Brevet FR2470387A1 — publié le 19810529

La présente invention concerne un trans- formateur de mesure pour la mesure d'un champ magnéti- que, en particulier engendré par un courant de mesure, transformateur de mesure qui comporte une bobine ma- gnétique conduisant un courant de prémagnétisation de sens alternés, et un comparateur de champs magnéti- ques, constitué par au moins une pellicule magnétique anisotrope en matériau magnétorésistant ferromagnéti- que, connectée à une source de courant et exposée à un champ magnétique extérieur qui correspond à la som- me du champ magnétique à mesurer et du champ de pré- magnétisation engendré par le courant de prémagnétisa- tion, de telle manière que la pellicule magnétique soit commutée par le champ extérieur le long de son axe d'alimentation facile alternativement dans les deux sens de saturation et qu'approximativement à chaque passage par zéro du champ extérieur, la résistance élec- trique de ladite pellicule varie brusquement de sorte que l'instant auquel se produit cette variation de ré- sistance représente une mesure de la valeur absolue et du signe du champ magnétique à mesurer. Un transformateur de mesure de ce type est connu d'après la demande de brevet britannique GB 2 000 873 A. Dans ce document, il est mentionné que la direction magnétique préférentielle de la pellicule magnétique, c'està-dire son axe d'aimantation facile, peut être parallèle ou perpendiculaire à la direction du champ magnétique extérieur, ou encore être inclinée d'un angle, par exemple de 45 , par rapport à cette direction. Comme bobine magnétique propre à engendrer le champ de prémagnétisation, il est prévu dans le document ci-dessus cité une bobine plate en ruban ou en fil ou encore une couche de cuivre en spirale réali- sée à la manière d'un circuit imprimé gravéo L'invention a pour objet de créer un monta- ge du transformateur de mesure, qui peut être réalisé par des procédés de production en série modernes et avec de faibles coûts de fabrication. À cet effet, suivant l'invention, le com- parateur de champs magnétiques est disposé sur une plaquette semiconductrice, qui représente un circuit intégré monolithique. L'invention sera mieux comprise à la lec- ture de la description détaillée qui suit et à l'exa- men des dessins joints qui en représentent, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution. Sur ces dessins qui ne sont pas tracés à l'échelle: - la figure 1 est une représentation de principe d'un transformateur de mesure; - les figures 2 et 3 représentent chacune en coupe un transformateur de mesure; - la figure 4 représente un transforma- teur de mesure muni d'un conducteur de mesure; - la figure 5 est un schéma de principe d'un compteur d'électricité statique comportant un transformateur de mesure; - la figure 6 est une vue en coupe d'un autre transformateur de mesure, et - la figure 7 représente le transformateur de mesure de la figure 6, vu de dessus. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une pellicule magnétique anisotrope en matériau magnéto- résistant ferromagnétique, qui forme un comparateur de champs magnétiques et est connectée à une source de courant non représentée, qui injecte dans la pellicule magnétique 1 un courant I0 passant suivant la direction longitudinale de ladite pellicule. L'axe d'aimantation facile EA de la pellicule magnétique 1 fait, avec la direction longitudinale et avec un champ magnétique extérieur Ha appliqué dans la direction longitudinale à la pellicule magnétique, un angle P. Dans un plan parallèle à la pellicule ma- gnétique 1 est disposée une bobine magnétique 2, dont la bande conductrice forme une spirale rectangulaire, les spires individuelles 3 de celle-ci, dans la ré- gion dans laquelle elles sont couplées magnétiquement avec la pellicule magnétique 1, s'étendant perpendicu- lairement à la direction longitudinale de cette der- nière. La bobine magnétique 3 conduit un courant de prémagnétisation de sens alternés Iv, d'une allure de courbe bien définie. Ce courant de prémagnétisation Iv engendre, dans la direction longitudinale de la pel- licule magnétique 1, un champ de prémagnétisation. Si, en outre, un champ magnétique à mesurer est appliqué dans la direction longitudinale de la pellicule magné- tique 1, alors il est créé dans la direction longitu- dinale un champ magnétique extérieur Ha, qui corres- pond à la somme du champ magnétique à mesurer et du champ de prémagnétisation. Dans l'exemple représenté, le champ magnétique à mesurer est engendré par un cou- rant de mesure Im qui passe dans un conducteur plat 4 perpendiculairement à la direction longitudinale de la pellicule magnétique 1. Le vecteur d'aimantation M est décalé angulairement de l'angle a par rapport à l'axe d'aimantation facile EA par le champ extérieur Hta. Pour Ha = 0, le vecteur d'aimantation M de la pellicule magnétique I s'étend dans la direction de l'axe d'aimantation facile EA et, par conséquent, est décalé angulairement de l'angle P par rapport à la di- rection longitudinale de la pellicule magnétique 1. Si le champ magnétique extérieur Ha croit négativement (c'est-à-dire en sens inverse de la direction précéden- te), alors le vecteur d'aimantation M est tout d'abord à nouveau décalé angulairement de façon continue tan- dis que l'angle a croît nûgativement. Après avoir dé- passé un point de stabilité, qui peut être déterminé d'après le modèle Stoner-W'ohlhahrts connu, le vecteur d'aimantation I; continue de tourner, mais de façon dis- continue, c'est-à-dire indépendamment de la vitesse de variation du champ extérieur Ha, jusqu'au-delà de l'axe d'aimantation difficile HA et prend très rapide- ment une nouvelle position d'équilibre représentée en trait interrompu sur la figure 1. Il en résulte que la pellicule magnétique I change de résistance ohmique brusquement, ce qui se traduit par un saut de tension abrupt et marqué de la tension décroissant sur la pel- licule magnétique 1. Ce saut de tension peut être aisé- ment détecté et marque le passage par zéro du champ extérieur Ha avec une grande précision. La commutation discontinue de la pellicule magnétique I ne se produit toutefois pas exactement au passage par zéro du champ extérieur Ha mais pour une intensité de champ d'inver- sion Hao, c'est-à-dire qu'il se produit une hystérésis 2 Hao. Cette hystérésis est minimale pour 3 = 45 et dépend en outre de l'intensité de champ d'anisotropie du matériau magnéto-résistant et de ce qu'on appele la désaimantation. Une faible désaimantation et, par con- séquent, une faible hystérésis exigent que l'épaisseur de la pellicule magnétique I soit très faible devant sa largeur. Si la désaimantation n'est pas négligea- ble, alors son influence peut être largement compensée si, au lieu de la pellicule magnétique 1, on utilise deux pellicules magnétiques identiques disposées en coïncidence et séparées par une mince couche isolante magnétique non conductrice, tandis que dans chacune de ces pellicules mangétiques passe un courant 1/2Io0 et tandis qu'on choisit de préférence f = 0. Selon la figure 2, la pellicule magnétique I est disposée sur une plaquette semi-conductrice 5, qui forme un circuit intégré (IO) monolithique avec les composants électroniques nécessaires du transfor- mateur de mesure. Entre la pellicule magnétique 1 et la plaquette semiconductrice 5 se trouve une couche d'i- solement 6, par exemple en SiO2. Les extrémités longitudinales de la pelli- cule magnétique 1 sont mises en contact avec des ban- des conductrices 7, 8 pour le raccordement de la pelli- cule magnétique 1 à une source de courant continu four- nissant le courant IO. La plaquette semi-conductrice porte entre autres deux transistors 9, 10 dont l'un est connecté, par l'intermédiaire de la bande conduc- trice 7, à la pellicule magnétique 1 et injecte dans celle-ci le courant IO, tandis que l'autre est reliée par l'intermédiaire d'une bande conductrice 11 à la bobine magnétique 2 et fournit le courant de-prémagné- tisation Iv. De préférence, la bobine magnétique 2 est une bobine à couche mince plane et est disposée, con- jointement avec la pellicule magnétique 1, sur la pla- quette semi-conductrice 5. Dans l'exemple de la figure 2, la bobine magnétique 2 est disposée sur le côté-de la pellicule magnétique 1 opposé à la plaquette semi- conductrice 5 et est isolée de ladite pellicule et des bandes conductrices 7, 8 par une couche d'isolement 12. La pellicule magnétique 1 se trouve à une distance dé- terminée, par exemple de quelques microns, de la bobine magnétique 2 à un emplacement o le champ prémagnétisa- tion est pratiquement constant sur toute la longueur magnétiquement active de la pellicule magnétique 1. Les bandes conductrices 7, 8 et 11 et la bobine magnétique 2 peuvent être, par exemple, en or, en cuivre ou en aluminium et peuvent être déposées par des procédés photolithographiques connus dans la techno- logie des circuits intégrés, sur la couche d'isole- ment 6 ou 12. Le dépôt des couches d'isolement 6 et 12 peut également s'effectuer par des procédés usuels dans la fabrication des circuits intégrés. En outre, il est possible de combiner la formation des bandes conductrices 7, 8 et 11, de la bobine magnétique 2, ainsi que des couches d'isolement 6 et 12, avec des opérations d'établissement de contact ou d'isolement lors de la fabrication du circuit intégré, de sorte que, par rapport à la fabrication classique de circuits intégrés, il suffit pour construire le transformateur de mesure décrit, d'ajouter comme opération supplémen- taire le dépôt de la pellicule magnétique 1. Le transformateur de mesure de la figure 3 se distingue de celui de la figure 2 essentiellement par le fait que la bobine magnétique 2 est disposée entre la plaquette semi-conductrice 5 et la pellicule magnétique 1. Bien que les couches individuelles pré- sentent sur la figure 3 en partie une forme légèrement différente de celle de la figure 2, on a désigné sur la figure 3, pour plus de clarté, les éléments qui as- surent les mêmes fonctions que sur la figure 2 par les mêmes références numériques que sur celle-ci. La plaquette semi-conductrice 5, portant la pellicule magnétique 1 et la bobine magnétique 2, peut être munie de la manière classique de connexions électriques et peut être encapsulée dans un boîtier. Dans ce cas, le conducteur plat 4 (figure 1)peut, à la manière de la tôle de refroidissement d'un transis- tor de puissance, constituer une partie du bottier. Avantageusement, le conducteur plat 4, comme représen- té sur la figure 4, peut être recourbé en forme d'U et la plaquette semiconductrice 5 peut être disposée entre les branches du conducteur plat 4, tandis que les connexions électriques 13 font saillie latéralement à l'extérieur entre les branches. Le champ magnétique engendré par le courant de mesure Im est maximal en- tre les branches du conducteur plat 4 et pratiquement nul à l'extérieur de celles-ci. En déposant une couche faiblement magnétique sur la surface extérieure du conducteur plat 4, on peut assurer un blindage magnéti- que supplémentaire. De schéma électrique de principe du cir- cuit intégré constitué par la plaquette semi-conductrice 5 est représenté avec la pellicule magnétique 1 et la bobine magnétique 2 sur la figure 5 à l'intérieur d'un cadre en trait interrompu symbolisant un montage 14. Le montage 14 comprend un oscillateur 15, une source de courant de prémagnétisation 16, une source de cou- rant continu 17, un amplificateur de courant alterna- tif 18, un commutateur à seuil 19, un multiplieur 20 ou autre élément de traitement de signaux analogique ou numérique et, en outre; un stabilisateur de tension d'alimentation 21, la pellicule magnétique 1 avec les bandes conductrices 7, 8 et la bobine magnétique 2 qui, dans l'exemple de la figure 5, est une bobine en spira- le double. L'oscillateur 15 engendre un train d'im- pulsions de fréquence constante au moyen duquel la sour- ce de courant de prémagnétisation 16 fournissant le courant de prémagnétisation Iv est excitée. La source de courant continu 17 applique le courant 1 à la pel- licule magnétique 1. La composante de tension alterna- tive de la tension décroissant sur la pellicule magné- tique 1 est amplifiée dans l'amplificateur de courant alternatif 18 et parvient au commutateur à seuil 19, qui engendre une impulsion approximativement à chaque passage par zéro du champ extérieur Ha. Pour une forme de courbe bien définie du courant de prémagnétisation de sens alternés Iv, les instants auxquels ces impul- sions apparaissent représentent une mesure de la va- leur instantanéyet du signe du champ magnétique appli- qué au transformateur de mesure ou du courant passant dans le conducteur plat 4. Dans le multiplieur ou au- tre élément de traitement de signaux 20, un signal ana- logique ou numérique représentant la valeur instanta- née du courant peut être formé d'après ces instants. Le transformateur de mesure décrit con- vient particulièrement bien pour la mesure d'énergie électrique. A cet effet, le courant alternatif à me- surer est directement appliqué au conducteur plat 4 et, comme on peut le voir sur la figure 5, la tension à mesurer U est transmise, par exemple par l'intermé- diaire d'un diviseur de tension 22, au multiplieur 20, dont la sortie est connectée à un compteur 23. Le multiplieur 20 forme le produit de la valeur instanta- née du courant alternatif obtenu au moyen du transfor- mateur de mesure et de la valeur instantanée de la tension alternative et le compteur 23 forme l'intégra- le de temps de ce produit. Pour alimenter-le montage représenté dans le rectangle 14, la tension alternative U est convertie, au moyen d'un transformateur 24, d'un redresseur 25 et d'un condensateur 26, en une faible tension continue et celle-ci est appliquée au stabilisateur de tension d'alimentation 21. Pour la mesure d'énergie électrique dans un réseau de courant triphasé, on utilise avantageuse- ment pour chaque phase un transformateur de mesure du type décrit, tandis que la formation du produit pour chaque phase peut s'effectuer dans le multiplieur 20 du montage représenté par le rectangle 14 de la phase intéressée, ou encore dans un micro-ordinateur commun à toutes les phases. Les spires de la bobine magnétique 2 réa- lisée sous la forme d'une bobine à couche mince peu- vent, comme décrit précédemment, s'étendre dans un plan commun. Il est également possible de disposer les spires individuelles de la bobine à couche mince, d'une manière connue, les unes au-dessus des autres en coïncidence et de les isoler deux à deux par une couche d'isolement intermédiaire. Une autre forme d'exécution avantageuse d'une bobine à couche mince est décrite ci-après en référence aux figures 6 et 7, sur lesquelles des ré- férences numériques identiques à celles des figures précédentes indiquent des éléments ayant la même fonc- tion que sur celles-ci. Dans le transformateur de me- sure des figures 6 et 7, la bobine à couche mince est constituée par un premier groupe de bandes conductri- ces parallèles 27 s'étendant dans un premier plan et par un second groupe de bandes conductrices parallèles 28 s'étendant dans un second plan. Les bandes conduc- trices 27 se trouvent au-dessous de la pellicule ma- gnétique 1, sur la couche d'isolement 6 déposée sur la plaquette semiconductrice 5, et sont isolées de la pellicule magnétique 1 par la couche d'isolement 12. Au-dessus de la pellicule magnétique 1 sont disposées, sur une couche d'isolement 29, les bandes conductrices 28. Les couches d'isolement 12 et 29 ne recouvrent pas entièrement les bandes conductrices 27 mais laissent les extrémités de celle-ci librement accessibles. Les deux extrémités de bandes conductrices 28 sont recour- bées en forme de Z et sont reliées chacune avec l'une des extrémités de deux bandes conductrices 27 succes- sives. Par rapport à la bobine magnétique plane 2, la bobine magnétique constituée par les bandes conductri- ces 27, 28 présente, pour un même nombre de spires, une longueur de conducteur plusieurs Lois plus faible. REVEIDICATIONS 1) Transformateur de mesure pour la mesu- re d'un champ magnétique, en particulier engendré par un courant de mesure, transformateur de mesure qui comporte une bobine magnétique conduisant un courant de prémagnétisation de sens alternés et un comparateur de champs magnétiques, constitué par au moins une pel- licule magnétique anisotrope en matériau amgéntorésis- tant ferromagnétique, connectée à une source de cou- rant et exposée à un champ magnétique extérieur qui correspond à la somme du champ magnétique à mesurer et du champ de prémagnétisation engendré par le courant de prémagnétisation, de telle manière que la pellicule magnétique soit commutée par le champ extérieur le long de son axe d'aimantation facile alternativement dans les deux sens de saturation et qu'approximativement à cha ue passage par zéro du champ extérieur, la résis- tance électrique de ladite pellicule varie brusquement de sotte que l'instant auquel se produit cette varia- tion de résistance représente une mesure de la valeur absolue et du signe du champ magnétique à mesurer, ledit transformateur de mesure étant caractérisé en ce que le comparateur de champs magnétiques (1) est dis- posé sur une plaquette semi-conductrice (5), qui re- présente un circuit intégré monolithique (14). 2) Transformateur de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine ma- gnétique (2, 27, 28) est une bobine à couche mince dis- posée sur la plaquette semi-conductrice (5) et s'éten- dant dans un plu plueirus plans. 3) Transformateur de mesure suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit (14) comprend une source de courant de préma- il gnétisation (16), la source de courant (17) connectée au comparateur de champs magnétiques (1), un amplifi- cateur (18), un commutateur à seuil (19) et/ou un élément de traitement de signaux numérique ou analo- gique. 4) Transformateur de mesure suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de traitement de signaux est un multiplieur (20). ) Transformateur de mesure suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de mesure (I1) est un courant alternatif, en ce que le circuit (14) comprend un multiplieur (20) pour la for- mation du produit de la valeur instantanée du courant de mesure (La) obtenu au moyen du transformateur de mesure et de la valeur instantanée d'une tension al- ternative (U) et en ce qu'à la suite du multiplieur (20) est monté un compteur (23) destiné à former l'in- tégrale de temps du produit. 6) Transformateur de mesure suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plaquette semi-conductrice (5) est disposée entre les branches d'un conducteur plat (4) recourbé en forme de U qui conduit le courant de mesure (Im)* 7) Transformateur de mesure suivant l'une des-revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la bo- bine magnétique est constituée par deux groupes de bandes conductrices parallèles (27, 28) s'étendant cha- cune dans un plan, les bandes conductrices (27) de l'un des groupes étant disposées au-dessous de la pel- licules magnétique (1) et les bandes conductrices (28) de l'autre groupe au-dessus de la pellicule magnétique (1), tandis que les deux extrémités des bandes conduc- trices (28) de l'un des groupes sont reliées chacune à l'une des extrémités de deux bandes conductrices (27) différentes de l'autre groupe.