FR2876800A1 - Procede et dispositif de mesure de champ magnetique a l'aide d'un capteur magnetoresitif - Google Patents
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Abstract
Le dispositif de mesure de champ magnétique à l'aide d'un capteur magnétorésistif comprend au moins un capteur magnétorésistif (5 ), un module (50) de mesure de la résistance électrique du capteur magnétorésistif (5), un module (40, 6 ) de génération d'un champ magnétique additionnel dans l'espace contenant le capteur magnétorésistif (5) et une unité de commande (60) d'une part pour commander sélectivement, par le module de génération (40, 6), l'application d'un champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une première valeur ayant une première polarité positive ou négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur magnétorésistif (5) et d'autre part pour commander sélectivement la mesure de la valeur de la résistance du capteur magnétorésistif (5) par le module (50) de mesure de résistance électrique.
Description
2876800 1
La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de 5 mesure de la valeur d'un champ magnétique externe à l'aide d'un capteur magnétorésistif.
On connaît actuellement différents types de capteurs magnétorésistifs qui comprennent une magnétorésistance basée sur les effets de l'électronique de spin. Dans tous les cas, la résistance électrique du matériau constituant la magnétorésistance est modifiée en présence d'un champ magnétique.
Les magnétorésistances connues comprennent notamment: la magnétorésistance anisotrope (AMR), la magnétorésistance géante (GMR), la magnétorésistance tunnel (TMR) et la magnétorésistance colossale (CMR).
Actuellement, les magnétorésistances géantes sont utilisées principalement dans des têtes de lecture.
Les magnétorésistances tunnel, d'une conception plus récente, sont en particulier destinées à servir de briques de base pour des mémoires vives magnétiques MRAM (Magnetic Random Access Memory).
Les capteurs magnétorésistifs peuvent être utilisés en particulier pour la mesure du champ magnétique créé par des aimants permanents, comme par exemple dans le cadre d'applications de codage magnétique. Les capteurs magnétorésistifs peuvent encore être utilisés pour la mesure d'un champ magnétique faible comme le champ magnétique terrestre ou pour la mesure d'un champ magnétique créé par un courant de façon à en déduire une mesure de ce courant.
La fiabilité et la précision des mesures des éléments magnétorésistifs sont toutefois pénalisées par des dérives dues à la température (les dérives étant alors réversibles) ou à d'autres causes comme le vieillissement ou les irradiations (ces dérives pouvant alors être irréversibles). Les éléments magnétorésistifs peuvent par ailleurs, du fait de leur fabrication, présenter une dispersion de leurs caractéristiques.
Un élément magnétorésistif du type GMR, TMR ou CMR a une résistance de valeur R qui varie en fonction du champ magnétique appliqué dans une gamme allant de 5 à 10% de R pour la GMR, de 25 à 2876800 2 50% de R pour la TMR, pour atteindre plusieurs centaines de pour cent dans le cas des CMR.
Les éléments magnétorésistifs tels que les GMR, TMR ou CMR présentent une dérive thermique de la valeur de la résistance qui peut dans une certaine mesure être compensée par un montage en pont de deux ou plusieurs éléments similaires.
Ces éléments présentent toutefois en plus une dérive du coefficient de sensibilité au champ magnétique due à la valeur finie de la température de Curie des matériaux magnétiques inclus dans ces éléments. Cette dernière dérive ne peut pas être compensée simplement par un montage de plusieurs éléments.
On a déjà proposé de faire travailler le capteur toujours au même point, à l'aide d'une contre réaction, afin de compenser l'effet précité de dérive du coefficient de sensibilité au champ magnétique. Cette solution ne résout cependant pas tous les problèmes à elle seule et implique une forte consommation induite par le courant qu'il est nécessaire d'appliquer pour la contre-réaction.
On a également déjà proposé de compenser la dérive de sensibilité à l'aide de circuits électroniques comprenant un composant dépendant de la température. Cette dernière solution,est délicate à mettre au point en raison de la variabilité des sensibilités lors de la fabrication des capteurs. Elle impose en effet plusieurs points de calibration en fonction de la température.
Même lorsque les dérives de sensibilité peuvent être considérées comme faibles, il existe des cas où par exemple des magnétorésistances présentent une hystérésis qui peut perturber ensuite la qualité des mesures.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre notamment d'effectuer des mesures de champ magnétique plus précises et plus fiables à l'aide de capteurs magnétorésistifs.
L'invention vise en particulier à corriger d'une façon systématique et rigoureuse les dérives de sensibilité des capteurs de type magnétorésistif.
L'invention vise encore à apporter de façon simple une correction permettant de s'affranchir de l'histoire d'une magnétorésistance et donc d'éviter des inconvénients liés à une éventuelle hystérésis.
2876800 3 L'invention est en outre compatible avec les techniques connues de traitement de signal ou de montage en pont par exemple.
Les buts précités sont atteints grâce à un procédé de mesure de la valeur d'un champ magnétique externe à l'aide d'un capteur magnétorésistif, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape consistant à appliquer in situ, avant chaque mesure du champ magnétique externe, au moins un champ magnétique additionnel impulsionnel dans l'espace contenant le capteur magnétorésistif, lequel champ magnétique additionnel impulsionnel présente une première valeur ayant une première polarité positive ou négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur, et une deuxième étape consistant à appliquer une valeur prédéterminée dudit champ magnétique additionnel ne saturant pas le capteur et à déterminer la valeur du champ magnétique externe par mesure de la valeur de la résistance du capteur magnétorésistif.
De préférence, ladite valeur prédéterminée est égale à zéro.
Le procédé défini ci-dessus perrnet notamment d'éviter tous les inconvénients liés à une hystérésis du capteur magnétorésistif.
En vue de corriger d'une façon systématique et rigoureuse les dérives de sensibilité des capteurs,, le procédé peut être plus particulièrement caractérisé en ce que la première étape effectuée in situ avant chaque mesure du champ magnétique externe comprend une première sous étape consistant à appliquer un premier champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une première valeur ayant une polarité positive et une intensité suffisante pour saturer le capteur, et à mesurer la valeur maximale à saturation haute (Rmax) de la résistance du capteur et une deuxième sous-étape consistant à appliquer un second champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une seconde valeur ayant une polarité négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur, et à mesurer la valeur minimale à saturation basse (R, ) de la résistance du capteur et en ce que lors de la deuxième étape on applique une valeur prédéterminée dudit champ magnétique additionnel ne saturant pas le capteur, on mesure la résistance effective (Reff) du capteur magnéto- résistif et on effectue un autocalibrage de la mesure de la résistance effective (Reff) à l'aide des valeurs maximale à saturation haute (Rmax) et minimale à saturation basse (Rmm) précédemment mesurées pour déterminer une valeur de résistance corrigée (Rcor) à partir de laquelle est déterminée la valeur du champ magnétique externe.
La première sous-étape peut être effectuée chronologiquement avant la deuxième sous-étape ou inversement.
La valeur prédéterminée du champ magnétique additionnel ne saturant pas le capteur est de préférence égale à zéro.
Selon un mode de réalisation particulier, la valeur de la résistance corrigée (Rcor) est obtenue à partir de la formule Rcor (R (Re Rmin) max _ Rn n) É (Bref max Rref min) +Rref min où Rref max et Rref min sont respectivement la valeur de référence maximale à saturation haute de la résistance à une température donnée choisie pour l'étalonnage du capteur et la valeur de référence minimale à saturation basse de la résistance à ladite température d'étalonnage.
Le champ magnétique additionnel impulsionnel peut être créé par une bobine d'induction située au voisinage du capteur magnétorésistif.
Selon un autre mode de réalisation possible, le champ magnétique additionnel impulsionnel est créé par une nappe conductrice alimentée en courant située au voisinage du capteur magnétorésistif.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comprend en outre une étape préliminaire de précalibration avec enregistrement de valeurs de calibration dans une table de calibration et lors de la deuxième étape, la détermination de la valeur de résistance corrigée (Rcor) est effectuée par comparaison de la valeur de la résistance effectivement mesurée (Reff) avec les valeurs de calibration stockées dans la table de calibration.
De préférence, l'étape préliminaire de précalibration est renouvelée de façon périodique.
Selon un autre mode de réalisation possible du procédé selon l'invention, on procède à une mesure du champ magnétique externe par contre réaction qui consiste à appliquer dans la deuxième étape un champ magnétique additionnel tel que la résistance R du capteur magnétorésistif soit ramenée à une valeur prédéterminée intermédiaire entre les valeurs 2876800 5 extrêmes Rmin et Rmax de la résistance du capteur magnétorésistif déterminées lors de la première étape.
Le procédé selon l'invention peut: en outre comprendre une étape de comparaison des valeurs minimale à saturation basse Rm;n et maximale à saturation haute Rmax de la résistance du capteur magnétorésistif déterminées lors de la première étape avec des valeurs admissibles prédéterminées et une étape de déclenchement d'alerte en cas de détection de non correspondance avec lesdites valeurs admissibles prédéterminées.
L'invention concerne également un dispositif de mesure de champ magnétique à l'aide d'un capteur magnétorésistif, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur magnétorésistif, des moyens de mesure de la résistance électrique dudit capteur magnétorésistif, des moyens de génération d'un champ magnétique additionnel dans l'espace contenant le capteur magnétorésistif et des moyens de commande d'une part pour commander sélectivement par lesdits moyens de génération l'application d'un champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une première valeur ayant une première polarité positive ou négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur magnétorésistif et d'autre part pour commander sélectivement la mesure de la valeur de la résistance du capteur magnétorésistif par lesdits moyens de mesure de résistance électrique.
Le dispositif peut en outre comprendre des moyens de stockage de valeurs d'étalonnage de la résistance du capteur magnétorésistif.
Le capteur magnétorésistif peut comprendre au moins une magnétorésistance du type magnétorésistance anisotrope (AMR), magnétorésistance géante (GMR) , magnétorésistance tunnel (TMR) ou magnétorésistance colossale (CMR).
Le dispositif peut en outre comprendre des moyens de vérification de l'admissibilité des valeurs de champ magnétique additionnel impulsionnel appliqué par lesdits moyens de génération et des moyens d'alerte réagissant auxdits moyens de vérification d'admissibilité.
Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de mesure de la résistance électrique du capteur magnétorésistif comprennent des moyens pour mesurer le courant nécessaire pour ramener la résistance mesurée du capteur magnétorésistif à une valeur de référence Rref comprise entre des valeurs extrêmes Rmin, Rmax de la magnétorésistance du capteur magnétorésistif mesurées lorsque lesdits moyens de génération d'un champ magnétique additionnel impulsionnel sont activés, ladite valeur de référence Rref étant une combinaison linéaire desdites valeurs extrêmes Rmin, RmaxÉ 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 10 d'exemple les éléments constitutifs d'un capteur magnétorésistif de type GMR, - la Figure 2 montre une courbe de réponse typique d'un capteur de type GMR, tel que par exemple celui de la Figure 1, - la Figure 3 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation possible d'un dispositif de rnesure de la valeur d'un champ magnétique, selon l'invention, mettant en oeuvre une bobine d'induction, - la Figure 4 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation possible d'un dispositif de rnesure de la valeur d'un champ magnétique selon l'invention mettant en oeuvre un capteur magnétorésistif intégré, - la Figure 5 est un organigramme montrant un exemple de processus d'étalonnage pouvant être mis en oeuvre dans le cadre du procédé selon la présente invention, - la Figure 6 est un organigramme illustrant un exemple de diagramme de mesure permettant de déterminer la valeur d'un champ magnétique extérieur conformément à un mode de réalisation de l'invention, et ne faisant pas appel à une table de calibration, - la Figure 7 est un organigramme illustrant la détermination d'une table de calibration dans le cadre d'un exemple particulier de mise en 30 oeuvre du procédé selon l'invention, la Figure 8 est un organigramme illustrant un exemple de diagramme de mesure permettant le déterminer la valeur d'un champ magnétique extérieur conformément à un mode particulier de réalisation de l'invention et faisant appel à une table de calibration, 2876800 7 - la Figure 9 est un organigramme illustrant un autre exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, selon lequel on procède à une contre- réaction, et - la Figure 10 est un organigramme illustrant les étapes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention permettant de s'affranchir de l'histoire du capteur magnétorésistif utilisé.
Le procédé et le dispositif selon l'invention sont adaptés à la mise en oeuvre de capteurs magnétorésistifs utilisant notamment une magnétorésistance anisotrope (AMR), une magnétorésistance géante (GMR), une magnétorésistance tunnel (TMR) ou une magnétorésistance colossable (CMR).
L'invention s'applique bien en particulier à une magnétorésistance géante comprenant un élément résistif de type vanne de spin.
La Figure 1 illustre un exemple de capteur magnétorésistif 10 de 15 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.
La Figure 2 illustre la courbe de réponse typique d'un capteur de type GMR qui, comme tous les éléments magnétorésistifs, s'avère présenter une forme de courbe typique lorsqu'on mesure la résistance en fonction d'un champ magnétique.
Une telle courbe illustrée sur lai figure 2 présente un palier de saturation négative al, une désaturation progressive qui fait croître la résistance de manière non linéaire (tronçon a2) puis de façon quasi linéaire (tronçon c1), puis à nouveau de façon non linéaire (tronçon b2) avant d'arriver à un palier de saturation haut (tronçon bi).
Sous l'effet des diverses dérives, trois grandeurs varient: la valeur de la résistance au palier de saturation bas ai, la pente dans la région quasi-linéaire cl (qui correspond à la sensibilité) et la valeur de la résistance au palier de saturation haut bi.
Lorsqu'une GMR est soumise à un champ magnétique H, sa variation de résistance R = f (H) a l'allure typique de la courbe de la figure 2. Elle passe d'une valeur à saturation basse Rm;n correspondant à un alignement parallèle des aimantations des deux couches 21, 22 à une valeur à saturation haute Rmax correspondant à un alignement antiparallèle des aimantations des deux couches.
Une propriété remarquable de ce type de capteur est la variation homothétique de leur réponse lorsque la température varie.
Il a été vérifié par les inventeurs que sur une grande plage de température, typiquement de -200 C à -200 C, toutes les courbes R=f(H) sont reproductibles moyennant une normalisation des valeurs haute et basse de la résistance.
Cela revient à dire, si l'on se reporte à la figure 2, que l'on peut considérer constante la largeur de la zone de travail C, et que la sensibilité résulte alors de la différence entre la valeur de saturation basse Rm;n que l'on peut localiser dans une zone de mesure A, et la valeur de saturation haute Rmax que l'on peut localiser dans une zone de mesure B. Le procédé selon l'invention utilise cette propriété pour autocalibrer les mesures de champ magnétique à partir des valeurs extrêmes Rm;n et Rmax.
Une mesure de champ externe se compose alors essentiellement de 35 trois mesures indépendantes: une mesure de la résistance basse (Rm;n), une mesure de la résistance haute (Rmax) et une mesure de la résistance effective (Reff).
Les mesures hautes et basses sont faites en appliquant des impulsions de champ magnétique positif ou négatif sur la GMR. Ces impulsions doivent être suffisamment intenses pour saturer le capteur.
La mesure des valeurs de résistance haute et basse peut se faire dans un ordre chronologique indifférent. Toutefois, si le matériau utilisé possède de l'hystérésis, il faut au rnoment d'effectuer une mesure connaître l'état immédiatement précédent.
La zone de travail C est d'abord choisie sur un critère de sensibilité suffisante du capteur dans cette zone, c"est-à-dire tel que la sensibilité soit au moins égale à x% de la sensibilité maximale du capteur. Préférentiellement, x% peut être de l'ordre de 70%. Si l'on appelle dHc la largeur sur l'axe des champs magnétiques de la zone de travail C, les zones de saturation sont définies comme suit pour chaque type de composants: les zones A et B sont définies par la précision désirée de la mesure comme défini ci-dessous.
Le point haut de mesure (zone B) correspond à un champ magnétique tel que la valeur de la résistance mesurée est comprise entre Rmax (Rmax-Rm;n) /(Rm;n + Rmax)*u et Rmax et la valeur du point bas de mesure (zone A) correspond à un champ magnétique tel que la résistance mesurée est comprise entre Rm;n et Rm;n - (Rmax Rmin)/(Rmin + Rmax)*uÉ La valeur de u donne la précision désirée, u de l'ordre de 0,01 donne 1 % de précision sur la mesure.
L'écart entre la zone A et la zone C ou entre la zone B et la zone C doit être suffisant pour éviter un recouvrement lors de l'application de champs magnétiques extrêmes de la zone de travail, ce qui implique un écart en champ magnétique entre la zone A et la zone C ou entre la zone B et la zone C qui est d'au moins dHc/2.
La valeur de résistance Rcor corrigée des effets de variations est obtenue par la formule: (Re Rmin) = Rcor É(Bref max RreJÉ min) + Rref min (Rmax Rmin) (I) où Rrefmax et Rrefmin sont des valeurs obtenues à une température donnée qui est celle choisie pour l'étalonnage du capteur.
A partir de Rcor la valeur du champ magnétique extérieur peut être déterminée selon les formules habituelles.
La figure 3 montre un premier exemple de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre de l'invention.
Un capteur magnétorésistif 5 en forme de barreau est relié par des éléments de connexion 1, 2 disposés à ses extrémités, à un dispositif 50 de mesure de la résistance de ce capteur 5.
Le capteur magnétorésistif est placé dans une bobine inductrice 6 dont les extrémités 3, 4 sont reliées à un générateur de courant 40 pouvant délivrer des impulsions de courant d'intensité variable. La bobine inductrice 6 associée au générateur de courant 40 constitue un générateur de champ magnétique additionnel impulsionnel permettant d'appliquer de façon sélective au capteur magnétorésistif 5 un champ magnétique qui est proportionnel au courant traversant la bobine 6. Le coefficient de proportionnalité dépend de la géométrie de la bobine 6 et peut être calculé à partir de formules classiques de l'électromagnétisme.
Le générateur de courant 40 et le dispositif 50 de mesure de la résistance de capteur magnétorésistif 5 sont reliés à un circuit de contrôle et de traitement 60 qui peut être associé à des circuits de mémoire 70 et un dispositif de sortie 80.
Le circuit de contrôle et de traitement 60 permet de commander de façon sélective le générateur de courant 40 pour la mesure notamment des valeurs de résistance extrêmes Rm;n et Rmax de la façon définie plus haut. Le circuit de contrôle et de traitement 60 permet également de commander sélectivement le dispositif de mesure de résistance 50 notamment pour la mesure des valeurs Rmin et Rmax quand le générateur de courant 40 est activé et pour la mesure d'une valeur de résistance R dans la zone de travail quand le générateur de courant 40 est désactivé.
Il est également possible, dans une étape préliminaire de calibration, d'établir et stocker dans la mémoire 70 la courbe des valeurs de résistance du capteur magnétorésistif 5 pour une température donnée en fonction du champ magnétique. La valeur de la magnétorésistance du capteur 5 peut être obtenue pour les différents champs magnétiques de la plage de mesure en utilisant le générateur de courant 40 qui sert par - 11 ailleurs à envoyer des impulsions de champ magnétique positif et négatif par l'intermédiaire de la bobine 6 lorsqu'il s'agit d'obtenir des paliers de saturation haut ou bas. Lors d'une opération d'établissement de la courbe des valeurs de résistance du capteur 5, le générateur de courant 40 envoie simplement des valeurs de courant connues prédéfinies dans la bobine inductrice 6.
L'étape préliminaire de calibrai:ion peut ensuite être répétée régulièrement pour tenir compte du vieillissement du capteur 5.
Le capteur magnétorésistif 5 peut le cas échéant être composé de plusieurs éléments montés en demi-pont ou en pont sans que le procédé de mesure soit modifié dans son essence.
La figure 4 montre un autre exernple de réalisation dans lequel on voit un capteur magnétorésistif 32 réalisé sous une forme intégrée et présentant une forme de C presque refermé. Des pistes conductrices 31 servent d'amenée de courant et des pistes conductrices 34 servent à la mesure de la tension et donc de la résistance du capteur magnétorésistif 32 à partir d'un dispositif de mesure de résistance tel que le dispositif 50 de la figure 3.
Une ligne métallique 33, par exemple en Ti/Au ou en cuivre constitue une nappe de courant qui est déposée sur l'élément magnétorésistif 32 avec interposition d'une couche isolante intermédiaire (non représentée sur la figure 4). La figure 4 illustre le cas d'une nappe de courant 33 intégrée sur le substrat 35 clu capteur 32 lui-même. La nappe de courant 33 pourrait toutefois également être indépendante du capteur 32 et simplement placée à son voisinage. La nappe de courant 33 est reliée à un générateur de courant tel que le générateur 40 de la figure 3. Les éléments 60, 70, 80 de la figure 3 sont également présents dans le mode de réalisation de la figure 4 mais n'ont pas été représentés sur le dessin.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, de façon similaire à celui de la figure 3, le champ magnétique créé sur le capteur 32 par le générateur de courant 60 à travers la nappe de courant 33 est proportionnel au courant I traversant celte nappe de courant 33.
Si l'on appelle d la distance entre le capteur magnétorésistif 32 et la nappe de courant 33, le champ magnétique créé est donné par al/2d où a est de l'ordre de l'unité et se calcule par intégration des lignes de courant.
- 12 - Ainsi, pour une distance d de 100 nm et une largeur de capteur w de 5 pm, il faut 50 mA pour pouvoir créer les 5mT nécessaires à la saturation de la magnétorésistance. L'épaisseur de la nappe de courant 33 joue au deuxième ordre et peut varier de 50 nm à quelques micromètres.
On a décrit plus haut une nappe conductrice 33 alimentée en courant et déposée sur ou sous le capteur magnétorésistif 32 dans un procédé intégré avec interposition d'une couche intermédiaire de matériau isolant. Selon une variante de réalisation, la nappe conductrice 33 alimentée en courant pourrait être située sur la face opposée du substrat 35 portant le capteur magnétorésistif 32.
La figure 5 résume les étapes d'étalonnage permettant de déterminer les valeurs Rrefmax et Refmin qui correspondent à une température fixée mais pas nécessairement connue et sont utilisées dans l'équation (I) citée plus haut permettant de calculer la valeur de la résistance Raor corrigée des effets de variation.
L'étape 101 correspond à l'envoi d'une impulsion de courant positive à partir du générateur de courant 40, dans la bobine 6 (figure 3) ou la nappe de courant 33 (figure 4).
L'étape 102 correspond à la mesure de la valeur Rrefmax à l'aide du dispositif 50, pendant que l'impulsion de courant positive est appliquée.
L'étape 103 correspond à l'envoi subséquent d'une impulsion de courant négative, à partir du générateur de courant 40, dans la bobine 6 (figure 3) ou la nappe de courant 33 (figure 4).
L'étape 104 correspond à la mesure de la valeur Rrefmin à l'aide du dispositif 50, pendant que l'impulsion de courant négative est appliquée.
La figure 6 résume les principales étapes du procédé de mesure selon l'invention permettant de déterminer la valeur du champ magnétique extérieur en procédant d'abord à l'application d'un champ magnétique additionnel impulsionnel saturant dans l'espace contenant le capteur magnétorésistif et ensuite à la remise à zéro du champ magnétique additionnel et à la détermination de la valeur du champ magnétique externe par mesure de la valeur de la résistance du capteur magnétorésistif.
Dans le procédé illustré sur la f=igure 6, il n'est pas effectué de 35 comparaison avec une table de calibration.
2876800 - 13 - Dans une étape 201, une impulsion de courant positive est appliquée par le générateur de courant 40 à l'organe de création d'un champ magnétique additionnel impulsionnel (bobine 6 ou nappe de courant 33) de manière à saturer le capteur magnétorésistif à sa valeur de résistance maximale.
Dans une étape 202, on effectue la mesure de la valeur maximale de la résistance à saturation haute (R,T,ag) du capteur à l'aide du dispositif 50 de mesure de résistance.
Dans une étape 203, une impulsion de courant négative est appliquée par le générateur de courant 40 à l'organe de création d'un champ magnétique additionnel impulsionnel (bobine 6 ou nappe de courant 33) de manière à saturer le capteur magnétorésistif à sa valeur de résistance minimale. Dans une étape 204, on effectue la mesure de la valeur maximale 15 de la
résistance à saturation basse (R, ) du capteur à l'aide du dispositif de mesure de résistance.
L'étape 205 consiste en un test de comparaison avec des valeurs admissibles.
Il est en effet à noter que le procédé selon l'invention fonctionne dans la mesure où le champ magnétique que l'on cherche à mesurer est compris dans la plage de fonctionnement du capteur magnétorésistif.
Dans le cas où un champ extérieur appliqué est suffisamment fort pour saturer la magnétorésistance, les impulsions de champ ne permettent plus de mesurer Rm;n et RmaxÉ C'est pourquoi, il est nécessaire d'incorporer dans le procédé l'étape 205 de vérification de la validité des mesures.
L'une des possibilités pour cette vérification consiste par exemple à fixer une valeur minimale de (Rmax Rmin) / (Rmax + Rmin).
Une autre possibilité consiste à fixer des plages acceptables pour Rm;n et Rmax, connaissant la plage de température de la magnétorésistance.
Ces vérifications permettent de s'assurer du fonctionnement correct de la magnétorésistance et de l'absence de champs magnétiques forts qui pourraient être créés soit par un mauvais fonctionnement d'autres parties d'un système complet soit par une application non désirée d'un champ magnétique additionnel.
Si le test 205 révèle que les valeurs déterminées pour Rmax et Rmin ne correspondent pas à des valeurs admissibles, il y a passage à une étape 14 - 208 de détection de fraude ou de défaut et rebouclage en entrée de l'étape 201 afin de tenter une nouvelle détermination des valeurs de Rmin et RmaxÉ Si après plusieurs tentatives, typiquement trois essais, le test 205 révèle que les valeurs Rmax et Rm;n ne correspondent toujours pas à des valeurs admissibles, l'étape 208 de détection de fraude entraîne un déclenchement d'alerte lors d'une étape 209.
Si le test 205 révèle que les valeurs déterminées pour Rmax et Rm;n correspondent à des valeurs admissibles, on passe à une étape 206 dans laquelle on procède à une mesure de la valeur de la résistance effective Rref à l'aide du dispositif de mesure 50, alors que le générateur de courant 40 est devenu inactif et ne délivre plus de courant sur les éléments de création de champ magnétique additionnel.
L'étape 207 correspond à la normalisation de la valeur R précédemment mesurée. Au cours de cette étape 207, il est ainsi calculé la valeur Rcor de la résistance corrigée des effets de variation, puis la valeur de champ magnétique extérieur est déterminée à partir de cette valeur Rcor.
Il est possible de n'effectuer une calibration d'un dispositif de mesure selon l'invention qu'avec deux points de mesure, cette calibration étant faite à la première mise en service du dispositif équipé d'un capteur magnétorésistif.
Toutefois, la présence d'un générateur de champ magnétique additionnel (générateur de courant 40 et bobine 6 ou nappe de courant 33) permet si on le souhaite d'effectuer une précalibration fine du capteur en construisant une table de calibration. Cette opération doit se réaliser en absence de champ magnétique extérieur, seul le champ magnétique additionnel étant utilisé pour l'opération de calibration.
Il est ainsi créé à l'aide du générateur de courant 40 une rampe de courant créant une rampe de champ magnétique. La valeur de la résistance du capteur magnétorésistif est alors mesurée avec le dispositif de mesure 50 pour chaque valeur de courant et tabulée. Ceci permet d'obtenir une courbe de réponse de la magnétorésistance en fonction du champ magnétique.
Lors de la mesure d'un champ magnétique extérieur, la courbe tabulée de la valeur de la résistance R en fonction du champ magnétique 2876800 - 15 sert de référence après une correction affine due aux variations de température. Par correction affine, on entend que la valeur effective de la résistance R sera affectée d'un coefficient de sensibilité dépendant de la température et d'un décalage correspondant au changement de la valeur moyenne de la résistance Cette étape de précalibration peut être faite automatiquement, de façon régulière, afin de compenser le vieillissement de la GMR.
Une périodicité de l'ordre du mois est compatible avec une utilisation autour de la température ambiante. Si le capteur est soumis à des cycles de température importants, dépassant les 140 C, une périodicité plus courte doit être envisagée.
L'étape de précalibration permet en particulier de corriger les non linéarités de la réponse de la magnétorésistance.
La figure 7 résume le processus de détermination d'une table de 15 calibration.
A l'étape 301, un courant négatif d'intensité maximale est appliqué à l'aide du générateur de courant 40.
A l'étape 302, on procède dans ces conditions à la mesure de la valeur de la résistance R du capteur magnétorésistif à l'aide du dispositif de mesure 50, puis à l'étape 303 on procède au stockage de la valeur de la résistance mesurée en fonction de l'intensité du courant appliqué.
A l'étape 304, on applique un incrément de courant par l'intermédiaire du générateur de courant 40.
Un test 305 permet de déterminer si l'intensité du courant incrémenté est égale au courant positif d'intensité maximale. Si ce n'est pas le cas, il y a retour à l'étape 302 de mesure de la valeur de la résistance R. Si en revanche, la réponse au test 305 est positive, on passe à l'étape 306 de fin d'établissement de la table de calibration.
La figure 8 montre un organigramme correspondant à la détermination de la valeur d'un champ magnétique extérieur conformément à l'invention selon un procédé qui est pour l'essentiel, semblable à celui illustré sur la figure 6, mais qui met en oeuvre une comparaison avec une table de calibration établie de la façon qui vient d'être décrite.
2876800 - 16 - Les étapes 401 à 406 et 408, 409 de l'organigramme de la figure 8 sont analogues respectivement aux étapes 201 à 206 et 208, 209 de l'organigramme de la figure 6 et ne seront pas décrites à nouveau.
En revanche, dans le cas de la figure 8, après l'étape 406 de mesure de la valeur de la résistance R en l'absence de champ magnétique additionnel, l'étape 407 comprend la normalisation de la valeur de la résistance R pour déterminer une valeur corrigée Rcor selon l'équation (1) citée plus haut, mais ensuite, il est procédé à une comparaison des valeurs Rcor avec les valeurs enregistrées dans une table précalibrée pour déterminer à l'étape 410 le champ magnétique externe mesuré.
La figure 9 montre une variante du procédé de mesure selon l'invention, selon laquelle on associe un procédé de calibration par mesure de valeurs extrêmes avec une mesure du champ magnétique appliqué par contre-réaction.
Les étapes 501 à 505 et 508, 509 de l'organigramme de la figure 9 sont semblables aux étapes 201 à 205 et 208, 209 respectivement de l'organigramme de la figure 6 et ne seront pas décrites à nouveau.
Dans le cas du procédé illustré sur la figure 9, lorsque les valeurs extrêmes de la résistance du capteur Rmax et Rmin ont été mesurées à l'aide d'une impulsion de champ magnétique positive et d'une impulsion de champ magnétique négative, et ont été considérées dans le test 505 comme étant des valeurs admissibles, on procède à l'étape 506 à la mesure de la valeur de la résistance. Cellle-ci est comparée à l'étape 510 à une valeur de référence intermédiaire prédéterminée, comme par exemple la valeur Rref = (Rmin + Rmax)/2 On procède alors à l'étape 507 à l'application de la valeur d'un courant de compensation nominal, à partir du générateur de courant 40, sur l'élément d'application d'un champ magnétique additionnel (bobine 6 ou nappe de courant 33) afin de ramener la résistance R mesurée à ladite valeur intermédiaire prédéterminée Rref.
L'étape 506 est recommencée jusqu'à ce que, à l'étape 510, la différence entre la valeur mesurée et la valeur intermédiaire prédéterminée soit inférieure à l'erreur de mesure désirée. L'étape 511 2876800 - 17 résultant de l'étape de comparaison 510 correspond à la détermination du champ magnétique à mesurer.
La variante décrite en référence à la figure 9 implique une consommation et un temps de réponse plus élevés, mais assure une 5 excellente compensation des dérives thermiques.
La figure 10 montre un exemple d'application du procédé selon l'invention à des magnétorésistances présentant une hystérésis.
Dans une première étape 601, on applique une impulsion de champ magnétique additionnel, à partir du générateur de courant 40, cette impulsion pouvant être par exemple positive, mais pouvant aussi au choix être négative.
L'étape 602 correspond à une remise à zéro du courant délivré par le générateur de courant 40.
L'étape 603 correspond à une mesure de la valeur de la résistance R du capteur magnétorésistif à l'aide du dispositif de mesure 50.
Les impulsions de champ magnétique préliminaires appliquées lors de l'étape 601 permettant de fixer l'histoire magnétique d'une magnétorésistance avant que l'on procède à l'étape 603 à la mesure d'un champ magnétique extérieur.
Claims (23)
1. Procédé de mesure de la valeur d'un champ magnétique externe à l'aide d'un capteur magnétorésistif, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape consistant à appliquer in situ, avant chaque mesure du champ magnétique externe, au moins un champ magnétique additionnel impulsionnel dans l'espace contenant le capteur magnétorésistif, lequel champ magnétique additionnel impulsionnel présente une première valeur ayant une première polarité positive ou négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur, et une deuxième étape consistant à appliquer une valeur prédéterminée dudit champ magnétique additionnel ne saturant pas le capteur et à déterminer la valeur du champ magnétique externe par mesure de la valeur de la résistance du capteur magnétorésistif.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur prédéterminée est égale à zéro.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape effectuée in situ avant chaque mesure du champ magnétique externe comprend une première sous-étape consistant à appliquer un premier champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une première valeur ayant une polarité positive et une intensité suffisante pour saturer le capteur, et à mesurer la valeur maximale à saturation haute (Rmax) de la résistance du capteur et une deuxième sous- étape consistant à appliquer un second champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une seconde valeur ayant une polarité négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur, et à mesurer la valeur minimale à saturation basse (Rm;n) de la résistance du capteur et en ce que lors de la deuxième étape on applique une valeur prédéterminée dudit champ magnétique additionnel ne saturant pas le capteur, on mesure la résistance effective (Reff) du capteur magnétorésistif et on effectue un autocalibrage de la mesure de la résistance effective (Reff) à l'aide des valeurs maximale à saturation haute (Rr,ax) et minimale à saturation basse (Rmin) précédemment mesurées pour déterminer une valeur de résistance corrigée (Rcor) à partir de laquelle est déterminée la valeur du champ magnétique externe.
2876800 - 19 -
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première sous-étape est effectuée chronologiquement avant la deuxième sous-étape.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la 5 deuxième sous-étape est effectuée chronologiquement avant la première sous-étape.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ladite valeur prédéterminée est égale à zéro.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de résistance corrigée (Rcor) est obtenue à partir de la formule e.m min Rcor = (R (Rif R) max _ R) '(Rref nia. Rref min) + Rref min où Rref max et Rref min sont respectivement la valeur de référence maximale à saturation haute de la résistance à une température donnée choisie pour l'étalonnage du capteur et la valeur de référence minimale à saturation basse de la résistance à ladite température d'étalonnage.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le champ magnétique additionnel impulsionnel est créé par une bobine d'induction (6) située au voisinage du capteur magnétorésistif (5).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le champ magnétique additionnel impulsionnel est créé par une nappe conductrice alimentée en courant (33) située au voisinage du capteur magnétorésistif (32).
10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape préliminaire de précalibration avec enregistrement de valeurs de calibration dans une table de calibration et en ce que lors de la deuxième étape, la détermination de la valeur de résistance corrigée (Rcor) est effectuée par comparaison de la valeur de la résistance effectivement mesurée (Reff) avec les valeurs de calibration stockées dans la table de calibration.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape préliminaire de précalibration est renouvelée de façon périodique.
2876800 - 20 -
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'on procède à une mesure du champ magnétique externe par contre réaction qui consiste à appliquer dans la deuxième étape, un champ magnétique additionnel tel que la résistance R du capteur magnétorésistif soit ramenée à une valeur prédéterminée intermédiaire entre les valeurs extrêmes Rmin et Rmax de la résistance du capteur magnétorésistif déterminées lors de la première étape.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de comparaison des valeurs minimale à saturation basse Rm;n et maximale à saturation haute Rmax de la résistance du capteur magnétorésistif déterminées lors de la première étape avec des valeurs admissibles prédéterminées et une étape de déclenchement d'alerte en cas de détection de non correspondance avec lesdites valeurs admissibles prédéterminées.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le capteur magnétorésistif (5; 32) comprend au moins une magnétorésistance du type magnétorésistance anisotrope (AMR), magnétorésistance géante (CGMR), magnétorésistance tunnel (TMR) ou magnétorésistance colossale (CMR).
15. Dispositif de mesure de champ magnétique à l'aide d'un capteur magnétorésistif, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur magnétorésistif (10; 5; 32), des moyens (50) de mesure de la résistance électrique dudit capteur magnétorésistif, des moyens (40, 6; 33) de génération d'un champ magnétique additionnel dans l'espace contenant le capteur magnétorésistif (10; 5; 32) et des moyens (60) de commande d'une part pour commander sélectivement, par lesdits moyens de génération (40, 6; 33), l'application d'un champ magnétique additionnel impulsionnel présentant une première valeur ayant une première polarité positive ou négative et une intensité suffisante pour saturer le capteur magnétorésistif (10; 5; 32) et d'autre part pour commander sélectivement la mesure de la valeur de la résistance du capteur magnétorésistif (10; 5; 32) par lesdits moyens (50) de mesure de résistance électrique.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il 35 comprend en outre des moyens (70) de stockage de valeurs d'étalonnage de la résistance du capteur magnétorésistif (10; 5; 32).
2876800 - 21 -
17. Dispositif selon la revendication 15 ou la revendication 16, caractérisé en ce que le capteur magnétorésistif (5; 32) comprend au moins une magnétorésistance du type magnétorésistance anisotrope (AMR), magnétorésistance géante (GMR), magnétorésistance tunnel (TMR) ou magnétorésistance colossale (CMR).
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que les moyens de génération d'un champ magnétique additionnel comprennent une bobine d'induction (6) située au voisinage du capteur magnétorésistif (5).
19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que les moyens de génération d'un champ magnétique additionnel comprennent une nappe c:onductrice alimentée en courant (33) située au voisinage du capteur magnétorésistif (32).
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que la nappe conductrice alimentée en courant (33) est déposée sur ou sous le capteur magnétorésistif (32) dans un procédé intégré avec interposition d'une couche intermédiaire de matériau isolant.
21. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que la nappe conductrice alimentée en courant (33) est située sur la face opposée du substrat (35) portant le capteur magnétorésistif (32).
22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de vérification de l'admissibilité des valeurs de champ magnétique additionnel impulsionnel appliqué par lesdits moyens de génération (6, 33) et des moyens d'alerte (80) réagissant auxdits moyens de vérification d'admissibilité.
23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, caractérisé en ce que les moyens (50) de mesure de la résistance électrique du capteur magnétorésistif (5; 32) comprennent des moyens pour mesurer le courant nécessaire pour ramener la résistance mesurée du capteur magnétorésistif (5; 32) à une valeur de référence (Rref) comprise entre des valeurs extrêmes (Rn, Rmax) de la magnétorésistance du capteur magnétorésistif (5; 32) mesurées lorsque lesdits moyens (40) de génération d'un champ magnétique additionnel sont activés, ladite valeur de référence (Rref) étant une cornbinaison linéaire desdites valeurs extrêmes (Rmin, Rmax).
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