇ Y) That is to say
  • the reference capacitance C s therefore has a minimum value for a given number of discharges x, in order to reach the accuracy ⁇ C X.
  • C S2 By calling the value of the reference capacitor C 3 according to the invention, C S2 , and comparing it with the value of the reference capacitor C s of the prior art, which will be called C S i, which is defined by equation (3), ie:
  • C S2 Since the value of the measuring capacitance C M is defined as being much smaller than the value of the capacitance of the electrode C x , C S2 ⁇ C S i is therefore obtained.
  • the reference capacitor according to the invention C S2 has a smaller value than that used for the prior art C S i and this for the same precision ⁇ C X of the sensor.
  • the total number of discharges according to the invention ie N
  • x the number of discharges of the prior art
  • the measurement time is therefore greatly reduced by the invention without impacting the accuracy of the sensor.
  • the invention is not limited to the embodiment described and shown which has been given by way of example.
  • the invention also applies to any method of measuring a variation ⁇ C X of a capacitance C x implementing the device according to the invention and detailed above.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure d'une variation (ΔCX) de la capacitance d'une structure capacitive variable (CX), comprenant : • une tension d'alimentation (VCC), • une capacité de référence (CS) • des moyens pour mesurer une tension aux bornes de la capacité de référence (VS), • une structure capacitive de mesure (CM) • des moyens pour détecter un seuil de tension (VTH) aux bornes de la capacité de référence (CS). Le dispositif est configuré/programmé pour que la décharge de la structure capacitive de mesure (CM), en un nombre de décharges variable (n), dans la capacité de référence (CS) après que la structure capacitive variable (CX) ait été déchargée en un nombre de décharges fixe (x) dans la capacité de référence (CS) et jusqu'à ce que la tension aux bornes de la capacité de référence (VS) ait atteint le seuil de tension (VTH) La variation du nombre de décharges variable (n) par rapport à un nombre de décharges précédemment obtenu permet d'estimer la variation (ΔCX) de la capacité de la structure capacitive variable (Cx).

Description

Dispositif de mesure d'une variation de la capacitance d'une structure capacitive variable
La présente invention est relative à un capteur capacitif à transfert de charge. Elle est particulièrement utile lors de l'application d'un tel capteur dans les poignées de porte d'un véhicule pour l'accès dit « mains libres » du conducteur à son véhicule.
De nos jours, certains véhicules automobiles sont équipés d'accès « mains libres ». C'est à dire que le conducteur du véhicule n'a plus besoin d'une clé pour ouvrir les portes de son véhicule. Il possède à la place d'une clé, un badge d'identification repéré par le système électronique de véhicule.
Pour solliciter l'ouverture d'une portière, le conducteur appuie d'abord sur la poignée de portière. Un capteur de présence, en l'occurrence un capteur capacitif à transfert de charge situé dans le module électronique de la poignée détecte la présence de la main du conducteur. Ce capteur est connecté au calculateur électronique du véhicule (ECU : acronyme anglais pour Electronic Control Unit) et ce dernier envoie par l'intermédiaire d'une antenne LF (acronyme anglais pour « Low Frequency », Basse Fréquence) un signal a l'identifiant intégré à la clé. Une fois le signal de détection reçu, l'identifiant envoie par ondes RF (radio fréquence) son code d'identification vers le calculateur. Si le calculateur reconnait le code d'identification comme celui autorisant l'accès au véhicule, il déclenche l'ouverture de la portière. Si en revanche, le calculateur n'a pas reçu de code ou le code reçu est erroné, l'ouverture ne peut pas se faire.
Un tel capteur capacitif est constitué d'une électrode capacitive intégrée dans la poignée de portière et de son environnement proche relié directement ou indirectement à une référence de masse, cet environnement pouvant inclure une partie du corps d'un utilisateur dont on doit détecter la présence par exemple ici la main du conducteur constitue une deuxième électrode reliée à la masse. Lorsque la main du conducteur se rapproche de la poignée de la portière, la capacitance de l'électrode capacitive intégrée dans la poignée augmente. La variation est mesurée à l'aide d'une capacité de référence, située sur un circuit imprimé connecté à l'électrode capacitive intégrée dans la poignée. Si cette capacitance est au dessus d'un seuil, cela signifie que la détection est réalisée, c'est à dire que la main du conducteur est sur la poignée ou suffisamment proche de la poignée de la portière et qu'il demande son ouverture. On connaît de la technique antérieure, que le capteur capacitif à transfert de charge permet de mesurer la variation de la capacitance d'une capacité variable en effectuant un cycle constitué d'un grand nombre de charges et de décharges de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée dans la capacité de référence jusqu'à atteindre un seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence. L'estimation de la variation de la capacitance de l'électrode intégrée dans la poignée par rapport au cycle précédent est réalisée à partir de la variation du nombre de décharges de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée dans la capacité de référence qu'il a fallu effectuer pour atteindre un seuil de tension aux bornes de la capacité de référence. Ces capteurs font intervenir des commutateurs qui permettent de diriger le courant pour réaliser d'abord la charge de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée par l'intermédiaire de la tension d'alimentation et ensuite la décharge de la capacité de l'électrode intégrée dans la poignée dans la capacité de référence et vice versa. Le transfert de charge, .c'est à dire la succession de charges et de décharges, selon l'art antérieur, et illustré à la figure 1 , se décompose en quatre étapes : • 1 ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité de référence Cx à partir de la tension d'alimentation VCc- Pour cela le premier commutateur S1 est fermé et le second commutateur S2 est ouvert.
• 2ème étape : une fois la charge finie, le premier commutateur S1 est ouvert. • 3ème étape : puis la décharge de la capacité de l'électrode Cx vers la capacité de référence C3 peut commencer, pour cela, le premier commutateur S1 reste ouvert et le second commutateur S2 est fermé.
• 4ème étape : une fois la décharge réalisée, le second commutateur S2 est ouvert. Le transfert de charge est répété jusqu'à ce que la tension aux bornes de la capacité de référence V3 atteigne la tension de seuil VTH- Le nombre de décharges x de la capacité de l'électrode Cx vers la capacité de référence Cs nécessaire pour atteindre ce seuil donne une image de la capacité de l'électrode Cx. La capacité de référence C3 est ensuite complètement déchargée par l'intermédiaire du commutateur S pour la prochaine mesure.
Un compteur du nombre de décharges x et un microcontrôleur (non représentés sur la figure 1 ) permettent de déterminer la capacité de l'électrode Cx. L'équation régissant le fonctionnement du capteur de transfert de charge est la suivante : r s ( * ) = ^r- * v cc + v s ( x - I ) X ( I - ^-x-)
^ s ^ s L'évolution de la tension aux bornes de la capacité de référence V3 constitue une suite mathématique selon le nombre de décharges x de la capacité de l'électrode Cx vers la capacité de référence C3, et est donnée par l'équation (1 ) :
V s ( x ) = V cc x ( l - (l - -^) < ) (1 ) c s A la fin du transfert de charge, la tension aux bornes de la capacité de référence V3 a atteint la tension seuil VTH, et on obtient un nombre x de décharge défini par :
.v = - -£-£- x ln( 1 - V m ) (2)
C ^ x V y ce On défini Th comme un seuil de détection, correspondant à un nombre de transferts de charge entre les deux états de Cx, c'est à dire entre Cx et CX+ΔCX.
Th est égal à la variation du nombre de décharges x, entre la valeur de la capacitance Cx et la valeur de la capacitance Cx + ΔCX. Par conséquent
C
Th s V C x ln( 1 - TH s V
-) + - x ln( 1 - TH
C Λ V CC C X + Δ C X V CC
Ce qui donne :
— x 2
Th C
Δ C Λ'
Λ' V
C s X ln( 1 -) - Th x C x V rr
Comme la capacité de référence C5 est selon l'art antérieur, largement supérieure à la capacité de l'électrode Cx, on obtient l'équation suivante de la variation ΔCX de la capacitance Cx :
. _ - Th x C x 2 Δ C x ≈ x- (3)
C s x ln( 1 - ^3- )
¥ ce
Par conséquent, avec un tel capteur capacitif, la variation ΔCX de la capacitance Cx mesurable, c'est à dire la sensibilité du capteur, définie par l'équation (3) dépend de nombreux paramètres : la valeur de la capacité de stockage C3, la tension d'alimentation VCc, le seuil de tension d'arrêt de mesure VTH et surtout principalement de la capacité de l'électrode au carré Cx 2. Hors la capacité de l'électrode Cx est difficilement maitrisable et varie en fonction de l'environnement (température, humidité, durée) ce qui dégrade la sensibilité et les performances du capteur. De plus, x le nombre de décharges qui conditionne la durée de mesure, est proportionnel à la capacité de référence C3 (cf. équation 2), qui est elle même dépendante des autres paramètres et en particulier de la sensibilité ΔCX souhaitée (cf. équation 3). Ainsi pour une sensibilité de capteur donnée ΔCX correspond une valeur de la capacité de référence C3 et donc un nombre de décharges x fixe (Th, VCc, VTH, et Cx étant des paramètres fixes). Par conséquent le nombre de décharges x, c'est à dire la durée de transfert de charge, ou la durée de mesure de la variation de la capacitance Cx jusqu'à la détection, est fixe et ne peut pas être optimisé. En effet si on réduit le nombre de décharges x par deux, par exemple, pour réduire la durée de mesure, la capacité de référence C3 est divisée par deux selon l'équation (2), et par conséquent, la sensibilité du capteur ΔCX du capteur est dégradée, puisqu'elle est multipliée par deux selon l'équation (3). Avec un tel dispositif, il n'y a donc aucun moyen d'optimiser la durée de mesure du capteur capacitif sans impacter sa sensibilité.
Cependant, la durée de mesure du capteur capacitif doit être extrêmement rapide :
• le mécanisme d'ouverture de la portière doit être complètement transparent pour le conducteur. En effet ce dernier s'attend à une ouverture de la portière aussi rapide que dans le cas d'une ouverture d'une poignée mécanique.
• la consommation du capteur doit être minimisée, car il fonctionne durant de longues périodes lorsque le véhicule est à l'arrêt. Hors la consommation étant liée à la durée de mesure, si la durée de mesure est réduite, la consommation baisse.
Cependant, comme détaillé ci dessus, étant donné que la réduction de la durée de mesure engendre une diminution de la précision du capteur, ceci peut provoquer des détections trop tardives. Il existe donc un compromis nécessaire entre la durée de mesure et la précision, c'est à dire la sensibilité du capteur souhaitée. Il y a donc un avantage important à réaliser un capteur dont la sensibilité est indépendante de la durée de mesure.
La présente invention a pour but un capteur capacitif à transfert de charge dont la sensibilité est indépendante de la capacité de l'électrode et avec lequel l'optimisation de la durée de mesure, c'est à dire la réduction du nombre de décharges est possible sans impacter la sensibilité du capteur.
On atteint ces buts de l'invention, au moyen d'un dispositif de mesure d'une variation ΔCX de la capacitance d'une structure capacitive variable Cx, comprenant :
• une tension d'alimentation VCc,
• des moyens pour charger la structure capacitive variable à partir de la tension d'alimentation,
• des moyens pour décharger la structure capacitive variable vers une capacité de référence C3 en un nombre de décharges fixe x,
• des moyens pour mesurer une tension aux bornes de la capacité de référence V3, • des moyens pour charger une structure capacitive de mesure CM, à partir de la tension d'alimentation, • des moyens pour décharger la structure capacitive de mesure vers la capacité de référence en un nombre de décharges variable n,
• des moyens pour détecter un seuil de tension VTH aux bornes de la capacité de référence, ledit dispositif étant configuré/programmé pour que la décharge de la structure capacitive de mesure, en un nombre de décharges variable, dans la capacité de référence après que la structure capacitive variable ait été déchargée du nombre de décharges fixe dans la capacité de référence. Ceci afin que la variation du nombre de décharges variable par rapport à un nombre de décharges précédemment obtenu permette d'estimer la variation de la capacité de la structure capacitive variable.
Avantageusement, un seuil de détection Th prédéterminé d'un nombre de décharges de la structure capacitive de mesure dans la capacité de référence est défini, correspondant à la variation de la capacité de la structure capacitive variable de la valeur Cx à la valeur Cx+ ΔCX. Dans un premier mode de réalisation, le nombre de décharges prédéterminé et fixe de la structure capacitive variable vers une capacité de référence est défini par : χ = Th x C M A C x
Dans un deuxième mode de réalisation, le nombre de décharges variable de la structure capacitive de mesure dans la capacité de référence est défini lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence est égale au seuil de tension :
C s x ln( 1 - ^-OL — ) + x x C x n = V-ÇC _
C u
Suivant une caractéristique importante de la présente invention, la mesure de la variation de la structure capacitive variable est indépendante de la structure capacitive variable et équivaut à :
Δ C r = Tk X C "
X
De manière judicieuse, la valeur de la structure capacitive de mesure est fixe et inférieure à la capacitance de la structure capacitive variable.
Dans un troisième mode de réalisation, la capacité de référence est déterminée lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence est inférieure au seuil de tension : xx C,
Cc > 'X
In(I - -^)
V c1 e De manière avantageuse, la capacité de référence présente une capacité supérieure à celle de la structure capacitive variable et la capacité de mesure présente une capacité inférieure à celle de la structure capacitive variable.
Dans un mode de réalisation préférentiel, la capacité de mesure présente une capacité équivalente à une capacité résiduelle.
Dans un mode de réalisation combinant les précédents, le dispositif comprend en outre des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la structure capacitive variable et des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la capacité de mesure. Bien sur, l'invention s'applique à tout capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en œuvre un dispositif de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable, comprenant par exemple une électrode de détection disposée au sein de l'équipement, et la capacité de la structure capacitive variable étant déterminée entre l'électrode de détection et l'environnement proche de l'électrode de détection, l'équipement dans lequel l'électrode de détection est disposée pouvant être une poignée de portière d'un véhicule.
L'invention concerne aussi tout procédé de réduction du temps de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable, mettant en œuvre le dispositif décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge selon l'art antérieur, décrit précédemment,
- la figure 2 représente une vue schématique d'une poignée de portière d'un véhicule intégrant un capteur capacitif à transfert de charge,
- la figure 3 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge selon l'invention.
Comme illustré à la figure 2, le capteur capacitif à transfert de charge 3, intégré dans une poignée 6 de portière de véhicule comporte une électrode 4, dont la capacité Cx est variable et une capacité de référence Cs, située sur un circuit imprimé 5, ce dernier aussi intégré dans la poignée 6. Lorsque la main du conducteur se rapproche de la poignée 6 de la portière de la position éloignée 1 à la position rapprochée 2 (figure 2), la capacitance de l'électrode Cx augmente d'une valeur ΔCX, cette variation ΔCX est mesurée à l'aide de la capacité de référence C3, située sur le circuit imprimé 5 connecté à l'électrode 4. Si cette capacitance est au dessus d'un seuil, cela signifie que la main du conducteur est dans une position rapprochée 2 de la poignée de la portière, et qu'il demande son ouverture. L'art antérieur, illustré à la figure 1 , décrit un tel capteur capacitif mesurant la variation de la capacitance d'une capacité variable en effectuant un cycle constitué d'un grand nombre de charges et de décharges x de la capacité de l'électrode Cx dans la capacité de référence Cs jusqu'à atteindre un seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence Vs égal à VTH. L'estimation de la variation de la capacitance de l'électrode Cx par rapport au cycle précédent est réalisée à partir de la variation du nombre de décharges x de la capacité de l'électrode Cx dans la capacité de référence Cs qu'il a fallu effectuer pour atteindre le seuil de tension VTH aux bornes de la capacité de référence Cs. La présente invention propose d'ajouter à ce dispositif une troisième capacité, appelée capacité de mesure CM (figure 3) pour réaliser la mesure de la variation de la capacité Cx de telle manière que la sensibilité du capteur ΔCX soit indépendante de la capacité de l'électrode Cx mesurée et aussi que l'optimisation de la durée de mesure jusqu'à la détection (c'est à dire le nombre de charges et/ou décharges) du capteur capacitif soit possible sans impacter sa sensibilité ΔCX. La capacité de mesure CM est connectée à la masse et alimentée par la tension d'alimentation VCc- Deux commutateurs S3 et S4, permettent de charger la capacité de mesure CM à partir de la tension d'alimentation VCc, puis de décharger cette capacité dans la capacité de référence Cs en un nombre variable de décharge n. Un compteur de transfert de charge (non représenté) compte le nombre de décharges n de l'électrode de mesure CM vers la capacité de référence Cs. Un microcontrôleur (non représenté) calcule, à partir de ce nombre de décharges n, et du nombre décharges fixe x, connu, la capacité de l'électrode Cx. La durée de mesure est proportionnelle au nombre N total de décharge, N étant égal à la somme entre le nombre fixe de décharge x et le nombre variable de décharge n.
Le transfert de charge selon l'invention se décompose en deux phases : l'acquisition et la mesure.
La phase d'acquisition consiste en un transfert de charge classique de la capacité de l'électrode Cx vers la capacité de référence Cs- La différence avec le transfert de charge classique est que le transfert de charge s'arrête après un nombre de décharges fixe x et non lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence Vs atteint un seuil de tension VTH.
La phase de mesure consiste en un transfert de charge, d'un nombre variable de décharges n, de la capacité de mesure CM vers la capacité de référence Cs jusqu'à ce que la tension aux bornes de la capacité de référence V3 atteigne la tension de seuil VTH.
Durant la phase d'acquisition, la charge de la capacité de l'électrode Cx est transférée dans la capacité de mesure C3 de la manière suivante : • 1ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité de l'électrode Cx à partir de la tension d'alimentation VCc> pour cela le premier commutateur S1 est fermé et le deuxième commutateur S2 est ouvert,
• 2ème étape : une fois la charge de Cx terminée, le premier commutateur S1 est ouvert,
• 3ème étape : la décharge de la capacité de l'électrode Cx vers la capacité de référence Cs peut commencer. Pour cela, le premier commutateur S1 reste ouvert et le deuxième commutateur S2 est fermé,
• 4ème étape : une fois la décharge de Cx dans Cs réalisée, le deuxième commutateur S2 est ouvert,
Le troisième et le quatrième commutateur S3 et S4 sont ouverts durant cette phase. Par conséquent CM n'est ni chargé, ni déchargé durant cette phase.
Ce cycle de charges et de décharges est répété un nombre de fois x prédéterminé et fixe. Durant la phase de mesure, la charge de la capacité de mesure CM est transférée dans la capacité de référence C5 jusqu'à ce que la tension aux bornes de cette capacité V5 atteigne un seuil VTH-
• 1ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité de mesure CM- Pour cela le troisième commutateur S3 est fermé et le quatrième S4 est ouvert,
• 2ème étape : une fois la charge de CM terminée, le troisième commutateur S3 est ouvert,
• 3ème étape : la décharge de la capacité de mesure CM vers la capacité de mesure C3 peut commencer. Pour cela, le troisième commutateur S3 reste ouvert et le quatrième commutateur S4 est fermé,
• 4ème étape : une fois la décharge de CM vers C3 réalisée, le quatrième commutateur S4 est ouvert.
Le premier et le deuxième commutateur S1 et S2 sont ouverts durant cette phase. Par conséquent Cx n'est ni chargé, ni déchargé durant cette phase. Ce cycle est répété jusqu'à ce que la tension aux bornes de la capacité de référence V3 atteigne la tension de seuil VTH. Le nombre de décharges variable (appelé n) nécessaire à atteindre le seuil représente une image de la capacité Cx. La capacité de référence Cs est ensuite complètement déchargée en fermant le commutateur S pour la prochaine mesure. Les équations régissant le fonctionnement du capteur à transfert de charge linéaire sont les suivantes : l'équation de transfert de charge de la capacité de l'électrode Cx dans la capacité de référence C5 est inchangée au principe de l'art antérieur (cf. équation 1 ).
Cependant l'équation régissant le transfert de charge de la capacité de mesure CM dans la capacité de référence Cs est maintenant dépendante de la capacité de mesure CM et de la capacité de l'électrode Cx :
V s ( n ) = V cc x ( l - ( 1 - ^r X ( I - -^-) " ) (4)
Ce qui donne, quand la tension aux bornes de la capacité de référence V8 est égale à la tension seuil VTH, un nombre de décharges variable n équivalant à :
C s x ln( 1 - ]—m — ) + x x C r n = Vss. — (5)
C M
Un seuil de détection Th est défini. Ce seuil est égal à un nombre de décharges n de la capacité de mesure CM vers la capacité de référence Cs, correspondant à la détection de la main du conducteur sur la poignée 6 de la portière. Par exemple, Th est égal à cinq, signifie que la détection est réalisée lorsque cinq transferts de charge de la capacité de mesure CM, vers la capacité de référence Cs ont été réalisés. Ces cinq transferts de charge signifient que la capacité de l'électrode a varié d'une valeur ΔCX significative, c'est à dire que la main du conducteur touche la poignée 6 de la portière et qu'il demande son ouverture. Il est à noter que la définition du seuil Th est identique à celle de l'art antérieur à l'exception qu'il s'applique dans l'invention au nombre de transfert de décharge variable n, et non au nombre de décharges x.
Th étant défini comme correspondant à la différence entre les deux états de l'électrode entre la capacité Cx et la capacité Cx+ ΔCX, il est donc égal à :
C s x ln( 1 - ]~m — ) + x x C x Th = V-^
C
V
C J x ln( 1 - TH -) + x x ( C + Δ C
V
C u
Soit : Th x C M ., = x x Δ C par conséquent la variation ΔCX de la capacitance de l'électrode Cx est donnée par l'équation suivante :
Λ „ Th x C u
A C x = ^- (6) x
Ainsi la sensibilité du capteur ΔCX selon l'invention n'est plus dépendante de la capacité variable de l'électrode Cx. Elle n'est plus déterminée que par le nombre de décharges fixe de la phase d'acquisition x et la valeur de la capacité de mesure CM, et du seuil de détection Th qui sont aussi des valeurs fixes (cf. équation 6).
Afin d'obtenir une bonne précision sur la valeur de la capacité de l'électrode Cx, la valeur de la capacité de mesure CM doit être inférieure à la valeur de la capacité de l'électrode Cx. On peut par exemple fixer la valeur de la capacité de mesure CM au minimum, c'est à dire équivalente à la valeur d'une capacité résiduelle, c'est à dire à 10 pF. La valeur de la capacité de mesure CM étant fixée, nous pouvons ensuite en déduire x selon l'équation 7.
Th x C u x = V— (J)
A C x Une fois le nombre x de décharges déterminé, la valeur de la capacité de mesure Cs peut être déterminée. En effet pour que le transfert de charge de la capacité de mesure CM vers la capacité de référence Cs puisse se faire, il faut qu'après le nombre x de décharges de la capacité de l'électrode Cx vers la capacité de mesure CM, la tension aux bornes de la capacité de référence V5 n'ait pas atteint la tension seuil de détection VTH- Par conséquent une condition s'impose sur V3 : Vs< VTH-
La tension seuil en fonction du nombre de décharges x, V5 (x), est donnée par l'équation (1 ).
Par conséquent, la condition Vs< V™ équivaut à :
Vm > Vcc x {\ - (I -^ α Y) C'est à dire
C X \ v
0 -^ V1 L) < (i ce Cs
Et donc
In(I - ^) < x x ln(l --^) y ce UJ
En utilisant le développement limité de ln(1 +x) :
Figure imgf000012_0001
On obtient
C C x x In(I — ) ≈ -x x -JL
C ^s C U5
Et par conséquent - X X C y
In(I - ^) "ce
Puisque la valeur de la tension seuil VTH est inférieure à la valeur de la tension d'alimentation, la valeur de l'expression In (1- VTH / VCc) est négative, et on obtient r > I x x ^x IΛ\
In(I _ Iz«.)
V v ce
La capacité de référence Cs a donc une valeur minimum pour un nombre donné de décharges x, afin d'atteindre la précision ΔCX.
En appelant la valeur de la capacité de référence C3 selon l'invention, CS2, et en la comparant à la valeur de la capacité de référence Cs de l'art antérieur, que l'on appellera CSi, qui est définie par l'équation (3), c'est à dire :
Figure imgf000013_0001
et en faisant l'hypothèse que les valeurs des paramètres du seuil de détection Th, de la capacité de l'électrode Cx, de la sensibilité du capteur ΔCX, de la tension d'alimentation Vcc et de la tension seuil VTH sont identiques entre l'art antérieur et l'invention, on obtient : x x ΔCV
C - C l X
Th x C, Etant donnée la valeur du nombre de décharges fixe x, défini à l'équation (7) et le fait que la valeur de In (1- VTH / VCc) est négative, on obtient :
C S2 = CS, x^ (9)
La valeur de la capacité de mesure CM étant définie comme étant très inférieure à la valeur de la capacité de l'électrode Cx, on obtient par conséquent, CS2<CSi. La capacité de référence selon l'invention CS2 a une valeur plus petite que celle utilisée pour l'art antérieur CSi et ceci pour la même précision ΔCX du capteur.
Par conséquent le nombre total de décharges selon l'invention, c'est à dire N, est inférieur au nombre de décharges de l'art antérieur, x. La durée de mesure est donc fortement réduite par l'invention sans impacter la précision du capteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. L'invention s'applique aussi à tout procédé de mesure d'une variation ΔCX d'une capacitance Cx mettant en œuvre le dispositif selon l'invention et détaillé ci dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure d'une variation (ΔCX) de la capacitance d'une structure capacitive variable (Cx), comprenant :
• une tension d'alimentation (VCc).
• des moyens pour charger la structure capacitive variable (Cx) à partir de la tension d'alimentation (VCc),
• des moyens pour décharger la structure capacitive variable (Cx) vers une capacité de référence (Cs) en un nombre de décharges fixe (x),
• des moyens pour mesurer une tension aux bornes de la capacité de référence (Vs), • des moyens pour charger une structure capacitive de mesure (CM), à partir de la tension d'alimentation (VCc),
• des moyens pour décharger la structure capacitive de mesure (CM) vers la capacité de référence (Cs) en un nombre de décharges variable (n),
• des moyens pour détecter un seuil de tension (VTH) aux bornes de la capacité de référence (C3), caractérisé en ce que le dispositif est configuré/programmé pour que la décharge de la structure capacitive de mesure (CM), en un nombre de décharges variable (n), dans la capacité de référence (C5) est réalisée après que Ia structure capacitive variable (Cx) ait été déchargée du nombre de décharges fixe (x) dans la capacité de référence (Cs) et en ce que la variation du nombre de décharges variable (n) par rapport à un nombre de décharges précédemment obtenu permet d'estimer la variation (ΔCX) de la capacité de la structure capacitive variable (Cx).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, un seuil de détection (Th) prédéterminé d'un nombre de décharges de la structure capacitive de mesure (CM) dans la capacité de référence (Cs) est défini, correspondant à la variation (ΔCX) de la capacité de la structure capacitive variable (Cx).
3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre de décharges fixe (x) de la structure capacitive variable (Cx) vers la capacité de référence(Cs) est défini par
Th x C M x = ^~
A C x
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de décharges variable (n) de la structure capacitive de mesure (CM) dans la capacité de référence (Cs) est défini lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence (V3) est égale au seuil de tension (VTH) : C s x ln( 1 - V—^- — ) + JC x C x n = V—^- —
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure de la variation de la structure capacitive variable (ΔCX) est indépendante de la structure capacitive variable (Cx) et équivaut à :
Δ C χ = Th X C «
X
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de la structure capacitive de mesure (CM) est fixe et inférieure à la capacitance de la structure capacitive variable (Cx).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité de référence (Cs) est déterminée lorsque la tension aux bornes de la capacité de référence (V3) est inférieure au seuil de tension (VTH) : x x Cv
Cs ≥
In(I - ^)
V1 ce
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité de référence (Cs) présente une capacité supérieure à celle de la structure capacitive variable (Cx).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la capacité de mesure (CM) présente une capacité inférieure à celle de la structure capacitive variable (Cx).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la capacité de mesure (CM) présente une capacité équivalente à une capacité résiduelle.
1 1. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la structure capacitive variable (Cx).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation, commandés pour charger et/ou décharger la capacité de mesure (CM).
13. Capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en œuvre un dispositif de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable (Cx) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure capacitive (Cx) dont la variation de capacité est détectée comprend une électrode de détection disposée au sein du dit équipement, la capacité de la structure capacitive étant déterminée entre ladite électrode de détection et l'environnement proche de la dite électrode de détection.
14. Capteur capacitif, selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'équipement dans lequel l'électrode de détection est disposée est une poignée de portière d'un véhicule.
15. Procédé de mesure d'une variation de la capacité d'une structure capacitive variable (Cx), appelée (ΔCX), mettant en œuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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