Tandis que l'excitation est à son comble concernant le rôle des capteurs dans les dispositifs portables et les smartphones, les consommateurs sont déjà entourés de capteurs dans leurs véhicules. Ces capteurs vérifient l'efficacité et la sécurité de leur conduite, rendent compte de l'état du véhicule aux conducteurs et règlent les systèmes du véhicule pour garantir des performances maximales. En réalité, la voiture est aujourd'hui l'un des systèmes couramment utilisé qui compte le plus de capteurs.
Et ce n'est que le début. Dans un futur proche, les voitures joueront le rôle de chauffeurs, pour vous conduire automatiquement vers une destination sans que vous ne touchiez la pédale d'accélération ou le volant, car elles éviteront soigneusement les obstacles et choisiront l'itinéraire le plus rapide tout en vous divertissant. Pour arriver à cela, les voitures se pareront de plusieurs nouvelles fonctions de détection qui fonctionneront de concert pour proposer des actions et des choix intelligents.
Les capteurs automobiles d'aujourd'hui
Aujourd'hui, de nombreuses fonctions dans les voitures reposent sur les capteurs. Parmi les capteurs les plus communément utilisés se trouvent l'airbag, les accéléromètres, le collecteur, les capteurs de pression absolue (MAPS), les capteurs de vitesse de lacet et les moniteurs de pression des pneus.
Conformément à la législation américaine, les airbags sont obligatoires pour les passagers depuis 1984. Aujourd'hui, la majorité des systèmes d'airbag utilisent des accéléromètres basés sur les MEMS pour détecter les décélérations rapides (accidents), et certains véhicules n'en utilisent pas moins de 12 pour les accidents à l'avant, sur le côté et à l'arrière. Analog Devices, Texas Instruments, Freescale Semiconductor et Infineon comptent parmi les principaux fabricants d'accéléromètres.
L'Agence américaine de protection de l’environnement était chargée de présenter les capteurs MAP pour réduire la pollution atmosphérique et optimiser l'économie de carburant. Un capteur MAP mesure la pression dans le collecteur d'admission. Ces mesures sont ensuite utilisées par un ordinateur de bord afin de déterminer le mélange optimal air/carburant. Ces capteurs sont fabriqués par Honeywell, Freescale, EPCOS et bien d'autres.
Les capteurs de vitesse de lacet, qui mesurent le taux de rotation autour d'un axe central, sont utilisés conjointement avec un Global Positioning System (GPS) pour déterminer l'emplacement du véhicule ; ils sont également utilisés pour déterminer l'orientation du véhicule lors d'un retournement ou d'un dérapage incontrôlé. Analog Devices, Omron et Murata ont tous présenté des solutions basées sur les MEMS pour des applications de retournement, navigation et contrôle dynamique du véhicule.
Puisque le sous-gonflage des pneus entraîne des problèmes de sécurité (comme la chaleur et l'usure excessives ou l'augmentation de la probabilité d'éclatement) et augmente la consommation de carburant, l'Agence fédérale américaine chargée de la sécurité routière (NHTSA) a imposé la mise en place d'un programme pour les systèmes de surveillance de la pression des pneus sur les modèles datant de 1995. Ces systèmes de surveillance sont obligatoires sur les nouvelles voitures vendues aux États-Unis depuis 2007.
Le capteur TPMS classique d'aujourd'hui utilise les MEMS pour mesurer directement la pression des pneus. Il est installé sur la jante de chaque pneu, et envoie sans fil des mesures à un module de contrôle pour analyse et interprétation. Un nouveau capteur n'est pas nécessaire à chaque changement de pneu, mais un recalibrage des capteurs de temps à autre peut s'avérer judicieux, de la même façon qu'un rééquilibrage des pneus sur un véhicule.
Récemment, Freescale a présenté le TPMS FXTH8715 conçu pour les camions et les autres véhicules de grande taille (Figure 1). Les séries sont réputées pour être les TPMS sans fil entièrement intégrées les plus petites (7 mm x 7 mm x 2,2 mm) et les plus précises (±17 kPa) du secteur. Dans un seul paquet QFN, le système de capteurs intègre des capteurs de pression et de température ainsi qu'un accéléromètre à un axe (axe Z) ou deux axes (axes X et Z) avec un émetteur RF, un récepteur basse fréquence 125 kHz et un microcontrôleur 8 bits (cœur S08) avec carte SIM, interruption et débogage/moniteur. Ce système peut intelligemment récupérer et transmettre des données de pression, de température et d'accélération pour permettre des analyses sophistiquées, afin non seulement d'améliorer la maintenance de la flotte, mais aussi de transformer le TPMS en nœud final à valeur ajoutée sur l'Internet des objets.
Pour les carburants alternatifs
Les principaux fabricants automobiles et leurs fournisseurs de premier rang travaillent sur de nouvelles applications basées sur des capteurs pour les véhicules nouvelle génération. Les capteurs pour les véhicules à carburant alternatif (comme le diesel, l'hybride, l'électrique, le gaz naturel et l'hydrogène), la surveillance améliorée de la navigation et des performances et enfin le fonctionnement autonome présentent un intérêt majeur.
Des exigences plus strictes en matière d'émission ont poussé les fabricants de véhicules diesel à adopter plusieurs nouveaux systèmes nécessitant des capteurs spécialisés, par exemple, des capteurs pour mesurer la pression interne des cylindres. Sensata, conjointement avec Beru, a développé un capteur de pression interne des cylindres qui utilise une technologie de jauge de déformation piézorésistive, actuellement utilisée dans les véhicules de production VW. Optrand développe des capteurs robustes qui utilisent la détection à fibre optique. Le but est d'avoir des capteurs capables de survivre à des températures de 350 °C, tout en fonctionnant à des pressions de 30 000 psi avec une précision de 1 pour cent.
De plus, les systèmes de réduction catalytique sélective (SCR) sont utilisés dans l'application post-traitement des gaz d’échappement. Un système SCR classique possède 14 capteurs dont 10 capteurs de température, 3 capteurs de pression et 1 capteur de qualité d'urée. Le capteur de qualité d'urée mesure la concentration nécessaire en urée ainsi que la présence de liquides indésirables.
Measurement Specialties (une société de TE Connectivity) a récemment présenté le FPS2800B12C4, un capteur de propriété des fluides pour les applications automobiles. Il peut être directement installé dans la galerie d'huile ou le système de carburant du moteur pour surveiller la qualité et les lubrifiants. Il s'agit d'un module entièrement intégré avec tous les capteurs nécessaires et un microprocesseur embarqué qui peut accepter les tensions automobiles classiques (12 V ou 24 V) et est enfermé dans un paquet particulièrement robuste pour être utilisé dans les environnements corrosifs ou haute pression/haut débit. Le module est calibré en usine avec des fluides traçables NIST et utilise un protocole universel CAN J1939 pour se connecter à un contrôleur hôte.
Figure 2 : le capteur de TE Connectivity utilise une technologie de diapason brevetée pour surveiller les multiples propriétés physiques d'un fluide et traiter simultanément les relations dynamiques entre les propriétés.
Un composant clé des véhicules alimentés par une pile à combustible à hydrogène est la surveillance de la pression du réservoir. American Sensor Technology fournit un capteur de pression pour les conditions extrêmes qui utilise la technologie de jauge de déformation piézorésistive, et est disponible dans un format 300 psi pour le côté bas et 3 000 psi pour le côté haut des systèmes à réservoir à hydrogène. Ces capteurs peuvent résister à la nature corrosive des milieux hydrogènes à des températures de 145 °C et possèdent une précision de ± 1 pour cent. Actuellement installés sur des véhicules de transport de grande taille, ces capteurs sont en bêta test dans une flotte de location européenne Mercedes Benz.
Pour les véhicules électriques et traditionnels, Freescale Semiconductor a présenté un capteur intelligent de surveillance de la batterie, le MM912x637, compatible avec les batteries au plomb 12 V et lithium-ion 14 V. Il détermine le niveau de charge, l'état de santé et le bon fonctionnement de la batterie en mesurant la tension et la température actuelle et en introduisant les données dans un microcontrôleur avec des algorithmes intégrés de performances de la batterie. Il fournit également une alerte anticipée de déchargement et d'usure inhabituels de la batterie (Figure 3).
Figure 3 : présenté dans l'intérieur d'un connecteur de câble de batterie, le capteur de surveillance de la batterie MM912x637 de Freescale mesure la tension et la température actuelles pour fournir une alerte anticipée de déchargement et d'usure de la batterie. (Source : www.electronicproducts.com)
Vers des véhicules autonomes
Lors du Salon Consumer Electronics de janvier dernier, Daimler a présenté son concept-car Mercedes-Benz F015 et Audi a montré un Q7 équipé de ce que la marque a appelé une « conduite pilotée ». Pour concevoir des véhicules autonomes, un large éventail de nouveaux capteurs sera obligatoire. Par exemple, différents types de capteurs télémétriques et d'image seront nécessaires pour une régulation adaptative de la vitesse et un contrôle du freinage d'urgence, pour les changements de voie/les angles morts et l'aide au parking. De nombreuses technologies sont actuellement examinées pour ce que nous appelons l'assistance au conducteur, afin d'augmenter la sécurité des véhicules aujourd'hui.
Leddar constitue un bel exemple de système télémétrique. Découvert à l'origine par le National Optics Institute (INO) de Québec, puis développé et commercialisé par LeddarTech, Leddar utilise le temps de parcours des signaux lumineux générés par des DEL et des algorithmes uniques pour détecter, localiser et mesurer les objets dans son champ de vision. Pour ce faire, il envoie de très courtes impulsions lumineuses environ 100 000 fois par seconde pour illuminer activement une zone d'intérêt. La lumière rétrodiffusée depuis des objets (fixes ou mobiles) sur la zone de détection de Leddar est capturée avec des détecteurs de photodiodes P-I-N ou à avalanche (ou autres), et analysée avec une technologie brevetée de circuit intégré de traitement des signaux, LeddarCore, qui fournit des algorithmes hautement efficaces pour cartographier précisément l'emplacement des objets et d'autres attributs (Figure 4). L'avantage particulier de Leddar est qu'il offre des performances à la fois de courte et de longue portée, et donc peut être utilisé pour de nombreuses applications d'assistance au conducteur.
Figure 4 : le système Leddar de LeddarTech utilise le temps de parcours des impulsions lumineuses pour déterminer la distance d'un objet et d'autres attributs grâce à la technologie matérielle/logicielle de traitement des signaux LeddarCore. (Source : www.azosensors.com)
Texas Instruments propose actuellement une conceptions de référence TIDA-00151 pour développer de telles applications comme l'aide au parking ultrasonique, l'auto-parking et la détection des angles morts. Le module utilise le PGA450-Q1 de TI qui est un circuit intégré d'interface de capteur de Système sur puce (SoC) pour les capteurs ultrasoniques automobiles. Le SoC fournit l'ensemble du conditionnement et du traitement des signaux pour les échos du transducteur et le calcul de la distance entre le transducteur et les objets. Le microcontrôleur du SoC et la mémoire du programme permettent une configurabilité complète pour l'application finale spécifique.
Les systèmes de navigation ont également besoin d'être plus précis et fiables pour les véhicules autonomes. Les gyroscopes MEMS à ondes acoustiques rasantes (BAW) de Qualtré offrent des avantages incontestables en matière de performances comparés à d'autres gyroscopes MEMS pour cette application : la précision, la résistance aux chocs et vibrations, le fonctionnement à haute fréquence, un facteur Q élevé sans boîtier sous vide et l'excellente fiabilité quant à la résistance aux frottements. Le processus de fabrication, HARPSS, rend les appareils BAW manufacturables de manière fiable en termes de volume.