Brevet FR2504272A1 — publié le 19821022

La présente invention concerne les transducteurs de puissance et, en particulier, des transducteurs fabriqués en circuit intégré. Bien que des transducteurs de puissance en circuit in tégré peuvent comporter des éléments magnétorésistants à per malloy, ces transducteurs doivent être soumis à une polari sation magnétique pour mettre le permalloy dans un état de sensibilité suffisante. Ceci constitue un inconvénient pour leur fabrication puisqu'il faut fabriquer ou Joindre un aimant permanent. Un but principal de l'invention est de fournir un transducteur de puissance ne nécessitant pas de polarisation. Selon la présente invention, un transducteur de puissance pour mesurer la puissance consommée par une charge électrique est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen à diodes magnétiquement sensibles connecté dans un circuit conducteur en parallèle avec la charge de sorte qu'un courant de diode proportionnel à la tension de charge traverse le moyen à diodes magnétiquement sensibles, le moyen à diodes magnétiquement sensibles étant positionné de manière à être sollicité par un champ magnétique proportionnel au courant de charge faisant en sorte qu'une tension apparaissant dans le moyen à diodes magnétiquement sensibles soit dans un rapport prédéterminé avec la puissance consommée par la charge. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels Figure 1 représente de façon schématique un exemple de réalisation préféré d'un transducteur de puissance selon la présente invention. Fig. 2 représente de façon schématique une construc tion préférée d'une diode magnétiquement sensible du trans ducteur de la figure 1. Figure 3 représente des formes d'onde associées au fonctionnement du transducteur de la figure 1; et Figure 4 représente des caractéristiques de courant en fonction de la tension pour des champs magnétiques de va leurs 0, H et -H. En se référant aux figures, on voit que le transducteur de puissance comprend un pont électrique contenant des éléments semi-conducteurs à diodes magnétiquement sensibles du type p-i-n, et qu'il peut être fabriqué sur des tranches de silicium classiques, à partir de couches épitaxiales sur du saphir, ou à partir de composés semiconducteurs tels que GaAs ou InSb. La présente invention agit par effet combiné d'un champ magnétique et d'un courant électrique. On alimente un élément à diode magnétiquement sensible avec un courant électrique proportionnel à une tension de charge. En même temps, on soumet l'élément à un champ magnétique alternatif proportionnel au courant de charge. La tension résultante de diode contient une composante proportionnelle au produit de la tension de charge, du courant de charge, et du cosinus de l'angle de phase entre la tension de charge et le courant de charge. Cette composante est par conséquent une mesure de la puissance consommée par la charge. Comme on le verra dans la suite, on peut déterminer la composante par des mesures de tension entre des bornes A et B. Le transducteur décrit par la figure 1 convertit donc la puissance consommée en un signal de sortie de tension mesurable. On peut également l'appeler wattmètre. Le transducteur tire sa puissance de fonctionnement du générateur qui alimente la charge et, par conséquent, ne nécessite pas d'alimentation électrique séparée ni une polarisation d'aucune sorte. Pareillement, une polarisation magnétique n'est pas nécessaire. En se référant spécifiquement à la figure 1, on voit que le transducteur comprend un générateur 10 fournissant du courant électrique à une charge 12 par l'intermédiaire d'un conducteur 14. Un pont à diodes 16 est alimenté par un courant proportionnel à une tension de charge V au moyen d'un circuit en parallèle contenant le pont et une résistance en série 18 qui est réglable à n'importe quelle valeur de fonctionnement. Le pont 16 est constitué d'une première et d'une seconde branche connectées en parallèle entre la résistance 18 et la masse ou une borne de potentiel de ré- férence 28. La première branche est constituée de diodes 24 et 26 connectées également en série. Les diodes 20, 22, 24 et 26 du pont sont positionnées pour être dans le champ magnétique H fourni par le courant de charge I. Les diodes sont disposées de manière que le champ magnétique appliqué à chaque diode tende à déséquilibrer le pont, en augmentant au maximum la réponse au champ magnétique. Cela est réalisé en disposant les diodes opposées du pont de manière qu'elles aient la même polarité ou le même sens de courant de diode par rapport au champ magnétique mais en disposant les diodes de branches adjacentes de manière à ce qu'elles aient une polarité inverse. (Il est bien connu que le courant dans une diode doit passer dans le sens direct de la région p à la région n. Ce courant peut être appelé "courant de diode" ou "courant direct"). Ainsi, comme le montre la figure 1, les diodes 20 et 26 ont la même polarité par rapport au champ magnétique. Pareillement, les diodes 22 et 24 ont la même polarité, cette polarité étant inverse de celle des diodes 20 et 26. Alors que 11 effet du champ magnétique agissant sur les diodes est de produire un déséquilibrage de pont et une tension de sortie entre les points A et B, les tensions de fond produites dans les diodes par le courant électrique fourni à la résistance 18 agissant seul s'équilibrent. Ainsi, la tension de fond engendrée dans les diodes ne masque pas le signal engendré par le champ magnétique. En outre dans l'exemple de réalisation représenté, des variations provoquées par la température sollicitent en commun toutes les diodes et créent un déséquilibrage. On notera également qu'on pourrait utiliser un pont à deux diodes. Dans ce cas, on place deux diodes de polarités inverses dans des bras adjacents du pont, par exemple, dans les bras 20 et 24 avec les deux autres bras 22 et 26 contenant, par exemple, des résistances réglées pour l'équilibrage du pont. Le fonctionnement du transducteur reste alors le même excepté que la tension disponible de pont déséquilibré est maintenant la moitié de celle pour le pont à quatre diodes. Des diodes peuvent être sensibles à des champs magnétiques dans beaucoup de configurations différentes, comme une Jonction pn, par exemple, ou bien une structure p-i-n dans laquelle une région p et une région n sont séparées par une région centrale relativement non dopée ou intrinsèque. La caractéristique commune des diodes magnéto quement sensibles utilisables en relation avec le transducteur de l'invention est que, lorsqu'on applique un champ magnétique, on fait varier la résistance électrique efficace de la diode. D'une matière correspondante, une variation de tension se produit dans la diode magnétiquement sensible. Pour l'exemple de réalisation préféré de la présente invention qui vient d'etre décrit, les diodes magnétiquement sensibles doivent avoir l'autre propriété qui est que la résistance électrique efficace devient plus grande ou plus petite selon la direction du champ magnétique. Ainsi, dans la disposition de la figure 1, l'application d'un champ magnétique provoque l'augmentation de la résistance électrique efficace de la moitié des éléments à diode et le contraire dans l'autre moitié des diodes, en déséquilibrant ainsi le pont. I1 est possible d'avoir des diodes magnétiquement sensibles qui ne sont pas influencées par la direction du champ magnétique, ces diodes étant probablement acceptables dans d'autres exemples de réalisation de la présente invention. Un type de diode magnétiquement sensible et influençable par la direction du champ magnétique, et par conséquent compatible avec l'exemple de réalisation préféré de la présente invention décrit précédemment, est constitué par des régions d'extrémité p et n fortement dopées et séparées par une région de base légèrement dopée, la région de base ayant deux surfaces opposées essentiellement parallèles et comportant des vitesses de recombinaison électrons-trous respectivement élevée et basse. Une telle diode magnétiquement sensible est représentée sur la figure 2. La région de base a de préférence une configuration en forme de barreau, une dimension (l'épaisseur sur la figure) étant petite comparée aux deux autres. (On notera que la figure 2 n'est pas à l'échelle, ce qui fait apparaître par exemple la région de base plus épaisse qu'elle devrait l'être). Comme on l'a indiqué plus haut, une des deux surfaces de la région de base doit avoir une grande vitesse de recombinaison de porteurs, et l'autre surface doit avoir une faible vitesse de recombinaison de porteurs. Quand les porteurs sont déviés par le champ magnétique en direction d'une surface, ils se recombinent, et la résistance efficace de la diode magnétiquement sensible augmente. Quand les porteurs sont déviés en direction de l'autre surface, les porteurs se recombinent très lentement, et la résistance efficace décrit. Comme on l'a indiqué précédemment, la figure 2 représente schématiquement un exemple d t une telle diode magnétiquement sensible. Sur cette figure est représentée une diode magnétiquement sensible au silicium sur saphir dans laquelle une région d'extrémité p fortement dopée 34, désignée par p+ Si, et une région d'extrémité n fortement dopée 36, désignée par n+ Si, sont séparées par une région de base légèrement dopée 38. La diode magnétiquement sensible représentée comprend en outre une couche de passivation 40 en bioxyde de silicium et deux pastilles d'aluminium 42 et 44 connectées respectivement aux régions d'extrémité 34 et 36. Dans cette diode magnétiquement sensible, l'interface silicium/saphir 46 a une grande vitesse de recombinaison de porteurs, et l'interface de silicium/bioxyde de silicium 48 peut être agencée pour avoir une faible vitesse de recombinaison de porteurs par une oxydation convenable. I1 se produit en outre, dans cette diode magnétiquement sensible, une variation de la résistance efficace de la diode quand le champ magnétique est perpendiculaire au courant direct et parallèle aux deux surfaces ayant des vitesses de recombinaison de porteurs respectivement élevée et basse. En se référant à nouveau à la figure 1, on notera que dans chacune des diodes 20, 22, 26 et 26 un courant direct passe de la région 2 à la région n. Par conséquent, quand le champ magnétique a la valeur H et qu'il est dirigé comme l'indique la figure, le courant de diode est dévié vers le bas en direction de la surface de saphir dans les diodes 20 et 26 et vers le haut en direction de la surface de bioxyde dans les diodes 22 et 24. Bien que la description de l'action d'une diode magnétiquement sensible a été faite relativement à la version silicium-sur-saphir représentée sur la figure 2, on remarquera que d'autres constructions sont possibles. Par exemple, on peut utiliser des semiconducteurs autres que le silicium et on peut obtenir la grande vitesse de recombinaison de porteurs de surface en rendant la surface rugueuse ou par implantation d'impuretés. On pourra mieux comprendre le fonctionnement de l'exemple de réalisation.préféré de l'invention représenté sur la figure 1 en se référant aux formes d'onde de la figure 3. La ligne X de formes d'onde du haut est celle du courant de diode, qui est proportionnel à la tension de charge V. Puisque les diodes ne peuvent être conductrices que pendant la moitié positive du cycle de tension de charge, le courant de pont est à une seule demi-onde redressée, comme l'indique la figure. La ligne Y de formes d'onde du milieu est celle du champ magnétique H, qui est proportionnel au courant de charge I. Pour des raisons d'illustration, la forme d'onde de champ magnétique est représentée avec des angles de phase de 0,45 et 90 degrés par rapport au courant de diode. Ce sont aussi les angles de phase entre la tension de charge et le courant de charge.On notera que les angles de phase varient conformément au type de charge et qu'ils peuvent être par exemple compris entre O et 60 degrés. La tension instantanée de sortie de pont (qui appa ralt entre les bornes A et B) est représentée par les formes d'onde inférieures Z de chaque. colonne. Cette tension est dessinée pour être approximativement proportionnelle au produit du champ magnétique et du courant de diode. On voit d'après les trois exemples que, pour un angle de phase de O degré, la tension de sortie ne comporte que des alternances positives, et une grande composante de courant continu est présente (ainsi, pour cet exemple, une grande composante de courant continu est présente entre les bornes A et B). Pour un angle de phase de 45 degrés, il y a une petite alternance négative, et une composante de courant continu plus petite est présente (d'où une tension de courant continu plus petite apparat entre les bornes A et B, en représentant ainsi une consommation plus petite de puissance par la charge). Pour un angle de phase idéalisé de 90 degrés, les alternances négatives et positives sont égales, et la composante de courant continu est alors égale à zéro, ce qui représente une consommation de puissance nulle par la charge. La composante de courant continu de la tension de sortie de pont (qui est mesurée entre les bornes A et B) est proportionnelle au produit de l'amplitude du champ magnétique, de l'amplitude du courant de diode, et de l'angle de phase. Par conséquent, cette composante de courant continu mesurée entre les bornes A et B fournit une mesure de la puissance moyenne consommée par la charge . La base analytique de cette relation de proportionnalité est expliqué dans la suite. On va considérer des courbes caractéristiques d'une diode magnétiquement sensible, telles que celles représentées sur la figure 4. Les trois courbes représentent les variations du courant de diode en fonction de la tension de diode respectivement en présence des champs magnétiques O, H et -H. La tension de diode instantanée par le champ H est VD (H) =VDO + (VSENS)H (1) et pour le champ -H, elle est VD (-H) = VDO - (VSENS)H (2) où VDO désigne la tension de diode en l'absence de champ, et VSENS désigne la sensibilité magnétique à un courant constant, donnée par (aV/ 2 H)1 . A partir de la théorie D des diodes magnétiquement sensibles /-1 T, on sait que VDO = aID112 , où a est une constante .On a également pu démontrer que [2], à partir aussi bien des bases théo riques que de l'expérience VSENS = A V2 o( désignant DO 2 une constante. I1 s'ensuit que VSENS = a q ID = bi0, où b est également une constante. Les équations (1) et (2) peuvent alors être récrites comme suit On notera que, si ID est proportionnel à une tension de charge et si H est proportionnel à un courant de charge, le terme de tension bI0H peut être utilisé comme une mesure de puissance. Cependant, il faut séparer ce terme de l'autre terme de tension défini par aID1/2 . On peut le faire en utilisant deux ou quatre diodes magnétiquement sensibles, comme on va le décrire maintenant. Si on considère la disposition de pont de la figure 1, on voit que, en raison des différentes polarités, les diodes 22 et 24 peuvent être considérées comme étant soumises à un champ H, tandis que les diodes 20 et 26 sont soumises au champ -H. Puisque le pont est presque équill- bré, on peut considérer que les diodes laissent toutes pas La tension de sortie de pont VAB est alors donnée par VAB = (VD1 VD2) - (VD3 -VD4) ou VAB = 4bIDH (5) Le terme commun se rapportant au courant de diode se trouve annulé, et le terme se rapportant au champ agissant sur le courant est quadruplé. La tension VAB est ainsi une mesure du produit instantané du courant de diode et du champ magnétique. Si IO et H sont tous les deux sinusol- daux avec respectivement des amplitudes ID0 et H0, et une différence de phase , on a VAB = 4bI00 sin #th0 sin ( #t-#) (6) En utilisant les identités trigonométriques : VAB =4bIDO Ho cos# sin2 w t-4bIDOHOsinpsin W tcosWt (7) La tension de sortie de pont moyenne, ou tension de courant continu est obtenue par le calcul de la moyenne de l'équation (7) sur un cycle complet. La moyenne du second terme est nulle. a moyenne du premier terme est obtenue à partir des demi-cycles alternés en raison du redressement. Le résultat est : VAB =bIDOHO cos (8) où b peut être déterminée à partir des mesures de VSENS pour différents courants de diode / 2 7. En rappelant que ID est proportionnel à la tension de charge V et que H est proportionnel au courant de charge I, on peut réécrire l'équation (8) ainsi VAB = CI0V0 cos (9) où C est une constante déterminée par les paramètres du circuit, et VO et I0 sont les amplitudes de tension et de courant de charge. L'équation ci-dessus peut s'écrire également VAB = 2CIrmsVrmscos (9') où les amplitudes 1o et vu ont été remplacées par les va voir en leur substituant Le terme placé à droite du facteur constant ZC dans l'équation (9') est l'expression bien connue de la puissance consommée par une charge. Par conséquent, la tension moyenne de sortie de pont est une mesure de la puissance fournie, comme cela est demandé. Les données de base mentionnées plus haut sont décrites dans les publications suivantes : 1) l'article de G. Kamarinos, et al, intitulé "Silicon on Sapphire Magnetidiodes of High Sensitiveness", paru dans la publication Proc. 1977 International Ele ctron Devices Meeting, pages 114A-114C; 2) l'article de O. Lutes, P. Nussbaum, et 0. Aadland, intitulé "Sensitivity Limits of SOS Magentodiodes" paru dans la revue IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-27, N 11, Novembre 1980. Dans la description qui précède on n'a décrit que les éléments d'un exemple de réalisation préféré de transducteur qui sont dans le cadre de la présente invention. Mais il est évident que l'homme de l'art peut concevoir des variantes de l'invention sans sortir de son cadre. Par exemple, au lieu d'utiliser une configuration à pont comme moyen de compensation du signal électrique de fond crée par le courant de diode proportionnel à la tension de charge, on pourrait utiliser différentes dispositions comportant un amplificateur différentiel. Un avantage supplémentaire du transducteur selon l'invention est qu'il est possible d'avoir un champ magnétique compris dans un grand intervalle de valeurs (et donc de même pour le courant de charge) où une diode magnétiquement sensible a une réponse linéaire. Cela est dû au fait que le transducteur est constitué d'un matériau semiconducteur qui, contrairement aux matériaux ferromagnétiques, n'est pas soumis à des effets de saturation. Par rapport aux dispositifs à effet Hall, le transducteur à diodes magnétiquement sensibles est différent en ce qui concerne la direction de sensibilité au champ magnétique. Une diode magnétiquement sensible répond à des champs magnétiques s'exerçant dans un plan, c'est-à-dire à des champs parallèles à la surface sur laquelle les dispositifs à circuits intégrés sont normalement placés. Les dispositifs à effet Hall répondent normalement, pour leur part, à des champs dirigés perpendiculairement à la surface. Par conséquent, dans une application concernant un transducteur de puissance, la réponse planaire de la diode magnétiquement sensible permet de placer le détecteur plus près du conducteur laissant passer le courant, ce qui permet de placer le transducteur dans un champ magnétique plus grand. En outre, le transducteur de l'invention est de construction plus simple qu'un dispositif à effet Hall puisqu'un élément à diode magnétiquement sensible ne nécessite que deux connexions électriques alors qu'un élément à effet Hall en nécessite quatre. REVENDICATIONS 1. Transducteur de puissance pour mesurer la puissance consommée par une charge électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen à diodes magnétiquement sensibles (20, 22, 24, 26) connecté dans un circuit conducteur en parallèle avec la charge de sorte qu'un courant de diode proportionnel à la tension de charge traverse le moyen à diodes magnétiquement sensibles; le moyen à diodes magnétiquement sensibles étant positionné de manière à être sollicité par un champ magnétique proportionnel au courant de char go faisant en sorte qu'une tension apparaissant dans le moyen à diodes magnétiquement sensibles soit dans un rapport prédéterminé avec la puissance consommée par la charge. 2. Transducteur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à diodes magnétiquement sensibles ( 20, 22, 24, 26) est conçu pour compenser le signal électrique de fond créé par le courant de diode proportionnel à la tension de charge de manière à permettre une détermination plus facile de la grandeur de la variation de tension provoquée par le champ magnétique. 3 . Transducteur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen à diodes magnétiquement sensibles comprend au moins une diode magnétiquement sensible pourvue d'une région de base (38) comportant des première et seconde surfaces opposées et essentiellement parallèle (46, 48), la première surface (46) ayant une grande vitesse de recombinaison de porteurs et la seconde surface (48) ayant une faible vitesse de recombinaison de porteurs. 4. Transducteur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen à diodes magnétiquement sensibles est positionné de manière que le champ magnétique du courant de charge soit appliqué au moyen à diodes magnétiquement sensibles essentiellement perpendiculairement à la direction du courant de diode et essentiellement parallèlement aux surfaces à grande et faible vitesse de recombinaison de porteurs pour que le champ magnétique ait une influence maximale sur la grandeur de la variation de tension dans le moyen à diodes magnétiquement sensibles. 5. Transducteur de puissance selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérise en ce que le moyen à diodes magnétiquement sensibles comprend une première (20,22) et une seconde (24, 26) branche électrique qui sont connectées en parallèle, chaque branche étant constituée de deux éléments résistants connectés en série, un des éléments résistants de chacune des branches étant constitué d'une diode magnétiquement sensible, des première et seconde bornes (A, B) étant respectivement connectées entre les éléments résistants de la première et de la seconde branche, le moyen à diodes magnétiquement sensibles étant orienté de manière qu'un courant direct passe dans une diode magnétiquement sensible dans un sens essentiellement inverse de celui d'un courant direct dans l'autre diode magnétiquement sensible pour qu'une tension de courant continu apparaissant entre les deux bornes ait une valeur proportionnelle à la puissance consommée dans la charge. 6. Transducteur de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux autres éléments résistants sont constitués chacun d'une diode magnétiquement sensible, la diode magnétiquement sensible supplémentaire de chaque branche étant orientée de manière que le sens du courant direct dans cette diode soit essentiellement inverse de celui du courant direct dans l'autre diode magnétiquement sensible de la même branche de sorte qu'en doublant le nombre de diodes, la tension de courant continu apparaissant entre les deux bornes est essentiellement doublée pour la même valeur du champ magnétique et de la puissance consommée dans la charge.