FR2880131A1 - Procede de mesure d'un champ magnetique faible et capteur de champ magnetique a sensibilite amelioree - Google Patents

Abstract

Un capteur de champ magnétique comprend un élément magnétorésistif (10) polarisé en courant (i) pour mesurer un champ magnétique externe (Hext). Un champ magnétique de modulation (Hm) est appliqué sur une zone sensible dudit capteur et le capteur comprend un dispositif (14) de détection synchrone pour mesurer l'amplitude d'un harmonique impair du signal de sortie.

Description

2880131 PROCEDE DE MESURE D'UN CHAMP MAGNETIQUE FAIBLE ET

CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE A SENSIBILITE AMELIOREE

La présente invention se rapporte aux capteurs de champ magnétique en champs faibles, et plus particulièrement aux capteurs magnétorésistifs utilisés pour la mesure de champs faibles, c'est à dire inférieurs ou égaux au champ magnétique terrestre.

On notera que la notion de champ faible peut être liée à la distance entre la source magnétique et le capteur ou à la taille de la source magnétique elle-même.

On rappelle qu'un capteur magnétorésistif utilise la magnétorésistance des matériaux et nanostructures ferromagnétiques, c'est io à dire la variation de la résistance électrique d'un conducteur sous l'effet du champ magnétique qui lui est appliqué. En pratique un tel capteur nécessite l'application d'un courant de polarisation i. La tension de sortie Vs obtenue est fonction du courant de polarisation i et de la magnétorésistance et permet donc la lecture de la valeur du champ magnétique appliqué. Selon les capteurs, cette mesure de tension est longitudinale, c'est à dire selon la même direction que le courant i, ou transverse, c'est à dire dans une direction orthogonale. On sait réaliser de tels capteurs pour la mesure de champs faibles, typiquement de l'ordre de 10-4 oersteds à quelques oersteds (1 oersted = 10-4 teslas). Ils sont typiquement réalisés par des empilements de couches, avec des configurations magnétiques particulières. La zone sensible du capteur peut être très petite. Ils peuvent être réalisés sur des substrats semiconducteurs, ce qui permet l'intégration monolithique du capteur avec une électronique de traitement de signal associée.

Notamment les capteurs utilisant la magnétorésistance géante GMR ou la magnétorésistance tunnel TMR (ou SDT pour Spin Dependent Tunneling) sont largement employés dans tous les domaines de l'industrie pour la détection ou la mesure. Les magnétomètres, capteurs d'altitude, détection de cap, de mines, capteurs de courant, de signature magnétique sont autant d'exemples d'utilisation.

Dans l'invention, on s'intéresse plus particulièrement à la mesure, et donc à des capteurs fournissant en sortie une réponse linéaire et 2880131 2 réversible en fonction du champ appliqué, sur une certaine étendue de mesure.

Un capteur GMR comprend au moins deux couches ferromagnétiques séparées, dont les vecteurs d'aimantation peuvent avoir des orientations différentes dans le plan suivant le champ magnétique extérieur. On connaît notamment des structures multicouches comprenant une répétition d'une alternance de couches conductrices ferromagnétiques et de couches conductrices non ferromagnétiques, qui offrent un effet de magnétorésistance géante important. Cet effet de magnétorésistance géante io GMR traduit la dépendance en spin de la résistance de cette structure magnétique artificielle. L'effet total exploitable est de l'ordre d'une dizaine de pourcents de la résistance de la zone sensible (où les effets magnétiques se produisent) de la structure magnétique. Un exemple de réalisation d'un tel capteur est illustré sur la figure 1. Il correspond à une structure décrite dans le brevet français N 98 15697. II comprend un empilement en forme de bande de deux couches 1 et 2 d'un matériau magnétique, séparées par un matériau conducteur non magnétique 3. Par exemple l'empilement 1/3/2 peut être du type Co/Cu/FeNi. Le courant de polarisation i circule dans l'ensemble des couches conductrices 1, 2 et 3. La mesure de tension Vs suit dans l'exemple une géométrie longitudinale.

Un exemple de capteur TMR décrit dans le brevet français N 00 06453 est illustré sur la figure 2. II comprend un empilement de couches FM1/1/FM2/AF, où FMI et FM2 sont deux couches métalliques ferromagnétiques (Co, Fe ou NiFe par exemple), I, une fine couche isolante et AF, une couche de matériau antiferromagnétique (par exemple un antiferromagnétique tel que FeMn ou IrMn). Avec une telle structure on a une magnétorésistance tunnel TMR (ou SDT) qui traduit la dépendance du courant dans la jonction tunnel formée par la barrière isolante I, en fonction des orientations relatives des aimantations situées de part et d'autre de cette jonction. Ce phénomène correspond à la conservation du spin des électrons lorsqu'ils traversent la barrière isolante par effet tunnel. Le courant i circule entre les couches conductrices FM1 et FM2, à travers la barrière isolante I. La tension Vs est mesurée aux bornes des couches FMI et FM2.

On sait réaliser de tels capteurs GMR ou TMR avec une configuration magnétique conçue pour fournir en sortie un signal de réponse 2880131 3 Vs linéaire et réversible en fonction du champ magnétique appliqué, au moins dans une certaine gamme de mesure. Les deux brevets précités en fournissent au moins un exemple.

Un problème commun à ces capteurs magnétorésistifs, est que dans les applications de mesure de champs faibles, pour lesquelles le capteur fonctionne à faible fréquence, typiquement inférieure à 1 kilohertz, la précision du signal de sortie fourni par ces capteurs est principalement limitée par la dérive thermique du signal. La dérive thermique du signal de sortie, est en effet la principale composante de bruit à faible fréquence io (autour de 1 Hz) de ces capteurs. Ceci est particulièrement gênant en particulier pour la mesure de faibles champs ou de champs nuls.

On a vu qu'un capteur magnétorésistif reçoit un courant de polarisation i, et en réponse, fournit à ses bornes un signal de tension Vs représentatif du champ extérieur Hext appliqué sur la zone sensible du capteur. Un tel dispositif est schématiquement représenté sur la figure 3a.

Le signal de sortie Vs est illustré sur la figure 3b, et représente la variation de tension en fonction du champ appliqué Hext.

D'une manière générale, on peut exprimer la résistivité R d'un capteur magnétorésistif GMR ou TMR en fonction du champ magnétique He,d 20 appliqué ce qui s'écrit: R= Ro + S. Hext.

En prenant comme hypothèse que la couche magnétique de détection est un monodomaine magnétique, on peut écrire: R. vs =Ro+ S.Hext où VS est la tension de sortie mesurée du capteur, i le courant de polarisation du capteur, Ro la composante isotrope (l'offset) de la résistance qui varie avec la température, et S la composante variable avec le champ Hext (c'est à dire la pente de la courbe de réponse).

La tension de sortie donnée par Vs=R.i peut s'écrire de façon similaire: Vs= Vo + vs. La courbe normalisée de réponse correspondante en fonction du champ appliqué Hext est celle illustrée sur la figure 3b. En ordonnées, on a la variation vs de la tension de sortie Vs, rapportée à la variation de tension maximum vsc que l'on peut mesurer, obtenue pour Hext = Hc. En abscisses, on le champ externe normalisé, c'est à dire Hext/Hc.

2880131 4 Cette courbe de réponse présente deux coudes de saturation, pour une valeur de champ caractéristique Hc, à laquelle correspond la valeur vsc, et pour une valeur de champ caractéristique -Hc. La valeur caractéristique Hc dépend des propriétés propres à la structure du capteur considéré. On comprend que la valeur de Hc peut être plus ou moins grande, permettant la mesure d'un champ d'amplitude plus ou moins importante.

Le signal de mesure du champ provient du second terme de l'équation (soit S.Hext) et conduit en pratique à une variation de quelques fractions de pourcents par oersteds.

Io Or dans le même temps, Ro, la partie isotrope de la résistance, varie avec la température de quelques fractions de pourcents par degré. Ce qui veut dire en d'autres termes, que si on veut réaliser un capteur précis à un millioersted, il faut prévoir que la température ambiante dans l'environnement capteur soit stable à mieux que 1 millikelvin, ce qui est un problème dont la résolution paraît particulièrement difficile.

L'homme de l'art a donc cherché à réduire les effets de cette dérive thermique. Des solutions pour réduire les effets de la résistance d'offset des capteurs GMR ou TMR sont connues, parmi lesquelles on peut citer un procédé décrit dans le brevet français N 98 15697, qui consiste à effectuer deux mesures entre lesquelles le sens de l'aimantation est inversé, puis à effectuer la soustraction entre les deux résultats obtenus. Ce procédé a cependant des effets limités par les effets de couplage entre les couches magnétiques, à travers la couche d'espacement non magnétique.

Il est aussi connu d'utiliser des montages de type pont de Wheatstone, pour résoudre le problème de dérive thermique de ces capteurs magnétorésistifs. Une telle solution peut être trouvée par exemple dans les brevets français précités. Elle nécessite typiquement au moins quatre capteurs, un par branche. Cependant cette solution pose un certain nombre de problèmes pratiques, notamment celui de la réalisation des amenées de courant. Elle nécessite pour être efficace que les résistances d'offset Ro des capteurs soient identiques, pour que l'équilibrage des branches du pont soit réalisé. Mais il est difficile d'obtenir des résistances d'offset identiques à mieux que 1% dans le cas des capteurs GMR, ce qui revient à diviser la résistance Ro par 100 dans l'équation eq.1. Ce problème est plus complexe dans le cas des capteurs TMR, car la résistance d'offset Ro de la jonction 2880131 5 tunnel des capteurs TMR est une fonction exponentielle de l'épaisseur d de la barrière isolante (Ro proportionnelle à e+ ) : une fluctuation de l'épaisseur d entre deux capteurs du pont, même de très faible amplitude, entraîne un déséquilibre significatif du pont. La tolérance sur l'épaisseur d de la barrière, dues aux contraintes technologiques de fabrication rend difficile en pratique d'obtenir l'équilibrage d'un pont de Wheatstone. Une solution décrite dans l'article intitulé "Picotesla field sensor design using spin- dependent tunneling Devices" de Mark Tondra et al, au J. Appl. Phys. 83 (11) 6688 (01 Jun 1998) consiste à utiliser dans chacune des branches du pont, N jonctions tunnel (N io capteurs TMR) disposées en série ou en parallèle. On obtient ainsi une réduction statistique du bruit dans un facteur. Pour qu'une telle solution soit efficace, il faut cependant que N soit suffisamment grand, ce qui conduit à une grande complexité technologique du dispositif, en particulier pour la réalisation des amenées de courant. Par ailleurs le nombre N d'éléments nécessaires est aussi un facteur de limitation.

Ainsi, dans le domaine des capteurs en champ faible, le problème du bruit de dérive thermique, qui limite leur sensibilité, n'est pas résolu de manière satisfaisante.

L'invention a pour objet une amélioration de la sensibilité des capteurs magnétorésistifs, plus particulièrement des capteurs GMR ou TMR.

Selon l'invention, un système de détection d'un champ magnétique comprend un élément magnétorésistif traversé par un courant de polarisation et un dispositif permettant d'appliquer un champ de modulation dans une zone sensible de l'élément magnétorésistif, en sorte que l'on parvienne à l'un des coudes de saturation (He,t = H, ou Hc) de la variation de la magnétorésistance. La tension de sortie mesurée aux bornes de l'élément magnétorésistif est fonction du champ extérieur à mesurer et du champ modulé : elle est l'image des variations de la magnétorésistance avec le champ magnétique total appliqué.

On montre que cette modulation permet en sortie de s'affranchir de l'offset Ro de la magnétorésistance, en sorte que l'on améliore la sensibilité du capteur.

L'amplitude des harmoniques impairs du signal de sortie ainsi obtenu, est linéaire autour du champ nul, dans une certaine gamme de mesure. L'extraction d'un harmonique impair du signal de sortie, à la 2880131 6 fréquence de modulation, donne donc une mesure du champ extérieur qui est indépendante de la valeur d'offset Ro du capteur, et donc de sa dérive thermique.

En pratique, cette modulation en champ est applicable pour la mesure d'un champ Hext petit devant l'amplitude Ha du champ modulé. On détermine Ha de manière appropriée, notamment en fonction de la valeur de saturation Hc du capteur considéré.

De façon remarquable, l'extraction du troisième harmonique donne une mesure directe du champ extérieur. Par contre, la gamme de io mesure associée, correspondant à la zone linéaire de l'amplitude de cet harmonique en fonction du champ, est réduite.

Dans un perfectionnement, le champ modulé comprend une composante continue Ho, que l'on peut faire varier par paliers, de manière à étendre la zone de mesure du capteur, par gammes.

La valeur de cette composante Ho peut aussi être asservie, par une boucle de contre-réaction, pour imposer un champ nul sur la zone sensible du capteur. La valeur du champ extérieur est alors déduite de la valeur de la composante continue Ho.

L'invention concerne donc un procédé de mesure d'un champ magnétique faible, comprenant l'utilisation d'un élément magnétorésistif polarisé en courant, caractérisé en ce qu'il comprend l'application d'un champ de modulation dans une zone sensible de l'élément magnétorésistif, l'extraction d'un harmonique impair d'un signal de sortie dudit élément magnétorésistif, pour fournir une mesure dudit champ magnétique faible à partir de l'amplitude dudit harmonique.

L'invention concerne aussi un capteur de champ magnétique, pour la mesure d'un champ magnétique externe faible, comprenant un élément magnétorésistif et des moyens de polarisation en courant dudit élément, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'application d'un champ magnétique de modulation contrôlé en fréquence et en amplitude et un dispositif de détection synchrone d'un signal de sortie dudit élément pour mesurer l'amplitude d'un harmonique impair du signal de sortie.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront 35 plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et 2880131 7 non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels: -la figure 1 illustre schématiquement un capteur GMR de l'état de la technique; -la figure 2 illustre schématiquement un capteur TMR de l'état de la technique; -les figures 3a et 3b représentent respectivement un dispositif de mesure d'un champ magnétique externe appliqué dans une zone sensible d'un élément magnétorésistif, et la courbe de réponse associée en fonction io de l'amplitude du champ extérieur appliqué; - la figure 4 illustre schématiquement, un dispositif de mesure de champ magnétique selon l'invention; -la figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif de mesure de champ magnétique selon l'invention, comprenant des moyens 15 externes de génération d'un champ de modulation dans une zone sensible d'un élément magnétorésistif; - la figure 6 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, comprenant une couche conductrice apte à générer un champ de modulation dans la zone 20 sensible de l'élément magnétorésistif selon l'invention; -la figure 7 donne les courbes de variation de tension de sortie d'un élément magnétorésistif en fonction d'un champ externe appliqué, et en fonction de l'amplitude du champ de modulation appliqué selon l'invention; -la figure 8 représente les amplitudes des quatre premiers harmoniques du signal, en fonction d'un champ extérieur, pour un champ de modulation d'amplitude donnée; -la figure 9 détaille les amplitudes des harmoniques 1 et 3, et la zone linéaire de mesure associée; -la figure 10 illustre la variation d'amplitude de l'harmonique 1, dans le cas où la composante continue du champ de modulation est prise sensiblement égale à la valeur caractéristique Hc de saturation de l'élément magnétorésistif, -la figure 11 est un schéma bloc d'un circuit de sélection de gamme de mesure qui peut être utilisé dans le capteur selon l'invention, et 2880131 8 -la figure 12 est un schéma bloc d'un capteur selon l'invention, avec une boucle de contre-réaction pour asservir la valeur de la composante continue du champ de modulation à l'amplitude mesurée en sortie.

Un capteur d'un champ magnétique extérieur Hext selon l'invention comprend, comme illustré schématiquement sur la figure 4: un élément magnétorésistif 10, ayant une magnétorésistance R, un générateur 11 de courant de polarisation i, i0 des moyens 12 de génération d'un champ de modulation Hm à une fréquence de modulation f dérivée d'un signal d'horloge Clk, fournit par un exemple par un oscillateur local 13, un dispositif de traitement de signal 14 comprenant un dispositif de détection synchrone à la fréquence de modulation f du signal de sortie Vs de l'élément magnétorésistif 10. Ce dispositif électronique fournit le résultat de la mesure mes(Hext) du champ extérieur Hext.

En pratique, le dispositif de détection synchrone est configuré pour détecter l'amplitude d'un harmonique impair du signal de sortie. Cet harmonique est de préférence le fondamental h1, détecté à la fréquence f de modulation du champ Hm. Dans une variante, c'est le troisième harmonique h3, détecté à la fréquence 3f.

Le dispositif de mesure comprend en pratique un générateur de fréquence, typiquement un oscillateur local, qui fournit un signal d'horloge de référence Clk, aux moyens 12 de génération du champ de modulation et au dispositif électronique de traitement 14.

Les moyens 12 de modulation peuvent être des moyens externes, non intégrés. Une telle configuration est schématisée sur la figure 5. Le capteur comprend alors un boîtier monolithique C dans lequel sont intégrés les éléments 10, 11 et 14 de la figure 4 et par exemple une paire de bobines électromagnétiques B1, B2 disposées de part et d'autre du boîtier et commandées de façon appropriée, typiquement par un générateur de 2880131 9 courant sinusoïdal pour générer le champ de modulation Hm dans l'environnement du boîtier C. Ces moyens 12 peuvent encore être intégrés à la structure de l'élément magnétorésistif 10, par exemple une structure telle que représentée sur la figure 1 ou la figure 2. Le capteur peut alors être intégré dans un boîtier monolithique. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 6, les moyens de modulation 12 comprennent une bande conductrice 16 disposée de manière appropriée au dessus ou au-dessous de l'élément magnétorésistif 10. Un courant de modulation im est appliqué sur cette io bande, généré par un générateur 17 de courant sinusoïdal à la fréquence f désirée, en sorte de créer le champ de modulation Hm dans l'environnement de l'élément magnétorésistif. Une couche 15 d'un isolant est prévue entre la surface de l'élément magnétorésistif et la bande conductrice 16.

La bande 16 est de préférence plus large que l'élément 15 magnétorésistif 10, pour avoir un champ de modulation Hm homogène sur tout l'élément magnétorésistif.

En pratique, l'homme du métier adapte l'intégration de la bande conductrice 16 en fonction de la configuration de l'élément magnétorésistif considéré.

Le principe de mesure de champ avec un capteur selon l'invention va maintenant être expliqué, en se plaçant dans le cas où la zone sensible de détection magnétique est un monodomaine magnétique, ce qui permet une expression mathématique simplifiée. Mais l'invention ne se limite pas à ce cas particulier, et s'applique d'une manière générale à toute couche magnétique de détection.

De manière courante la zone sensible désigne la zone où se produisent des effets de magnétorésistance, dont la définition pratique dépend de la structure de l'élément magnétorésistif.

On a vu précédemment en relation avec la figure 3b, que la magnétorésistance R de l'élément magnétorésistif 10 en fonction du champ externe appliqué Hext sur la zone sensible du capteur, peut s'écrire: R=3_ =Ro+ S.Hext= Ro + dR (eq.1).

La tension de sortie donnée par Vs=R.i peut s'écrire de façon 35 similaire: Vs= Vo + vs. 2880131 10 La courbe normalisée de réponse correspondante, est celle illustrée sur la figure 3b. Elle donne la variation vs de la tension de sortie Vs, rapportée à la variation de tension maximum vsc obtenue pour Hext égal à la valeur de saturation Hc, en fonction du champ appliqué Hext. En abscisse, on a les valeurs normalisées du champ externe, c'est à dire Hext/Hc.

Pour Hext=O, dR (ou vs) =0.

Cette courbe de réponse est composée de trois segments de droite, un de pente g1, autour de la valeur de champ nul (Hext=O) et deux de pentes g2. Les changements de pente se font pour les valeurs de champ io caractéristique -He et +He du champ appliqué : ce sont les valeurs de champ pour lesquelles on arrive à saturation de l'élément magnétorésistif considéré.

Selon l'invention, on applique un champ modulé Hm, qui comprend de façon générale une composante continue Ha et une composante modulée Ha, par exemple une composante modulée de façon sinusoïdale.

Ce champ Hm peut s'écrire comme suit: Hm=Ho + Hacos(0), ou Ha est l'amplitude maximale de la composante variable du champ Hm, et Ho sa composante continue. La valeur Ha est toujours positive. Par contre, l'amplitude de la composante alternative du champ de modulation, Ha.cos(0) , est alternativement positive et négative. 0 vaut (2iri.f.t), où t est le temps et f la fréquence.

Si on note Hext, le champ extérieur à détecter, le champ total appliqué à l'élément magnétorésistif s'écrit donc: Happ=Hext + Ho + Hacos(0) (eq.2).

L'équation 1 devient: R_ sv =Ro+ S.Happ= Ro + dR (eq.1).

La tension de sortie Vs aux bornes du capteur est modulée.

Cette modulation est choisie telle que l'on parvienne à l'un des 30 coudes de saturation de la variation dR de la résistance RM.

On choisit par exemple de se placer sur le coude de saturation positif, obtenu pour une amplitude de champ total appliqué égal à +Hc.

Le champ de modulation étant choisi, les valeurs de Ho et Ha étant fixées avec Ho>_0, on limite l'étude à la mesure d'un champ extérieur dont les valeurs sont situées dans l'intervalle suivant: 2880131 11 Ha< _Hc et Hc-Ho-Ha < Hex < Hc-Ho+Ha. (Cond.1).

Dans ces conditions Ho a une valeur positive ou nulle. De préférence, on prend HO égale à la valeure caractéristique de saturation soit HO=Ho.

De préférence, on choisit Ha proche ou égal à la valeur de saturation Ho, afin de bénéficier d'une gamme de mesure la plus grande.

On peut aussi bien choisir de se placer sur l'autre coude de saturation. Les conditions de modulation se déduisent de l'équation 2 et des conditions 1 (Cond. 1) précédentes. L'homme du métier saura adapter le cas io échéant les différentes équations, pour se placer sur l'autre coude de saturation. Notamment Ho sera négative ou nulle, de préférence égale à la valeur caractéristique de saturation, soit Ho=-Ho.

Dans la suite, on considère le coude de saturation positif. Selon l'invention, la valeur du champ de modulation est telle que le champ total Happ a des excursions de part et d'autre de la valeur Ho, ce qui signifie que l'on a une modulation de champ autour du coude de saturation.

Si on reprend la figure 3b, entre les deux coudes de saturation, c'est à dire pour un champ total Happ inférieur à Ho (en valeur absolue), on a: 20 Vs=g 1. Happ=g l (Hext+Ho+Ha cos(0)).

Après le coude de saturation positif, c'est à dire pour Happ supérieur à Ho, la tension de sortie Vs du dispositif s'écrit: Vs=g1.Hc + g2(Happ-Hc) ce qui est aussi égal à Vs=g1.Ho +g2(Hacos(0) - Hacos(0o)) avec 0o l'angle défini par Hext+Ho+ Hacos(0o)=Hc, soit cos(0o)=(Hext+Ho- Hc)/Ha Sur la figure 7, on a représenté les courbes f(0) de la variation de la tension de sortie normalisée vs/vso en fonction de 0, avec comme 30 paramètres suivants de la modulation: Ha=0.8Hc et Ho =0.

Chaque courbe correspond à une valeur différente du champ extérieur Hext à mesurer.

On peut voir que la fonction f(0) est paire: f(0)=f(-0).

La décomposition en série de Fourier est donc une somme de 35 cosinus et d'une composante continue.

2880131 12 Sur la figure 8, on a représenté l'amplitude des quatre premiers harmoniques du signal de sortie Vs, en fonction du champ externe à mesurer (en représentation normalisée toujours). Ces courbes ont été obtenues en pratique par simulation numérique, en prenant comme paramètres de la modulation de champ Hm, Ha=Hc et Ho = Hc: On a ainsi le mode fondamental h1 (avec un offset hi non nul, égal à 0,5), le deuxième harmonique h2, le deuxième harmonique h3, le quatrième harmonique h4.

On peut remarquer que les harmoniques pairs, c'est à dire h2 et h4, sont des fonctions paires en champ, en sorte qu'elles ne sont pas exploitables pour la mesure du champ externe.

Par contre les harmoniques impairs h1 et h3 présentent une variation linéaire autour du champ nul. La figure 9 (mêmes conditions de modulation en champ que pour la figure 8) met en évidence ces parties linéaires de la variation de l'amplitude des harmoniques h1 et h3 avec le champ externe Hext à mesurer. Pour simplifier l'exposé, on utilise la même notation hi pour désigner un harmonique et son amplitude.

Si on considère le mode fondamental, on peut montrer que son amplitude h1 s'écrit: h1=Ha g2 gl arcosl H, H-r Ho +g1 g2 H c H-t Ho JHâ (Ht Hext Ho) 2 +gl HQ l Ha 7r Ha (eq.3).

Cette amplitude h1 du fondamental est donc indépendante de la valeur d'offset de la fonction de transfert du capteur, et donc de la dérive thermique.

Sa dérivée peut s'écrire: dhl -2g2 gl I1 'Hc Hr Ho 12 dHexr 7r lrl Ha /I On peut montrer que sa dérivée est maximale pour Hc=Hext+Ho. Cette propriété est intéressante, car elle indique que l'on a une sensibilité de mesure maximum au point P (figs. 8 et 9) où l'on a Ho=Hc, avec une échelle de mesure maximale autour de ce point.

On a donc intérêt à choisir la composante continue Ho du champ de modulation Hm non nulle, et de préférence sensiblement égale à H. 10 15 2880131 13 En effet, avec Ho=Hc, l'amplitude du premier harmonique h1 donnée par la formule (eq.3) devient: hl=Ha g2 g'arcos H'r_ gl g2 /11-1, 2,, /11-1,2,, /11-1,2,, H +glÉHa Ha) Ha e.4 (q) Le tracé de cette amplitude h1 en fonction du champ extérieur Hext (en valeurs normalisées) à mesurer est repris sur la figure 10 (correspond aux conditions de simulation de la figure 8). On a une portion linéaire dans la plage de mesure de -0.4Hc - à 0.4Hc.

Ces propriétés du mode fondamental montrent que l'on obtient lo facilement une mesure du champ externe Hext, connaissant les paramètres g1, g2 de la fonction de transfert du capteur et l'amplitude Ha du champ de modulation Hm.

En effet, dans le contexte qui nous intéresse, à savoir la mesure de champs faibles ou nuls, l'amplitude H. du champ modulant est grande devant le champ à mesurer He,t. Dans ces conditions, le développement limité au premier ordre en Hext/Ha de cette équation eq.4 conduit à l'équation: hl=Ha g2 gl +Hexr gl g2Hr+glHa, ce qui donne,r 2 Ha,r h1=gl2g2Ha+2g glHexrÉ Le signal de sortie démodulé, c'est à dire la mesure de h1, comprend un offset (le premier terme de eq.5) et un terme utile directement proportionnel à la quantité recherchée Hext (le deuxième terme de (eq.5).

Hext s'exprime donc comme une fonction de l'amplitude de l'harmonique h1, mesurée en sortie (Vs) de l'élément magnétorésistif 10, caractéristiques g l, g2 de la fonction de transfert de l'élément magnétorésistif 10 et de l'amplitude Ha de la modulation appliquée. La mesure de Hext comprendalors la soustraction de l'offset qui ne dépend que des caractéristiques g1, g2 de la fonction de transfert de l'élément magnétorésistif 10 et de l'amplitude Ha de la modulation appliquée. Ceci est réalisé en pratique par une électronique de traitement adaptée pour déduire la mesure du champ externe en fonction de g1, g2 et Ha. i0

2880131 14 La tension de sortie d'un capteur magnétorésistif est faible. Dans l'invention, on lui fait correspondre un signal de sortie Vs à une fréquence f de modulation non nulle. Un autre avantage de l'invention est alors la transposition en fréquence du signal de sortie, dans le cas où l'on fait suivre le capteur d'une électronique d'amplification. Cette transposition en fréquence facilite l'amplification et contribue à améliorer le rapport signal sur bruit de la mesure, car la fréquence f de travail est alors éloignée de la zone (environ 1 hertz) où existe le bruit basse fréquence de l'électronique d'amplification. Dans un exemple la fréquence de modulation f est de l'ordre de 10 KHz.

Dans une variante de l'invention, on obtient un signal directement exploitable de mesure du champ extérieur Hext.

Dans cette variante, on extrait de préférence le troisième harmonique h3 du signal de sortie de l'élément magnétorésistif.

En effet, il est remarquable que pour l'amplitude h3 du troisième harmonique représenté sur la figure 8, l'offset h3 correspondant obtenu à champ nul, est quasiment nul. Cet harmonique permet donc une mesure directe du champ externe Hext. Par contre, la gamme de mesure est alors plus étroite, la section linéaire étant plus faible que pour le premier harmonique h1 et la sensibilité donnée par la pente de la section linéaire, est plus faible que pour le premier harmonique h1. Typiquement, pour h3, cette gamme va de -0.35Hc à +0.35Hc.

Un perfectionnement de l'invention, consiste alors à utiliser la composante continue H du champ de modulation, pour effectuer une translation en champ, selon la valeur du champ Hext à mesurer. On augmente l'étendue de mesure en introduisant une notion de gammes de mesure.

Ainsi, en fonction du champ externe à mesurer, et comme schématiquement illustré sur la figure 11, on prévoit que le dispositif selon l'invention comprend un circuit 20 de sélection d'une gamme g parmi n gammes de mesure. Selon la gamme g sélectionnée, on obtient une valeur Ho(g). Un schéma d'un dispositif correspondant est montré sur la figure 11.

Typiquement H (g) est égal à Hc plus ou moins un multiple d'une quantité AH0. Par défaut, H est égal à Hc. La sélection de gamme peut en pratique être mise en oeuvre de façon manuelle ou automatique. Cette 2880131 15 sélection est intéressante pour étendre la dynamique de mesure d'un capteur utilisant pour la mesure, le troisième harmonique h3. Mais elle s'applique aussi pour le fondamental h1.

Si on reprend la figure 9, le changement de gamme est effectué à chaque fois que l'on atteint une amplitude de l'harmonique h1 qui se situe en limite de l'étendue de mesure, vers le point LI ou le point L2. Le changement de gamme est obtenu en modifiant la valeur de H , de manière à se retrouver dans une zone de mesure proche du point P. Dans une autre variante représentée sur la figure 12, qui peut s'appliquer aussi bien pour une mesure basée sur h1 ou h3, cette composante continue Ho est contrôlée par une boucle de contre-réaction 200, en sorte que l'on mesure en sortie un champ nul sur l'élément magnétorésistif. La valeur du champ externe Hext est alors déduite de la valeur de Ho.

Si on considère par exemple le cas de l'harmonique h1 dont la courbe (normalisée) de variation avec Hext est donnée sur la figure 9, un asservissement est réalisé par la boucle de contre-réaction 200 pour être toujours au point P, de coordonnées h1=0,5 (=offset noté hl), et Hext=O.

L'asservissement consiste alors à faire varier la composante continue Ho du champ de modulation Hm, pour lire toujours h1=0,5.

Un asservissement comparable peut être obtenu dans le cas de l'harmonique h3. Dans ce cas il est réalisé pour toujours lire h3=0.

La valeur asservie Ho(t) (stabilisée) donne alors la valeur du champ externe. On a en effet: Ho(t)=Hc + Hext. Ainsi, on obtient la valeur de Hext=Hc-Ho(t) Une réalisation pratique d'un tel dispositif à boucle de contre-réaction 200 est schématiquement représenté sur la figure 12. La valeur de la composante continue Ho du champ de modulation Hm est asservie à la valeur de mesure de sortie de l'harmonique hi, pour être égal à la valeur d'offset hi . La valeur OUT de sortie du dispositif de mesure du champ extérieur Hext est alors calculée comme indiqué ci- dessus, d'après la valeur de Ho(t) après stabilisation de la boucle.

10 15 20 25 2880131 16 L'invention qui vient d'être décrite s'applique à tous les domaines concernés par des champs faibles. Elle ne se limite pas à l'utilisation des magnétorésistances GMR, TMR. Elle s'applique à toute configuration magnétique avec une magnétorésistance ayant une réponse linéaire et réversible en fonction du champ appliqué. Ainsi, l'invention peut aussi s'appliquer à des éléments de magnétorésistance anisotrope AMR.

Les moyens de modulation, démodulation, asservissement de la composante continue sont réalisés par tout dispositif électronique adapté io connu de l'homme du métier, selon l'état de l'art.

Claims (3)

17 REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure d'un champ magnétique faible (Hext), comprenant l'utilisation d'un élément magnétorésistif (10) polarisé en courant (i), caractérisé en ce qu'il comprend l'application d'un champ de modulation (Hm) dans une zone sensible de l'élément magnétorésistif et l'extraction d'un harmonique impair d'un signal de sortie (Vs) dudit élément magnétorésistif, pour fournir une mesure dudit champ magnétique (Hext) à partir de l'amplitude dudit harmonique.

2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il Io consiste à extraire le mode fondamental (hl).

3. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à extraire le troisième harmonique (h3).

4. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique de modulation appliqué a une composante variable dont l'amplitude maximale (Ha) est inférieure ou égale à une valeur caractéristique (Ha) de saturation en champ dudit élément magnétorésistif.

5. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique de modulation appliqué (Hm) a une composante continue (Ho).

6. Procédé de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite composante continue (Ho) est égale à une valeur caractéristique (Ha) de saturation en champ dudit élément magnétorésistif.

7. Procédé de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle de contre-réaction qui asservit la valeur de ladite composante continue à l'amplitude (h1, h3) dudit harmonique mesuré en sortie.

2880131 18 8. Procédé de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un sélecteur (20) d'une gamme de mesure (g), ledit sélecteur déterminant une valeur de la composante continue (Ho) du champ de modulation (Hm), en fonction de l'amplitude (h1, h3) dudit harmonique mesuré en sortie.

9. Capteur de champ magnétique, pour la mesure d'un champ magnétique externe faible (Hext), comprenant un élément magnétorésistif (10) io et des moyens de polarisation en courant (i) dudit élément, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (12) d'application d'un champ magnétique de modulation (Hm) contrôlé en fréquence (f) et en amplitude (Ha), et un dispositif (14) de détection synchrone d'un signal de sortie (Vs) dudit élément (10) pour mesurer l'amplitude d'un harmonique impair du signal de sortie.

10. Capteur de champ magnétique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (14) de détection synchrone du fondamental (h1) du signal de sortie.

11. Capteur de champ magnétique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (14) de détection synchrone du troisième harmonique (h3) du signal de sortie.

12. Capteur de champ magnétique selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le champ magnétique de modulation (Hm) appliqué a une composante variable dont l'amplitude maximale (Ha) est inférieure ou égale à la valeur caractéristique (Ha) de saturation en champ dudit élément magnétorésistif.

13. Capteur de champ magnétique selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le champ magnétique de modulation appliqué (Hm) a une composante continue (Ho).

2880131 19 14. Capteur de champ magnétique selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite composante continue (Ho) est égale à une valeur de champ de saturation (Hc) caractéristique dudit élément magnétorésistif.

15. Capteur de champ magnétique selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle de contre-réaction (200) qui asservit la valeur (Ho(t)) de ladite composante continue à l'amplitude dudit harmonique mesuré en sortie.

io 16. Capteur de champ magnétique selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend un sélecteur (20) d'une gamme de mesure (g), ledit sélecteur déterminant la valeur de la composante continue (Ho).

17. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que les moyens (12) pour appliquer le champ magnétique de modulation sont intégrés à la structure dudit élément magnétorésistif, lesdits moyens comprenant une bande conductrice (16) disposée au-dessus ou au-dessous d'une zone sensible dudit élément magnétorésistif (10).

18. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que les moyens (12) pour appliquer le champ magnétique de modulation sont externes à l'élément magnétorésistif.

19. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une paire de bobines (B1, B2) source d'un champ magnétique.

20. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 4 à 14 précédentes, caractérisé en ce que ledit élément magnétorésistif est une magnétorésistance géante GMR ou une magnétorésistance tunnel TMR.