FR2963432A1

FR2963432A1 - Capteur integre de mesure de tension ou de courant a base de magnetoresistances

Info

Publication number: FR2963432A1
Application number: FR1056329A
Authority: FR
Inventors: Lecoeur Myriam Pannetier; Claude Fermon; Alain Giraud; Francis Roy
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: PSA Automobiles SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-03
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: FR2963432B1

Abstract

Le capteur intégré comprend des bornes (1, 2) de connexion à un générateur dont la tension ou le courant est à mesurer, reliées à une ligne de mesure (4, 5) métallique dans laquelle circule un courant proportionnel à la tension ou au courant du générateur qui est à mesurer, et des magnétorésistances (31, 32, 33, 34), telles que des magnétorésistances géantes ou des magnétorésistances tunnel. La ligne de mesure métallique comprend au moins des premier et deuxième tronçons (4, 5) allongés et parallèles dans lesquels le courant circule en sens opposés, reliés à une portion (3) destinée à fermer la ligne de mesure, l'ensemble de la ligne de mesure métallique (3, 4, 5) étant disposée sur une couche d'isolation galvanique (8), elle-même disposée sur une portion de circuit intégré de détection comprenant les magnétorésistances (31, 32, 33, 34) qui présentent elles-mêmes chacune une partie sensible qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés (4, 5) de la ligne de mesure métallique.

Description

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un capteur intégré de mesure de tension ou de courant à base de magnétorésistances, telles que des magnétorésistances géantes ou des magnétorésistances tunnel présentant une isolation galvanique importante, le capteur comprenant des première et deuxième bornes de connexion à un générateur dont la tension ou le courant est à mesurer, reliées à une ligne de mesure métallique dans laquelle circule un courant proportionnel à la tension ou au courant du générateur qui est à mesurer, ledit courant circulant dans cette ligne créant un champ magnétique mesuré à distance par les magnétorésistances. L'invention s'applique notamment à la mesure de tension de générateurs électriques embarqués comportant une pluralité de cellules élémentaires, telles les piles à combustible pour des applications automobiles. Le domaine auquel se rapporte cette invention est celui de systèmes électroniques embarqués pour la lecture, le traitement et la transmission de la mesure d'une pluralité de sources de tension délivrée dans un contexte environnemental sévère. Entre autres les exigences réglementaires et sécuritaires au vu d'une application automobile imposent une isolation galvanique de l'ordre de 1500V entre l'unité de mesure et la source à mesurer, le niveau d'isolation galvanique étant plus généralement défini par 2*U + 1000V RMS où U est la tension maximum de fonctionnement.

Art antérieur de référence 1 Ce besoin technologique de mesure d'une pluralité de tensions a déjà été mis en évidence dans le document de brevet FR 2 934 419 Al. La solution technologique présentée dans ce document de l'art antérieur est basée sur un principe de conversion tension/fréquence et la transmission d'un signal binarisé au travers d'optocoupleurs assurant l'isolation galvanique demandée. Toutefois, ce type de dispositif nécessite une alimentation spécifique pour assurer la mesure. Selon ce document, l'énergie est ainsi directement puisée sur les plaques bipolaires de la pile à combustible alimentées en hydrogène et en oxygène.

On connaît par ailleurs différents systèmes dans lesquels des mesures de tensions sont effectuées à l'aide de dispositifs intrusifs qui sont utilisés pendant les phases de mise au point des piles à combustible. Dans ce cas, aucune alimentation embarquée, ni module de mesure, ne sont nécessaires, puisque de tels dispositifs ne restent pas à demeure dans le véhicule, mais ces dispositifs de mesure ne permettent pas d'effectuer un diagnostic permanent interagissant avec le contrôle/commande du système pile à combustible par exemple. Par ailleurs, pour les piles disposant d'un grand nombre de cellules, cela signifie la présence d'ombilicaux assez contraignants pour l'environnement même de la pile et l'utilisation de boîtiers intermédiaires ou de cartes d'acquisition complexes, commerciales ou dédiées, maintenant une isolation correcte entre la pile et le banc de mesures. Pour les systèmes restant à demeure dans le véhicule, on connaît l'utilisation d'un système électronique embarqué utilisant principalement un convertisseur analogique-numérique et un microcontrôleur associé pour lire, établir éventuellement un diagnostic et transmettre la donnée numérisée. En général, l'isolation galvanique est maîtrisée (> 1500V). Le système est alimenté par un convertisseur continu/continu à partir de la batterie ou de toute source de tension externe et la transmission de la donnée passe par un convertisseur optoélectronique. Ce système composé d'un convertisseur et d'un microcontrôleur permet de lire plusieurs cellules multiplexées sur le ou les canaux du convertisseur, référencés à un même potentiel. Cette lecture peut être directe lorsque la pile n'est formée que d'un petit nombre de cellules, et tant que la tension de la dernière cellule reste compatible avec la tension fournie par le convertisseur continu/continu. Ce n'est plus le cas lorsque le nombre de cellules devient important. On doit alors ramener par pont de résistances les tensions des différentes cellules à des niveaux compatibles avec les caractéristiques du convertisseur et gérer de nombreux multiplexeurs avec le risque inhérent à l'acheminement d'un grand nombre d'informations (présence de nombreux potentiels dans le routage, diaphonie, précision, commutations,

On connaît encore l'utilisation de plusieurs convertisseurs continu/continu à partir d'une source externe à la pile (batterie, alimentation, ...) afin de fournir plusieurs sources d'alimentation de systèmes de diagnostic autonomes gérés en parallèle. Cette méthode permet de disposer de plusieurs référentiels et de regrouper les cellules en paquets associés chacun à un convertisseur et un microcontrôleur. De tels systèmes sont fortement pénalisés par l'encombrement et par la complexité du traitement des informations. Les systèmes susmentionnés ne donnent pas entière satisfaction lorsque l'on vise des applications où les contraintes d'encombrement et de fiabilité deviennent prépondérantes, comme dans le cas d'une application au domaine automobile qui implique notamment les contraintes suivantes: - Encombrement réduit, - Dissipation thermique des différents modules, - Précision de la mesure des tensions de chaque cellule qui peut être affectée par la présence des ponts diviseurs et des commutateurs utilisés pour mesurer des tensions parfois faibles et fluctuantes, - Fiabilité de la mesure durant toute la vie du véhicule, malgré le vieillissement des composants, - Compatibilité des principes de mesures et de conditionnements des données avec le réseau CAN (« Controller Area Network ») du véhicule. Par ailleurs, le développement de capteurs magnétorésistifs à base de magnétorésistances géantes (GMR) ou de magnétorésistances tunnel (TMR) fait l'objet d'intenses développements au niveau mondial. La première application est les têtes de lecture de disques durs qui sont maintenant fabriquées à l'aide de cette technologie. Les autres applications sont plus récentes et couvrent surtout des capteurs de position ou d'angle.

La société NVE (www.nve.com) a lancé récemment la commercialisation d'un capteur de courant constitué d'un pont de GMR et d'une ligne de courant. On peut aussi citer en référence la publication Pannetier-Lecoeur, M; Fermon, C; de Vismes, A, et al., JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS Vol 316 Pages: E246-E248 (2007) qui décrit un capteur de courant à base de GMR. Les magnétorésistances tunnel (TMR) présentent une plus grande sensibilité que les magnétorésistances géantes (GMR) mais aussi un bruit plus important et une fabrication plus difficile. Elles peuvent être avantageusement utilisées dans le cas où les températures de fonctionnement doivent dépasser les 180°c.

Objet et description succincte de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre de disposer d'un capteur intégré avec une isolation galvanique importante, qui permette des mesures de tension ou de courant pour des générateurs embarqués et autorise une mise en oeuvre compacte et fiable.

Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un capteur intégré de mesure de tension ou de courant à base de magnétorésistances, comprenant des première et deuxième bornes de connexion à un générateur dont la tension ou le courant est à mesurer, reliées à une ligne de mesure métallique, dans laquelle circule un courant proportionnel à la tension ou au courant du générateur qui est à mesurer, et au moins deux magnétorésistances de mesure du champ magnétique créé à distance par ledit courant circulant dans ladite ligne de mesure, caractérisé en ce que la ligne de mesure métallique comprend au moins des premier et deuxième tronçons allongés et parallèles dans lesquels le courant circule en sens opposés, reliés à une portion destinée à fermer la ligne de mesure, l'ensemble de la ligne de mesure métallique étant disposée soit sur une couche d'isolation galvanique, elle-même disposée sur une portion de circuit intégré de détection, soit sous une couche d'isolation galvanique , elle-même disposée sous une portion de circuit intégré de détection, ladite portion de circuit intégré de détection comprenant lesdites au moins deux magnétorésistances qui présentent elles-mêmes chacune une partie sensible qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés de la ligne de mesure métallique afin d'être sensible au champ créé par le courant circulant dans la ligne de mesure. Les magnétorésistances peuvent être des magnétorésistances géantes ou des magnétorésistances tunnel. De préférence, ladite portion de circuit intégré de détection comprend un pont de magnétorésistances et des pistes de liaison à au moins un contact de polarisation en tension Vcc, un contact de masse et des contacts de pôles négatif Vin- et positif Vin+ d'une tension différentielle de sortie. Avantageusement, les magnétorésistances présentent chacune la forme d'un C avec une branche centrale longitudinale qui constitue ladite partie sensible qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés de la ligne de mesure métallique afin d'être sensible au champ créé par le courant circulant dans la ligne de mesure. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, chacun des premier et deuxième tronçons allongés de la ligne de mesure métallique comprend un rétrécissement dans une zone voisine d'une zone superposée à une piste de liaison à un contact de masse, du côté desdites première et deuxième bornes, lesdits rétrécissements servant de fusible intégré en cas de défaut d'isolation créé par un pic de surtension.

Avantageusement, dans le cas de magnétorésistances géantes, chacune des magnétorésistances géantes présente une longueur comprise entre 100 et 500 micromètres et une largeur comprise entre 2 et 8 micromètres. Avantageusement, dans le cas de magnétorésistances tunnel, chacune des magnétorésistances tunnel présente une couche libre en forme de C de longueur comprise entre 40 et 150pm et une largeur comprise entre 2 et 8pm et une couche dure formée d'un ou de deux plots dont la taille est ajustée pour obtenir des résistances comprises entre 300 Ohms et 10 kiloOhms.

De préférence, la ligne de mesure métallique présente une résistance comprise entre 30 et 100 ohms, ce qui est adapté à des courants de l'ordre de 5 à 100 mA compte tenu des tensions habituelles à mesurer.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les premier et deuxième tronçons allongés de la ligne de mesure métallique présentent une largeur comparable à celle desdites parties sensibles des magnétorésistances.

Selon un autre aspect de l'invention, la couche d'isolation galvanique est plane et présente une épaisseur comprise entre 5 et 15 micromètres, l'épaisseur étant reliée à l'isolation galvanique souhaitée et la nature du matériau isolant choisi. Selon un mode particulier de réalisation possible, la couche d'isolation galvanique est constituée par un dépôt de résine durcie. Dans ce cas, la couche d'isolation galvanique peut comprendre un polyimide ou du bisbenzocyclotène (BCB). Selon un autre mode particulier de réalisation, la couche d'isolation galvanique est constituée par un dépôt d'isolant céramique.

Dans ce cas, la couche d'isolation galvanique peut comprendre une couche de S13N4 ou de AI203. Le capteur intégré selon l'invention peut être appliqué à la mesure de la tension ou du courant d'un générateur constitué par une pile à combustible présentant une tension de sortie comprise entre 0 et 1,3 V.

Le contact de polarisation en tension Vcc et le contact de masse peuvent être reliés à une batterie d'alimentation électrique présentant une tension comprise entre 1 et 12V. La résistance des GMR sera alors choisie de telle façon que le courant circulant dans celles-ci ne dépasse pas 1mA par {gym de largeur des GMR. Dans le cas des TMR, la polarisation de tension doit être choisie pour obtenir environ 0,4V sur chaque plot de la TMR. L'invention proposée permet ainsi de résoudre plusieurs problèmes importants non résolus dans les travaux de l'art antérieur.

Ainsi, la présente invention permet d'avoir une isolation galvanique importante entre la ligne de courant et le pont de magnétorésistances tout en définissant un capteur totalement intégré. Alors que des distances de l'ordre du mm sont en général utilisées, la technologie proposée permet d'avoir les lignes de courant situées typiquement à 8pm du pont de GMR. La taille et la conformation du pont de magnétorésistances choisi permettent d'obtenir des linéarités compatibles avec les spécifications nécessaires pour l'application visée. Enfin la configuration particulière des capteurs et des lignes de courant permet d'envisager une fonction fusible intégrée qui fait qu'en cas de surtension trop importante ou de décharge électrostatique dépassant un seuil ajustable, la ligne de courant intégrée peut servir de fusible instantané. L'utilisation en complément d'un champ de polarisation longitudinal permet d'améliorer encore cette linéarité. Cette technique a fait l'objet d'une publication de demande de brevet antérieure (W02007148028). L'utilisation de magnétorésistances tunnel permet en outre d'obtenir une configuration présentant une très faible consommation électrique.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique en coupe montrant à titre d'exemple les éléments constitutifs d'un capteur magnéto résistif de type vanne de spin GMR ou TMR, - la Figure 2 montre une courbe de réponse typique d'un capteur de type GMR, tel que par exemple celui de la Figure 1, respectivement sans et avec optimisation de la configuration, - les Figures 3A et 3B sont des vues schématiques des configurations 5 d'une magnétorésistance tunnel montrant la prise des contacts selon deux variantes de réalisation, - la Figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier possible d'une configuration de capteur intégré à GMR, pont de mesure et ligne de mesure métallique selon l'invention, 10 - la Figure 5 est une vue schématique du circuit électrique du capteur intégré du mode de réalisation de la figure 4, et, - la Figure 6 est un schéma partiel d'un capteur intégré selon l'invention avec une variante de réalisation de la ligne de courant de mesure conférant une fonction de fusible intégré. 15 Description détaillée de modes particuliers de réalisation

L'effet GMR de magnétorésistance géante (« Giant Magnetoresistive effect ») et l'effet TMR (« Tunnel Magnetoresistive Effect ») sont observés 20 dans des films minces métalliques composés de couches de matériaux ferromagnétiques et non ferromagnétiques. Il se manifeste par une variation importante de la résistance électrique de ces structures en présence d'un champ magnétique. La configuration usuelle d'une magnétorésistance est une vanne de spin composée d'une couche dure 25 (qui est insensible au champ magnétique) et d'une couche libre qui est en libre rotation dans le champ magnétique. La résistance de ce système change en fonction de l'angle entre la couche dure et la couche libre. Dans le cas des GMR, les deux couches sont séparées par une couche métallique et les contacts de mesure se prennent sur le dessus de l'ensemble des couches. Dans le cas des TMR, les deux couches sont séparées par une couche isolante et les contacts de mesure se prennent en dessous et au dessus de l'ensemble des couches. Pour les capteurs utilisés dans le cadre de la présente invention, la configuration préférentielle est d'avoir l'orientation en absence de champ magnétique de la couche libre perpendiculaire à la direction de la couche bloquée. Cela est réalisé d'une part en utilisant la forme du capteur, d'autre part en appliquant un champ de polarisation (« bias ») contrôlé. La direction de la couche bloquée est obtenue par recuit sous champ magnétique fort, typiquement à 260°c et 0,1T pendant quelques minutes. La figure 1 montre un exemple de représentation de cet assemblage de films minces qui constitue un capteur magnétorésistif 10 de type GMR ayant la structure d'une vanne de spin. Une vanne de spin contient typiquement une couche dure ou bloquée 22, c'est-à-dire une couche peu sensible au champ magnétique extérieur, et une couche douce ou libre 21, très sensible au champ magnétique. La couche dure 22 peut être formée soit d'un assemblage de couches ferromagnétiques présentant une forte coercivité, soit d'un mélange de couches antiferromagnétiques, artificielles ou non, couplées à une couche ferromagnétique. La couche douce est formée de matériaux magnétiques très doux. A titre d'exemple, le capteur magnétorésistif 10 de la Figure 1 peut comprendre à partir de la surface libre une couche 11 de protection en tantale, une couche magnétique douce 21 comportant une couche 12 de NiFe et une couche 13 de CoFe. Cette couche douce 21 s'oriente dans la direction du champ magnétique extérieur. Une couche magnétique dure 22 est séparée de la couche douce 21 par une couche séparatrice 14 en cuivre. La couche magnétique dure 22 peut comprendre à partir de la couche séparatrice 14, une couche 15 en CoFe et une couche 16 en IrMn. La couche dure 22 possède une direction de l'aimantation fixée lors de la fabrication. Une couche 17 de tantale peut servir de précurseur de croissance de couches supérieures ajoutées pour la mise en oeuvre du circuit. A titre d'exemple, l'assemblage de feuilles de la figure 1 peut présenter une épaisseur d'environ 30nm, tandis que les dimensions de l'ensemble de la cellule peuvent être typiquement de 200pm*30pm*5pm. Comme expliqué dans la publication « Low noise magnetoresistive sensors for current measurement and compasses » Pannetier-Lecoeur, M; Fermon, C; de Vismes, A, et al. JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS Volume: 316 Issue: 2 Pages: E246-E248 Published: 2007, l'utilisation de capteurs en forme de C permet de réduire fortement le bruit magnétique. De plus, l'application d'un champ magnétique longitudinal permet de contrôler parfaitement la réponse de chaque capteur GMR. Ce sont donc ces configurations optimisées qui sont retenues. La figure 2 montre une réponse typique (tension de sortie) d'une vanne de spin en fonction du champ appliqué H dans un cas ou la forme et le champ de polarisation ne sont pas optimisés (courbe A) et dans le cas où ils le sont (courbe B). Les figures 3A et 3B montrent des configurations de mesure d'une magnétorésistance tunnel. La figure 3A correspond à une configuration avec un seul plot 70 de magnétorésistance tandis que la figure 3B montre un mode de réalisation qui correspond à une configuration avec deux plots 71, 72 de magnétorésistance. La configuration à deux plots est avantageuse car elle permet de doubler la tension acceptable aux bornes de la magnétorésistance et donc d'avoir deux fois plus de sensibilité.

Sur la figure 3A, on voit une culasse 61 en forme de C dans la couche libre d'une TMR correspondant au contact inférieur et un deuxième contact de mesure 63 de la TMR situé au-dessus, au niveau du plot 70. Sur la figure 3B, on voit une culasse 62 en forme de C dans la couche libre d'une TMR sans contacts, un premier contact de mesure 64 de la TMR situé au-dessus au niveau du plot 71 et un deuxième contact de mesure 63 de la TMR situé au-dessus, au niveau du plot 72. Les figures 4 et 5 illustrent le principe retenu pour l'intégration des GMR dans le capteur selon l'invention.

Dans le cadre de la présente application, la polarisation est imposée par l'alimentation à tension constante entre une tension continue Vcc et la masse. Une cellule GMR 30 comprend quatre GMR 31, 32, 33, 34 montées en pont. Le courant de chacune des branches du pont est proportionnel à la résistance des GMR, donc à leur variation en présence d'un champ, ce qui est le principe même de la mesure de tension de cellule. La figure 4 représente un exemple de cellule GMR avec un pont complet 30 de quatre GMR, une couche d'isolation galvanique 8 et une ligne de mesure métallique, avec des première et deuxième bornes 1, 2 de connexion à un générateur dont la tension ou le courant est à mesurer et une ligne de mesure métallique comprenant des premier et deuxième tronçons allongés 4, 5 reliés à une portion 3 disposée transversalement par rapport aux premier et deuxième tronçons 4, 5 et destinée à fermer la ligne de mesure. L'ensemble de la ligne de mesure 3, 4, 5 est disposée sur la couche d'isolation galvanique 8, elle-même disposée sur une portion de circuit intégré comprenant le pont 30 de magnétorésistances géantes et des pistes 52, 51, 53, 54 de liaison à au moins un contact de polarisation en tension Vcc 42, un contact de masse 41 et des contacts 43, 44 de pôles négatif Vin- et positif Vin+ d'une tension différentielle de sortie.

Les magnétorésistances géantes 31, 32, 33, 34 présentent elles-mêmes la forme d'un C avec une branche centrale longitudinale qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés 4, 5 de la ligne de mesure métallique. Il est important de noter que toutes les GMR répondent de façon identique au champ magnétique extérieur ce qui implique qu'une perturbation magnétique extérieure ne déséquilibre pas le pont. Par contre, comme la ligne de mesure métallique comprend deux segments alignés avec les GMR qui sont parcourus par des courants de sens opposés, son action est opposée et donc l'apparition d'un courant dans la ligne de mesure métallique crée un déséquilibre du pont. La figure 4 montre un assemblage électrique en pont tel que mis en oeuvre dans l'invention pour garantir la précision optimum tout en s'affranchissant des champs récurrents parasites (terrestre, environnement, ...). La figure 5 montre le mode de fonctionnement en pont. On donnera maintenant quelques considérations sur le calcul de la réponse du système. La Tension cellule de pile VPILE crée un courant IBIAS selon la formule Ibis,. = vl,i,e / Rligne de courant A partir de Ibias, on peut déterminer le champ magnétique vu par les capteurs GMR. Il peut s'écrire : B = al,,.,. où le paramètre a dépend de la taille des résistances GMR, de la taille de la ligne de courant et de la distance entre les résistances GMR et la ligne de courant. La sensibilité se détermine à partir de la résistance GMR RGMR. En première approximation, la variation de résistance ARGMR en présence de champ magnétique est une fonction linéaire de ce champ. La variation est typiquement ARGMR = 0.02.B ou B est exprimé en mT. RGMR Lors d'un montage en pont comme représenté sur la figure 5, la tension différentielle de sortie est calculée à partir des valeurs données ci-dessus. Les résistances GMR sont conçues afin d'être le plus homogènes possibles. Elles sont disposées au-dessus de la ligne de courant de manière à pouvoir être sensibilisées par un champ magnétique opposé. Cela permet d'accroître la sensibilité du pont et d'éliminer les champs parasites environnants (champ terrestre, ....). En admettant que la variation des résistances RGMR soit homogène et égale à ARGMR, l'équation de transfert peut s'écrire : Vin, -Vin_ = Vcc * ARg,,,,. / Les différents coefficients de transfert étant linéaires ou quasi-linéaires en première approximation, on en déduit que Vin+-Vin_ est proportionnelle à la tension de cellule de pile VP1LE. La tension différentielle délivrée par ce transducteur reste faible et est caractérisée par deux paramètres principaux, le décalage entre les branches du pont lorsqu'aucune tension n'est délivrée par la cellule de pile (appelé OFFSET) et la dynamique issue de la sensibilité du transducteur en présence de champ magnétique découlant de la présence de tension aux bornes de la cellule de pile. Le décalage est essentiellement introduit par une non-homogénéité 20 des quatre résistances formant le pont, la dynamique étant elle-même plus liée à la technologie des matériaux du transducteur. La sensibilité typique d'une cellule GMR est de 50mV aux bornes du pont pour une tension de 1,3V. En ayant une linéarité meilleure que 1%. L'offset dépend de la qualité de fabrication, mais doit préférentiellement 25 être inférieur à 20mV. Le bruit du système après optimisation des tailles et formes du capteur est principalement relié au bruit basse fréquence des éléments GMR. Le bruit intégré sur une bande allant du courant continu à une fréquence de 100Hz est typiquement de 50nV RMS ce qui donne un bruit en tension au niveau de la mesure de 1,4pV RMS. On indiquera maintenant le principe de l'optimisation des tailles et des formes du capteur.

La ligne de mesure métallique 3, 4, 5 connectée à la cellule de pile à combustible mesurée en tension, ou à tout autre générateur du même type, est séparée du pont de mesure GMR 30 par une couche d'isolation 8 optimisée pour garantir l'isolation galvanique requise pour l'application automobile, c'est à dire 1500V.

L'alimentation du pont 30 peut donc être obtenue par une source externe stabilisée. Une utilisation de 3,3V ou 5V est souvent utilisée pour avoir une compatibilité directe avec les électroniques standard. On peut remarquer que ce capteur assure deux fonctionnalités fondamentales pour l'application de la présente invention: - assurer le rôle de transducteur en disposant d'une sortie traditionnelle d'un pont de mesure (Vin+ - Vin-), donnant directement une valeur proportionnelle à la tension de la cellule de pile à combustible mesurée, - assurer l'isolation galvanique au plus près de la mesure, évitant d'intégrer dans la chaîne d'acquisition des étages spécifiques de conditionnement des signaux pour garantir l'isolation galvanique de 1500V (contrairement à des dispositifs de l'art antérieur devant mettre en oeuvre une conversion temps-fréquence et des optocoupleurs par exemple). Par ailleurs, la conception de la ligne de mesure métallique se prête à une variante de réalisation très avantageuse, illustrée sur la figure 6 et décrite ci-dessous, où cette ligne de courant assure une fonction fusible auto protégeant la cellule de pile à combustible en cas de courant excessif au niveau de la cellule de mesure. La fonction d'auto fusible est assurée grâce à l'intégration dans la ligne de mesure d'au moins un rétrécissement ou micro-constriction 6, 7 qui sert de fusible dans le cas d'un défaut d'isolation créé par un pic de surtension. La ligne 51 d'alimentation de la masse passe sous la ligne métallique, comme représenté sur les figures 4 et 6. Au voisinage de ce point de passage, les tronçons allongés 4, 5 de la ligne métallique contiennent un rétrécissement 6, 7 légèrement décalé en direction des bornes de connexion 1, 2. En cas de pic de surtension initiant un claquage et donc un risque de lien entre l'alimentation de la pile et le circuit basse tension du pont 30, le rétrécissement décalé 6, 7 se vaporise et isole le composant de mesure qui a alors servi d'auto-fusible. Un certain nombre de paramètres permettent de définir la structure optimale pour avoir la linéarité et la dynamique recherchée pour un capteur intégré selon l'invention. L'optimisation de la taille et de la forme des GMR se base sur plusieurs critères : - La résistance recherchée, de l'ordre de 500 Ohms par bras du pont. Cela fixe des longueurs de GMR de l'ordre de 200pm pour 5pm de largeur, sachant que la résistance par surface carrée d'un empilement GMR est d'environ 12 Ohms. Dans le cas de TMR, la surface du plot fixe la résistance. Une résistance de 500 Ohms est aussi visée. - La largeur de la GMR ou TMR est préférentiellement choisie entre 4pm et 8pm. Cela assure une linéarité de réponse suffisante avant application d'un champ de polarisation mais il est possible de choisir des largeurs plus faibles si les tensions à mesurer sont plus élevées. - La forme des magnétorésistances est en C (voir les figures 3A et 3B), de telle sorte que le bruit magnétique soit réduit dans la zone de mesure. Un point important est l'homogénéité de fabrication des GMR qui doit assurer un offset du pont inférieur à 1%.

Il est à noter que la réponse intrinsèque des magnétorésistances GMR et TMR présente une variation en sensibilité d'environ 8% sur la plage de température. Cette variation de sensibilité peut être compensée en dimensionnant le champ de stabilisation longitudinal si par exemple celui-ci est créé par un aimant permanent ayant dans la plage de température voulue une décroissance en champ du même ordre. Le choix de la taille et de l'épaisseur de la ligne de courant se fait avec les critères suivants : - La résistance de la ligne de mesure métallique doit être ajustée pour que la tension de 1,5V délivre 20mA par exemple. Cela correspond à une résistance de 75 Ohms. Des valeurs de courant entre 5 et 30mA sont préférentiellement choisies selon le critère de minimiser le courant tiré de la batterie et de minimiser la puissance dissipée dans le composant tout en gardant une sensibilité suffisante par rapport à la résolution voulue. - La résistance de la ligne est donnée par la largeur de celle-ci et par son épaisseur. On choisira avantageusement une largeur de ligne comparable et plus grande que la largeur des magnétorésistances. Une largeur trop petite, (inférieure à 3pm) induira une reproductibilité moindre de la résistance. Une largeur trop grande nuira à la réponse du capteur. Des largeurs comprises entre 4pm et 20pm sont préférentiellement choisies. La résolution voulue est déterminée par le bruit du pont 30 de magnétorésistances. A basse fréquence, celui-ci est dominé par les fluctuations de résistance présentant une densité spectrale en 1/f. Pour un pont dessiné suivant les critères de taille et de forme définis plus haut, le bruit est d'environ 25nT RMS. Avec une largeur de ligne de courant égale à la largeur de la constriction et une épaisseur d'isolation de 5pm, cela correspond à une détectabilité en courant de 10pA. La qualité et la planéité de la couche d'isolation galvanique 8 est un point crucial dans les performances du dispositif. La couche doit être suffisamment épaisse pour assurer l'isolation galvanique requise (1500V à 3000V) et suffisamment plane pour que la croissance de la ligne de mesure 3, 4, 5 et sa liaison au monde extérieur (bornes de connexion 1, 2) soit faisable. On peut envisager des solutions basées sur des dépôts de résines durcies (poly-imides, BCB (Bisbenzocyclotène) par exemple) ou des dépôts d'isolants céramiques (SI3N4, AL203 par exemple). Par exemple, dans un mode de réalisation préférentiel, qui donne des couches très planes et de bonne tenue diélectrique, on utilise une couche de AI203 déposée par pulvérisation cathodique sous vapeur d'Argon+Oxygène. L'isolation galvanique est de 400V par pm déposé. Une couche de 6pm assure une isolation théorique de 3200V et une isolation pratique dépassant les 2000V. Cette technique permet d'obtenir des couches de très bonne qualité mais avec des temps de dépôt relativement longs. Une alternative est d'utiliser une technique de PECVD qui donne aussi de bons résultats avec des temps de dépôt plus courts. Le développement de capteurs de courant à base de magnétorésistances permet d'envisager des solutions très intégrées et avec une résolution inégalée. En particulier, l'isolation galvanique intégrée permet d'atteindre des résolutions de 10pA alors que les capteurs existants adaptés au domaine automobile se situent dans le domaine du mA ou même de 10mA et en outre ne permettent pas de mettre en oeuvre la fonction d'auto-fusible. La technologie GMR et TMR, telle qu'appliquée au domaine automobile présente notamment les intérêts suivants : - Technologie développée pour la mesure de tensions (positives et négatives) avec une grande précision, - Technologie permettant intrinsèquement la mesure de courant, - Sûreté de fonctionnement du dispositif de diagnostic pile assuré intrinsèquement par les magnétorésistances, - Isolation galvanique assurée par le capteur lui-même, - Le capteur assure une fonction sécuritaire de fusible en cas de surintensité, - Précision des mesures : technologie très bien adaptée à la mesure des faibles courants comparativement aux capteurs à effet Hall qui sont les seuls composants concurrents dédiés à la mesure de courant, - Compacité de la technologie, simple à intégrer notamment pour des applications embarquées, - Possibilité de connecter directement les composants intégrés sur la pile à combustible, - Robustesse des mesures, même dans un environnement sévère avec perturbations électromagnétiques, - Technologie pouvant être intégrée sur une puce de coût de fabrication faible par rapport aux technologies partiellement concurrentes, induit par un champ d'application très large qui permet d'envisager une production à fort volume, - Faible consommation énergétique (< à 1 mA par pont), hors consommation de la ligne de courant dans la résistance de polarisation 3 dont la consommation est ajustable en fonction du besoin, - Capteur autonome de mesure de tension ne nécessitant pas de composants annexes pour réaliser la fonction (ligne de courant externe, câble, ...) - Le domaine d'application est particulièrement étendu et intéressant pour le monde automobile avec l'avènement des véhicules électriques et hybrides (thermique/ électrique, ...), le capteur selon l'invention étant adapté à toutes mesures de courant ou de tension d'un générateur électrique, - Application à la gestion de la charge de batteries ou de super capacités, - Surveillance de la tension individuelle de cellules de pile à combustible, - Applicable aux électrolyseurs, - Instrumentation / diagnostic sur toute technologie électrotechnique nécessitant une/des mesures de courant / tension.

Claims

REVENDICATIONS1. Capteur intégré de mesure de tension ou de courant à base de magnétorésistances, comprenant des première et deuxième bornes (1,2) de connexion à un générateur dont la tension ou le courant est à mesurer, reliées à une ligne de mesure (4, 5) métallique dans laquelle circule un courant proportionnel à la tension ou au courant du générateur qui est à mesurer, et au moins deux magnétorésistances (31, 32, 33, 34) de mesure du champ magnétique créé à distance par ledit courant circulant dans ladite ligne de mesure (4, 5), caractérisé en ce que la ligne de mesure métallique comprend au moins des premier et deuxième tronçons (4, 5) allongés et parallèles dans lesquels le courant circule en sens opposés, reliés à une portion (3) destinée à fermer la ligne de mesure, l'ensemble de la ligne de mesure métallique (3, 4, 5) étant disposée soit sur une couche d'isolation galvanique (8), elle-même disposée sur une portion de circuit intégré de détection, soit sous une couche d'isolation galvanique (8), elle-même disposée sous une portion de circuit intégré de détection, ladite portion de circuit intégré de détection comprenant lesdites au moins deux magnétorésistances (31, 32, 33, 34) qui présentent elles-mêmes chacune une partie sensible qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés (4, 5) de la ligne de mesure métallique afin d'être sensible au champ créé par le courant circulant dans la ligne de mesure.
2. Capteur intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce que les magnétorésistances sont des magnétorésistances géantes.
3. Capteur intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce que les magnétorésistances sont des magnétorésistances tunnel.
4. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite portion de circuit intégré de détection comprend un pont (30) de magnétorésistances et des pistes de liaison à au moins un contact de polarisation en tension Vcc (42), un contact de masse (41) et des contacts (43, 44) de pôles négatif Vin- et positif Vin+ d'une tension différentielle de sortie.
5. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les magnétorésistances (31, 32, 33, 34) présentent chacune la forme d'un C avec une branche centrale longitudinale qui constitue ladite partie sensible qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés (4, 5) de la ligne de mesure métallique afin d'être sensible au champ créé par le courant circulant dans la ligne de mesure.
6. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacun des premier et deuxième tronçons allongés (4, 5) de la ligne de mesure métallique comprend un rétrécissement (6,
7) dans une zone voisine d'une zone superposée à une piste (51) de liaison à un contact de masse (41), du côté desdites première et deuxième bornes (1, 2), lesdits rétrécissements (6, 7) servant de fusible intégré en cas de défaut d'isolation créé par un pic de surtension. 7. Capteur intégré selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des magnétorésistances géantes (31, 32, 33, 34) présente une longueur comprise entre 100 et 500 micromètres et une largeur comprise entre 2 et 8 micromètres.
8. Capteur intégré selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que chacune des magnétorésistances tunnel (31, 32, 33, 34) présente unecouche libre (61 ; 62) en forme de C de longueur comprise entre 40 et 150pm et une largeur comprise entre 2 et 8pm et une couche dure formée d'un ou de deux plots (70 ; 71, 72) dont la taille est ajustée pour obtenir des résistances comprises entre 300 Ohms et 10 kiloOhms.
9. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la ligne de mesure métallique (3, 4, 5) présente une résistance comprise entre 30 et 100 ohms. 10
10. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les premier et deuxième tronçons allongés (4, 5) de la ligne de mesure métallique (3, 4, 5) présentent une largeur comparable à celle desdites parties sensibles des magnétorésistances (31, 32, 33, 34). 15
11. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la couche d'isolation galvanique (8) est plane et présente une épaisseur comprise entre 5 et 15 micromètres.
12. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, 20 caractérisé en ce que la couche d'isolation galvanique (8) est constituée par un dépôt de résine durcie.
13. Capteur intégré selon la revendication 12, caractérisé en ce que la couche d'isolation galvanique comprend un polyimide ou du 25 bisbenzocyclotène (BCB).
14. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la couche d'isolation galvanique (8) est constituée par un dépôt d'isolant céramique.5
15. Capteur intégré selon la revendication 14, caractérisé en ce que la couche d'isolation galvanique comprend une couche de S13N4 ou de AI2O3.
16. Capteur intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la mesure de la tension ou du courant d'un générateur constitué par une pile à combustible présentant une tension de sortie comprise entre 0 et 1,3 V.