CH656010A5

CH656010A5 - Dispositif miniature sensible au champ magnetique et appareil de mesure du champ magnetique comportant un tel dispositif.

Info

Publication number: CH656010A5
Application number: CH1090/84A
Authority: CH
Inventors: Felix Rudolf
Original assignee: Centre Electron Horloger
Priority date: 1983-03-07
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1986-05-30
Also published as: JPH0564308B2; GB8406015D0; FR2542453A1; DE3407923C2; JPS59168383A; GB2136581B; US4680544A; FR2542453B1; DE3407923A1; GB2136581A

Description

La présente invention se rapporte à la mesure du champ magnétique et concerne plus particulièrement un dispositif miniature sensible au champ magnétique et l'appareil de mesure comportant un tel dispositif.

La mesure du champ magnétique intervient dans des domaines aussi variés que la navigation, la mesure des courants forts, la détermination de la position relative de deux objets, etc. On connaît déjà un certain nombre de transducteurs magnétiques intégrés dont le plus répandu est le transducteur à effet Hall. De nombreux travaux ont également été faits sur des dispositifs électroniques sensibles tels que magnétodiodes ou magnétotransistors. La sensibilité de ces transducteurs reste toutefois assez faible et peut varier entre environ 0,75 volt par tesla pour un transducteur à effet Hall ayant un circuit d'amplification intégré et 10 volts par tesla pour un magnétotransis-tor. D'autre part, les dispositifs électroniques sensibles voient leurs paramètres affectés de manière importante par des variations de la température.

Aussi un objet de l'invention est un dispositif miniature sensible au champ magnétique ne comportant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.

Un autre objet de l'invention est un dispositif miniature sensible au champ magnétique, stable en fonction des variations de la température et susceptible d'être réalisé à l'aide d'une technologie pour circuits intégrés.

Un autre objet de l'invention est un appareil de mesure du champ magnétique.

Selon l'invention, le dispositif miniature sensible au champ magnétique comporte:

— un volet fixé à un support par deux attaches élastiques opposées et susceptible de tourner autour de ses attaches sous l'effet d'une force exercée sur le volet perpendiculairement à son plan, et

— des moyens attachés audit volet pour engendrer ladite force perpendiculaire en réponse à un champ magnétique.

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Selon une forme d'exécution de l'invention, lesdits moyens attachés au volet sont constitués par une bande conductrice parcourue par un courant.

Selon une autre forme d'exécution de l'invention, lesdits moyens attachés au volet sont constitués par une couche ferromagnétique dont la direction de magnétisation est située dans le plan et perpendiculairement à l'axe de rotation dudit volet.

Selon encore une autre forme d'exécution de l'invention, l'appareil de mesure du champ magnétique comprend au moins un dispositif à volet sensible au champ magnétique et comporte en outre des moyens pour délivrer un signal représentatif de la force engendrée sur ledit volet par un champ magnétique.

Selon encore une autre forme d'exécution de l'invention, l'appareil de mesure du champ magnétique comprend des moyens pour compenser l'effet du champ magnétique à mesurer sur ledit volet de sorte que celui-ci soit toujours maintenu dans sa position de repos.

Le dispositif de l'invention offre, par rapport à l'art antérieur mentionné plus haut, les avantages d'une grande sensibilité, d'une possibilité de fabrication en série et à faible coût grâce à la technologie des circuits intégrés et d'une grande stabilité notamment en fonction de la température.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation particuliers, ladite description étant faite à titre d'exemple et en relation avec les dessins joints,

dans lesquels:

— la figure 1 montre une vue schématique d'une première variante du dispositif de l'invention sensible au champ magnétique;

— la figure 2 montre une deuxième variante du dispositif de l'invention;

— la figure 3 montre une autre variante du dispositif de l'invention;

— la figure 4.a montre une première méthode de polarisation de la couche ferromagnétique du volet;

— la figure 4.b montre une deuxième méthode de polarisation de la couche ferromagnétique du volet;

— la figure 4,c montre une troisième méthode de polarisation de la couche ferromagnétique du volet;

— la figure 5 est une vue en coupe d'un appareil de mesure incorporant le dispositif sensible au champ magnétique de l'invention, et

— les figures 6.a à 6.c montrent différentes variantes de réalisation de la compensation de l'effet du champ magnétique sur le volet.

La figure 1 montre, sous une forme schématique, une première variante du dispositif de l'invention. Celui-ci comporte un volet 1, de forme approximativement rectangulaire, maintenu à un support 2 par deux attaches élastiques 3. Ces attaches 3 forment, avec un côté du volet 1, un axe de rotation 10 autour duquel le volet 1 peut tourner. Le support 2 peut être disposé sur un fond 4 avec lequel il forme une cavité 5. La cavité 5 peut être réalisée dans le support même, auquel cas celui-ci constitue également le fond 4. Selon la variante montrée à la figure 1, une bande conductrice 6 est prévue sur le volet de manière que, lorsqu'elle est parcourue par un courant I et que le dispositif est placé dans un champ magnétique B, une force F, perpendiculaire à la fois à la direction du champ magnétique et à la direction du courant, s'exerce sur le volet 1. Si b et c sont respectivement la longueur et la largeur du volet 1, le moment mécanique auquel est soumis le volet est égal à Mm = b • c • I x B (le signal • indiquant un produit scalaire et le signal x indiquant un produit vectoriel). Sous l'action de ce moment mécanique, le volet tourne autour de ses attaches 3 jusqu'à ce que le couple de rappel exercé par les attaches équilibre le moment engendré par l'action conjuguée du courant I et du champ magnétique B. L'angle dont aura tourné le volet est une mesure de la composante du champ magnétique perpendiculaire à la direction du courant I. Etant donné que la force exercée sur le volet dépend uniquement du champ magnétique, de la géométrie et du courant dans la bobine, ce dispositif est très précis et stable.

Un tel dispositif peut être réalisé à l'aide d'une technologie analogue à celle des circuits intégrés. A titre d'exemple, le support 2 sera réalisé dans un substrat en silicium de type n, le volet 1 et ses attaches 3 seront découpés dans le substrat et dopés avec un dopant de type p et la plaque 4 sera en verre fixé au support au moyen d'une technique connue sous le nom anglo-saxon «anodic bonding». On 5 peut aisément obtenir les dimensions suivantes:

Surface du volet: 500 x 500 |im2 Géométrie des attaches: 1,3 x 5 x 100 |im3 La structure du volet permet d'avoir un rapport force d'inertie sur force de rappel très favorable. En effet, la force de rappel peut io être réduite par une diminution de la section des attaches, le volet restant par ailleurs bien maintenu. La réduction de la force de rappel des attaches augmente la sensibilité du dispositif. Un autre avantage d'une telle structure est que, si elle favorise la rotation du volet autour de ses attaches, elle s'oppose par contre à tout autre mouve-15 ment qui impliquerait un allongement des attaches. Cela garantit un bon comportement du dispositif pour la mesure du champ magnétique selon une direction privilégiée qui est la direction dans le plan du volet et perpendiculaire à son axe de rotation. Cet avantage peut encore être amélioré si le support 2 est en silicium monocristallin et 20 si le volet et ses attaches sont fortement dopés au bore (avec une concentration typique égale ou supérieure à 1019 atomes/cm3). Un dopage au bore a pour conséquence de créer des contraintes longitudinales sur les attaches du volet, ce qui rigidifie le volet vis-à-vis des mouvements autres que le mouvement privilégié.

25 Dans la suite de la description, les éléments analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. La figure 2 montre une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention. Selon cette variante, la bande conductrice 6 forme une pluralité de spires (deux spires et demie dans le cas de la figure 2), sur le volet 1. Le volet de 3° la figure 2 présente une forme symétrique par rapport à son axe de rotation, ce qui a pour effet, conjointement avec l'augmentation du nombre de spires, d'augmenter la sensibilité du dispositif. Un autre avantage de la forme symétrique du volet par rapport à celle de la figure 1 est qu'elle permet d'éliminer l'effet d'une accélération per-35 pendiculaire au plan du volet. En effet, toute accélération selon une telle direction engendre sur le volet asymétrique une force tendant à le faire tourner, alors qu'avec une forme symétrique les effets produits sur chaque partie du volet s'annulent.

Le moment mécanique Mm engendré par un champ magnétique 40 B sur un volet comportant n spires parcourues par un courant I est Mm = 2 • n • b- c • I x B. Une zone de diffusion 20, électriquement reliée à la bande conductrice 6 par l'intermédiaire d'une fenêtre de contact 21, permet l'alimentation de la bobine ainsi réalisée à partir d'une source de courant située à l'extérieur du volet. Il est bien 45 évident que, pour limiter la longueur des connexions, les deux sorties de la bobine peuvent être réalisées du même côté du volet. La bande conductrice 6 est obtenue par dépôt et gravure d'une couche d'aluminium ou de tout autre matériau convenable.

La figure 3 montre encore une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Selon cette variante, le volet 1 est recouvert d'une couche mince 30 d'un matériau ferromagnétique. Cette couche est magnétisée dans le plan du volet et selon une direction qui est perpendiculaire à l'axe de rotation 10 du volet, comme l'indique la flèche sur le volet. Comme dans le cas de la figure 2, le volet est sy-55 métrique par rapport à son axe de rotation. Bien que non obligatoire, cette forme sera préférée lorsqu'on désire, comme on l'a vu précédemment, augmenter la sensibilité du dispositif ou s'affranchir des effets dus à l'accélération. Comme couche ferromagnétique, on peut utiliser des alliages de fer et de nickel. Une couche de l'ordre de 60100 nanomètres peut être déposée par évaporation. Etant donné le faible champ coercitif de ce matériau, il est indispensable de polariser la couche déposée 30 par un champ extérieur. La magnétisation M de la couche reste essentiellement dans le plan, même pour des champs perpendiculaires au plan beaucoup plus grands que le 65champ de polarisation, ce qui permet d'utiliser ce dispositif pour la détection et la mesure de champs magnétiques élevés. Le moment mécanique Mm exercé sur le volet par un champ magnétique B est: Mm = V • M x B, où V est le volume de la couche ferromagnétique,

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M la magnétisation de cette couche et B le champ magnétique à mesurer.

Les figures 4.a et 4.b montrent différentes possibilités de créer le champ de polarisation dans le plan du volet de la couche déposée. Dans le cas de la figure 4.a, la magnétisation M de la couche déposée 30 est obtenue à l'aide d'un aimant extérieur 40.; cet aimant extérieur pouvant être du type aimant permanent, comme représenté, ou du type électro-aimant. Le dispositif de l'invention est placé dans l'entrefer de l'aimant extérieur 40 de manière que le champ Bp créé par l'aimant entraîne la magnétisation M de la couche 30 dans le plan et perpendiculairement à l'axe de rotation du volet 1.

La figure 4.c montre une autre façon de magnétiser la couche déposée sur le volet 1. Selon cette variante, une bande conductrice 70, par exemple en aluminium, traverse le volet dans son milieu. Lorsque cette bande conductrice 70 est parcourue par un courant I, elle engendre un champ qui permet la polarisation de la couche 30 dans le plan et perpendiculairement à l'axe de rotation du volet 1. Cette méthode est identique à celle décrite en relation avec les mémoires aux pages 21-2 et 21-3 du manuel «Handbook of thin film technology», publié en 1970 par McGraw-Hill Book Company. Comme dans le cas de la figure'4.b, plusieurs spires peuvent également être réalisées autour de la couche 30 du volet 1.

Les différents dispositifs décrits ci-dessus peuvent être utilisés dans un appareil de mesure du champ magnétique qui délivre une grandeur électrique proportionnelle à la force engendrée sur le volet par le champ magnétique à mesurer.

La figure 5 est une vue en coupe, selon l'axe de rotation du volet, d'un tel appareil de mesure. Le volet 1 est formé à partir d'un substrat en silicium faiblement dopé de type n, qui forme un support 2 auquel le volet 1 est fixé par des attaches 3. Le volet 1 porte une couche ferromagnétique 30 (ou une bobine selon la variante utilisée). Le volet lui-même est constitué par du silicium dopé (par exemple p+) ; il peut donc être électriquement relié, au moyen d'une couche conductrice 80, à un circuit 100 intégré sur le support 2. Ce circuit 100 est destiné à la mesure de la capacité du condensateur variable formé par le volet d'une part et une contre-électrode fixe d'autre part. Cette contre-électrode 91 est déposée sur une plaque 90 qui peut être en verre et qui est fixée au support 2.par la technique dite «anodic bonding». Un dégagement 92 est prévu dans la plaque 90 en regard du circuit de mesure 100. La figure 5 montre encore une zone diffusée 82, qui réalise la liaison électrique entre la contre-élec-trode 91 et la connexion en aluminium 83 et une zone diffusée 85, qui réalise la liaison électrique entre le circuit de mesure 100 et la connexion en aluminium 86. En dehors des points de contact avec les zones diffusées, les connexions en aluminium, telles que 80, 83 et 86, sont réalisées sur une couche isolante 81 en Si02. De même, la surface inférieure du support 2 peut être protégée par une couche 88 en Si02-

A titre d'exemple, le procédé de réalisation de l'appareil de la figure 5 comprend les étapes principales suivantes:

— gravure du silicium pour constituer l'écartement entre le volet et sa contre-électrode;

— intégration du circuit de mesure et réalisation de la bobine à l'emplacement du volet (éventuellement dépôt et gravure de la coiiche ferromagnétique);

— attaque du silicium depuis le dos par des attaques anisotropes et des attaques sensibles au type de dopage du silicium (par exemple, attaque anodique ou passivation anodique) ;

— découpe du volet par voie humide ou par plasma;

— dépôt et gravure de l'aluminium sur la plaque de verre pour former la contre-électrode;

— fixation de la plaque de verre sur le support en silicium par «anodic bonding».

Le principe de l'appareil de mesure selon l'invention est le suivant. Nous avons vu que le volet muni d'une bobine parcourue par un courant (figures 1 et 2) ou recouvert d'une couche ferromagnétique polarisée (figures 3 et 4) constituait un dispositif sensible qui tournait, en présence d'un champ magnétique perpendiculaire à son plan, d'un angle proportionnel au champ appliqué. Dans l'appareil de la figure 5, la rotation du volet est mesurée en mesurant la variation correspondante de la capacité du condensateur formé par 5 le volet 1 d'une part et la contre-électrode 91 d'autre part. Cette mesure de la variation de capacité est bien connue et un exemple peut en être trouvé dans la demande de brevet britannique 2101 336A de la requérante. Pour éviter que le volet 1 puisse toucher la contre-électrode 91, il est possible de réaliser sur le volet ou sur la 10 plaque 90 qui porte la contre-électrode des plots d'arrêt en matière isolante. Dans le cas d'un dispositif à volet de forme symétrique, il est possible de prévoir deux contre-électrodes, chacune d'elles étant disposée en regard d'une des deux parties du volet situées de part et d'autre de son axe de rotation. Les deux contre-électrodes et les 15 parties correspondantes du volet forment alors deux condensateurs dont les variations de capacité sont mesurées pour obtenir la valeur du champ magnétique.

Dans l'appareil de mesure décrit précédemment, l'écartement entre le volet 1 et la contre-électrode 91 doit être assez faible (de 20 l'ordre de 2 |im) pour que la capacité entre les deux éléments ait une valeur suffisante. Cette condition implique une limitation de la rotation possible du volet 1 et, par voie de conséquence, une limitation de la gamme des valeurs mesurables du champ magnétique. Une solution pour s'affranchir de telles limitations consiste à prévoir un 25 circuit de compensation dont le but est de produire sur ledit volet 1 un effet exactement opposé à celui créé par le champ magnétique à mesurer de manière que ledit volet 1 soit toujours maintenu dans sa position de repos. Le circuit de compensation sera de préférence commandé par une grandeur électrique dont la valeur sera une 30 mesure directe du champ magnétique à mesurer. Les figures 6.a à 6.c montrent trois variantes possibles de compensation. Dans les trois figures, le volet 1 est représenté selon une coupe perpendiculaire à son axe de rotation; il est fixé au support 2 par ses attaches 3 et le support 2 est fixé à un fond 4 comme dans la figure 1. Une plaque 3S 90, également fixée au support 2 et ayant le même rôle que dans la figure 5, est commune aux trois figures.

La figure 6.a montre un volet asymétrique 1 pourvu d'une bande conductrice 6 parcourue par un courant comme représenté à la figure 1. L'effet du champ magnétique à mesurer peut être compensé 40 en créant un autre champ magnétique de même intensité mais de sens opposé, par exemple en réalisant, sur la plaque 90 et en regard de la bande conductrice 6, une bande conductrice 94. Le passage d'un courant dans cette bande conductrice 94 va créer au niveau de la bande conductrice 6 du volet 1 un champ proportionnel au 45 courant. Il est alors possible de compenser exactement l'effet du champ magnétique à mesurer et de mesurer ce champ magnétique en mesurant le courant nécessaire pour cette compensation. Il est bien évident que la bande conductrice 94 peut former une pluralité de spires comme c'est le cas pour la bande conductrice .6. 50 Les figures 6.b et 6.c montrent une autre façon de compenser l'effet produit sur le volet 1 par le champ magnétique à mesurer. La compensation consiste cette fois à créer entre le volet 1 et une électrode un champ électrique dont l'effet devra compenser exactement le couple mécanique exercé sur le volet 1 par le champ magnétique à 55 mesurer. Ce type de compensation s'applique particulièrement lorsque le volet 1 est pourvu d'une couche ferromagnétique. Rappelons que le voler 1 peut être rendu conducteur par un dopage approprié et qu'il n'est possible de créer, à l'aide d'un champ électrique, qu'une force d'attraction. Ainsi dans le cas d'un volet 1 de forme 60 asymétrique (figure 6.b), il est prévu deux électrodes 95 et 96 sur la plaque 90 qui pourront l'une ou l'autre, selon le sens du champ magnétique à mesurer, servir à créer une force d'attraction capable de .compenser l'effet du champ magnétique à mesurer. Selon la figure 6.c, les deux électrodes 97 et 41 sont situées de part et d'autre du 65 volet 1, celui-ci ayant une forme asymétrique. La tension qu'il est nécessaire d'appliquer entre le volet 1 et l'une des électrodes pour compenser exactement l'effet du champ magnétique à mesurer est une mesure de ce champ magnétique.

La présente invention est susceptible de modifications. En particulier, d'autres matériaux que ceux décrits peuvent être utilisés et d'autres méthodes de mesure de la force exercée sur le volet pour-

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ront être employées. Ainsi est-il envisageable d'alimenter la bobine sur le volet avec un courant alternatif ou encore d'exciter la résonance mécanique du volet pour augmenter la sensibilité du dispositif.

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5 feuilles dessins

Claims

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1. Dispositif miniature sensible au champ magnétique destiné à être réalisé à l'aide d'une technologie pour circuits intégrés, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte:

— un volet (1) fixé à un support (2) par deux attaches élastiques (3), situées de part et d'autre dudit volet, et susceptible de tourner autour de ses attaches sous l'effet d'une force exercée perpendiculairement à son plan, et

— des moyens (6, 30) attachés audit volet pour engendrer ladite force perpendiculaire en réponse à un champ magnétique.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit volet (1) a une forme symétrique par rapport à son axe de rotation

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par au moins une bande conductrice (6) parcourue par un courant (I) et disposée sur ledit volet de manière que ladite force engendrée par un champ magnétique sur le courant entraîne la rotation du volet.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bande conductrice (6) parcourue par un courant forme une pluralité de spires.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une couche ferromagnétique (30) qui est magnétisée dans le plan dudit volet et perpendiculairement à son axe de rotation.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour créer un champ de polarisation (Bp) dans le plan dudit volet et perpendiculaire à son axe de rotation, ledit champ de polarisation ayant pour effet de magnétiser ladite couche ferromagnétique (30).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer le champ de polarisation sont constitués par au moins une bande conductrice (70) traversée par un courant et disposée sur ladite couche ferromagnétique (30) du volet de manière à magnétiser cette couche dans le plan et perpendiculairement à l'axe de rotation dudit volet.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite bande conductrice (70) parcourue par un courant forme une pluralité de spires.

9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer un champ de polarisation sont constitués par:

— une couche ferromagnétique (50) qui est déposée sur ledit support (2) et qui forme un circuit magnétique avec ladite couche ferromagnétique (30) du volet (1), et

— au moins une spire (60) parcourue par un courant et entourant ladite couche ferromagnétique (50) de manière qu'elle engendre dans ladite couche (50) ledit champ de polarisation de la couche ferromagnétique (30) du volet.

10. Appareil de mesure du champ magnétique comportant au moins un dispositif sensible au champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des premiers moyens pour délivrer un signal représentatif de la force engendrée sur ledit volet (1) par un champ magnétique.

11. Appareil de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comportent:

— au moins une électrode (91), disposée en regard dudit volet (1) et parallèlement à sa position de repos, qui constitue une première plaque de condensateur;

— des seconds moyens pour constituer sur ledit volet une seconde plaque de condensateur, et

— un circuit (100), relié auxdites première et deuxième plaques de condensateur, pour mesurer la variation de la capacité dudit condensateur.

12. Appareil de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une bande conductrice (94) placée sur une plaque fixe (90) en regard de ladite bande conductrice (6) disposée sur le volet (1) et des moyens pour faire passer dans ladite bande conductrice (94) un courant tel que le champ magnétique produit par celui-ci sur ladite bande conductrice (6) compense exactement l'effet du champ magnétique à mesurer, la valeur dudit courant constituant . une mesure dudit champ magnétique à mesurer.

13. Appareil de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes (95 et 96 ou 97 et 41) et des moyens pour appliquer entre l'une desdites deux électrodes et le volet (I) une tension telle que le champ électrique produit par cette tension engendre sur ledit volet (1) une force qui compense exactement l'effet du champ magnétique à mesurer, la valeur de ladite tension appliquée constituant une mesure dudit champ magnétique à mesurer.

14. Appareil de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que le volet (1) dudit dispositif sensible au champ magnétique a une forme symétrique par rapport à son axe de rotation (10) et en ce que lesdites deux électrodes (95 et 96) sont disposées sur une plaque (90) fixée audit support (2) et en regard de chaque partie mobile dudit volet (1).

15. Appareil de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdites deux électrodes (97 et 41) sont placées de part et d'autre dudit volet (1).

16. Appareil de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit dispositif est en silicium et en ce que ledit volet au moins est dopé de manière qu'il constitue ladite deuxième plaque de condensateur.

17. Appareil de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit circuit de mesure (100) est intégré sur un substrat en silicium.