Brevet FR2512964A1 — publié le 19830318

Détecteur de champ magnétique de faible valeur à transis- tor unijonction. La présente invention a pour objet un détecteur de champ magnétique de faible valeur à transis- tor unijonction, constitué par un oscillateur à résis- tance négative comprenant un transistor unijonction qui constitue un élément semi-conducteur non linéaire for- mant capteur de champ magnétique, au moins un condensa- teur monté en parallèle entre l'émetteur et la première base du transistor unijonction, au moins une résistance dont une première extrémité est connectée à l'extrémité du condensateur qui est raccordée à l'émetteur du tran- sistor unijonction, et des moyens de polarisation du transistor unijonction qui comprennent une source de tension connectée entre la deuxième extrémité de ladite résistance et la première base du transistor unijonction, et une source de tension connectée entre les première et deuxième bases du transistor unijonction. On connait déjà de nombreux types de cap- teurs magnétiques utilisant diverses techniques, tels que les détecteurs a solénoides ou les détecteurs à son- de Josephson Parmi les différents capteurs connus figu- rent notamment des dispositifs utilisant des éléments à semiconducteurs, qui se caractérisent essentiellement par des dimensions réduites. Les capteurs de champ magnétique à semi- conducteur peuvent se répartir en trois catégories, sui- vant l'effet physique exploité. Une première catégorie utilise les effets galvanomagnétiques dûs au champ magnétique c'est-à-dire l'effet Hall et les effets de magnétorésistance. Une seconde catégorie utilise les effets de magnétoconcentration des porteurs sur les faces d'une couche semiconductrice, associés à une détection des va- riations de ces concentrations (magnétodiodes à sonde Schottky par exemple). Une troisième catégorie de capteurs ex- ploite les effets de filamentation de courant et de ré- sistance négative qui apparaissent lorsqu'on a simulta- nément une forte injection de porteurs et un champ élec- trique important dans un semiconducteur, ces effets étant affectés par la présence d'un champ magnétique perpendiculaire aux lignes de courant. Dans cette troisième catégorie de cap- teurs de champ magnétique à semiconducteur, il a été proposé par Vikulin et al dans un article paru dans la revue "Radio Engineering and Electronics" N O 17, p 1347 de 1972, d'utiliser une diode longue à double base, en- core appelée transistor unijonction pour mettre en évi- dence la présence d'un champ magnétique ou mesurer l'in- tensité d'un champ magnétique Selon cet article de Vi- kulin, la diode à double base est associée à un conden- sateur pour réaliser un oscillateur magnétosensible qui délivre des oscillations dont l'amplitude est influencée par l'action d'un champ magnétique. Le dispositif préconisé dans l'article précité n'est toutefois prévu que pour la mise en évi- dence de champs magnétiques statiques et prévoit dans ce cas d'exploiter des variations d'amplitude des oscil- lations produites, ce qui tend à compliquer le traite- ment ultérieur du signal représentatif de la valeur du champ magnétique détecté Par ailleurs, les conditions de fonctionnement prévues pour l'oscillateur décrit dans l'article précité tendent à limiter fortement la sensibilité du système. La présente invention vise précisément à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un dispositif à la fois extrêmement simple, ce qui le rend aisément miniaturisable à faible coût, et très sensible, pour la détection et la mesure d'un champ magnétique de faible valeur, aussi bien statique qu'alternatif. Ces buts sont atteints grâce à un détec- teur du type mentionné en tête de la description, carac- térisé en ce que le transistor unijonction est agencé sur un support non métallique opaque de manière à pou- voir recevoir transversalement le champ magnétique à me- surer, tout en étant isolé de la lumière ambiante, en ce que les moyens de polarisation et les éléments de l'os- cillateur extérieurs au transistor unijonction sont ajus- tés de façon que les conditions de fonctionnement de l'oscillateur ne se situent que très légèrement au-des- sus de l'amorçage des oscillations et en ce que les ca- ractéristiques du champ magnétique à détecter sont mises en évidence par la variation de l'un au moins des para- mètres du signal oscillatoire fourni par l'oscillateur lorsque celui-ci est mis en présence dudit champ magné- tique a détecter. De façon plus particulière, dans le dé- tecteur selon l'invention, la source de tension connec- tée entre les première et deuxième bases du transistor unijonction est réglée à une valeur telle que la résis- tance dynamique O que très faiblement négative et présente une valeur abso- lue t OI inférieure à environ 1 kiloohm; ladite résistan- ce est ajustée à une valeur proche de la valeur absolue Ic.I de la résistance dynamique du transistor unijonc- tion, mais légèrement inférieure à celle-ci; et la sour- ce de tension connectée entre la deuxième extrémité de la résistance et la première base du transistor unijonc- tion est ajustée de telle manière que la droite de char- ge de l'oscillateur soit tangente à la caractéristique d'émetteur IE = f (VE) du transistor unijonction au point de fonctionnement choisi. 12964 Selon une première application du détec- teur selon l'invention, il est réalisé une conversion directe champ magnétique-fréquence, et une mesure du champ magnétique à détecter est fournie directement par la variation de la fréquence du signal oscillatoire fourni par l'oscillateur Dans ce cas, la fréquence du signal oscillatoire fourni par l'oscillateur est de pré- férence comprise entre environ 20 Hz à 9 k Hz. On notera que le type de conversion di- recte champ magnétique-fréquence est particulièrement avantageux dans la mesure o il offre de grandes facili- tés pour le traitement numérique des résultats et o la transmission de données codées en fréquence présente une haute immunité au bruit Ceci rend le détecteur selon l'invention particulièrement bien adapté aux mesures à distance. Selon une seconde application, le détec- teur selon l'invention est adapté pour fournir une mesu- re d'un champ magnétique alternatif a détecter par la variation de l'amplitude du signal oscillatoire fourni par l'oscillateur, selon un phénomène de résonance para- métrique. Dans ce cas, la fréquence du signal os- cillatoire fourni par l'oscillateur est de préférence comprise entre environ 10 k Hz et 50 k Hz. Le détecteur selon l'invention présente dans cette seconde application non seulement une grande sensibilité, mais également une excellente sélectivité vis a vis de la fréquence du champ magnétique incident, ce qui permet d'exploiter le signal fourni sans filtrage supplémentaire. Dans les différents cas d'application 12964 5. possibles, l'efficacité du détecteur selon l'invention peut encore être accrue par la mise en oeuvre de moyens de concentration de flux magnétique disposés au voisina- ge du capteur constitué par le transistor unijonction (TUJ). Le détecteur selon l'invention est ainsi adapté à la détection ou la mesure de champs magnétiques de faible valeur, statiques ou alternatifs, et permet une transmission des signaux avec une haute immunité au bruit Le détecteur peut naturellement être intégré dans un système plus vaste destiné à détecter, mesurer, con- trôler un champ magnétique, ou a asservir une variable extérieure à un champ magnétique Le détecteur selon l'invention se prête également a une automatisation des ajustements des paramètres de fonctionnement ainsi qu'à une réalisation sous forme de circuit intégré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite de modes particuliers de réalisation, en référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue schématique du circuit de base du détecteur selon l'invention, la figure 2 est un diagramme IE = f(VE) donnant le courant d'émetteur IE en fonction de la ten- sion d'émetteur du TUJ et montrant le choix d'un point de fonctionnement, les figures 3 et 4 représentent des caractéristiques IE = f (VE) respectivement pour diffé- rents choix de polarisation (tension VBB du TUJ) et pour différentes valeurs du champ magnétique à détecter, la figure 5 montre diverses courbes donnant les variations relatives de fréquence f de f O O l'oscillateur de la figure 1 en fonction du champ magné- tique B pour divers modes de fonctionnement possibles, la figure 6 montre la forme d'un si- gnal oscillatoire délivré sur l'émetteur du TUJ de la 12964 figure 1 en l'absence de champ magnétique. la figure 7 donne la valeur quadrati- que moyenne des oscillations obtenues avec le circuit de la figure 1 en fonction de la valeur efficace du champ magnétique appliqué, pour la détection d'un champ magnétique alternatif dans une bande de fréquence très étroite, la figure 8 est une courbe représen- tant pour un champ magnétique d'une valeur efficace don- née, la réponse en fréquence du détecteur adapté à la détection de champs magnétiques alternatifs. Les éléments de base du détecteur 10 selon l'invention seront tout d'abord décrits en réfé- rence à la figure 1. Le détecteur 10 est constitué par un os- cillateur bâti autour d'un transistor unijonction (TUJ) 1 du type barreau, encore appelé diode & double base, qui est un élément semiconducteur qui comprend un émet- teur E, une première base Bl et une deuxième base B 2. Le TUJ 1 incorporé dans l'oscillateur peut être un élé- ment standard dont on a ôté le capot métallique et qui a été placé sur un support non métallique, par exemple en plexiglas Ce support comporte en outre un cache des- tiné à supprimer les effets photovoltaiques Le TUJ 1 constitue le capteur de champ magnétique et présente un fonctionnement qui est modifié lorsqu'un champ magnéti- que est appliqué transversalement par rapport au barreau semiconducteur qui constitue le TUJ. Les variations des caractéristiques de fonctionnement du TUJ 1 en fonction de l'application d'un champ magnétique peuvent être mises en évidence par le fait que le TUJ 1 est monté dans un ensemble formant oscillateur Ainsi, un condensateur 2 est monté en paral- lèle entre l'émetteur E et la première base Bl du TUJ 1, une résistance 3 est connectée par une première extrémité au point A qui relie le condensateur 2 à l'émetteur E du TUJ 1, et par une deuxième extrémité au pôle posi- tif d'une source de tension de polarisation 5 de valeur Eo dont le pôle négatif est relié à la première base Bl du TUJ 1 Une deuxième source de polarisation 6 est con- nectée entre les première et deuxième bases B 1, B 2 du TUJ 1 pour appliquer au TUIJ 1 une tension interbase VBB qui permet de contrôler la forme de la caractéristique IE = f (VE) du TUJ l, comme on peut le voir sur la figu- re 3 L':inductance 4 visible sur la figure 1 n'est pas un composant séparé, mais représente les effets selfi- ques du TUJ 1. Demême des résistances de base, non représentées, pour- raient être connectées entre chacune des bases B 1, B 2 et le pôle correspondant de la source de polarisation 6. Les éléments essentiels de l'oscillateur 10 restent ce- pendant le TUJ 1, qui constitue un élément a résistance négative, le condensateur 2, la résistance 3 et les sour- ces de polarisation 5 et 6. La figure 3 représente les caractéris- tiques courant d'émetteur IE en fonction de la tension d'émetteur VE pour un TUJ I 1 particulier, en fonction de la tension VBB appliquée par la source de polarisation 6 et pour un champ magnétique B d'intensité nulle On voit d'après les courbes 11, 12, 13 que la tension VBB permet de contrôler de façon continue la forme de la ca- ractéristique IE = f (VE), depuis une caractéristique du type diode longue (courbe 11) jusqu'à une caractéris- tique en S (courbe 13) présentant une portion de résis- tance négative Ainsi, la tension VBB permet de faire apparaître ou disparaître une résistance négative et d'accentuer ou non la valeur de celle-ci. La figure 4 représente les courbes carac- 12964 téristiques 14, 15, 16 courant d'émetteur IE en fonction de la tension d'émetteur VE pour un TUJ 1 particulier, en fonction du champ magnétique transversal B appliqué et pour une valeur déterminée de tension VBB La figure 4 montre que le champ magnétique statique permet lui aussi d'affecter la forme de la caractéristique IE =f(V) et la présence (courbe 16) ou l'absence la conductivité de la partie EB 1 du barreau. Il a ainsi été constaté que pour un os- cillateur à transistor unijonction utilisé comme détec- teur de champ magnétique, le choix de la tension VBB est particulièrement important Selon l'invention, on fixe la tension VBB de telle façon que la résistance dynami- que O i du TUJ soit très faiblement négative (de l'ordre de quelques centaines d'ohms) Il convient d'éviter que la résistance dynamique soit trop fortement négative afin de conserver une sensibilité suffisante On notera cependant que le fait que la forme de la caractéristi- que 1 E = f (VE) du transistor unijonction soit affectée & la fois par la valeur de la tension VB" et par la va- leur du champ magnétique appliqué, de façon indépendante, permet de localiser la zone de forte sensibilité du dé- tecteur (c'est-à-dire de provoquer la présence d'une ré- sistance dynamique d( faiblement négative) au voisinage de n'importe quelle valeur de champ magnétique, en agis- sant sur la tension VBB Le détecteur selon l'invention, permet ainsi de détecter de faibles variations de champ magnétique (quelques gauss au voisinage d'une valeur statique forte (jusqu'à 1 tesla). D'une manière générale, l'oscillateur 10 permet une bonne détection de champs magnétiques de fai- ble valeur si la polarisation extérieure du TUJ l est réalisée de telle manière que l'on ne se trouve que très légèrement au-dessus de l'amorçage des oscillations. Ainsi, lorsque la valeur de VBB a été fixée de telle manière que la résistance dynamique i férieure, de manière a assurer la présence des oscilla- tions Enfin, la valeur Eo de la source de tension de polarisation 5 est elle-même ajustée de façon que la droite de charge 8 soit tangente en un point de fonction- nement 9 de coordonnées Io, V O sur la caractéristique 7 d'émetteur du TUJ 1 précédemment déterminée par le choix de la tension VBB de la source de polarisation 6 (voir figure 2). Dans les conditions optimales définies ci-dessus, le signal délivré sur l'émetteur E du TUJ 1 est constitué d'oscillations quasi harmoniques dont les caractéristiques sont affectées par la présence d'un champ magnétique extérieur et dont la fréquence dépend de la valeur de la capacité C du condensateur 2. Le détecteur selon l'invention peut tre adapté & différents types de fonctionnement différents. Ainsi, selon une première application, on tire parti du fait que la présence d'un champ magné- tique provoque des variations de fréquence de l'oscilla- teur 10. Les courbes 17 a 20 de la figure 5 don- nent les variations relatives de fréquence f de l'os- Y o cillateur 10 en fonction du champ magnétique B pour di- verses valeurs de la capacité C du condensateur 2 cor- respondant à des fréquences différentes fo d'oscilla- tions harmoniques & champ magnétique nul Comme on peut le constater, la variation est maximale lors de la tran- gttn entre le régime harmonique et le régime de rela- xation Il s'ensuit que l'écart entre la fréquence f 6 d'oscillat Lons harmoniques et la fréquence f de relaxa- o O tion est maximal si l'on travaille dans la zone des bas- ses fréquences (de l'ordre de 20} 3 z à 200 Hz environ). d'une part, et à l'amorçage des oscillations d'autre part. Dans ces conditions, la sensibilité en fréquence du dispositif peut atteindre une valeur de l'ordre de 0,5 Hz par gauss pour une fréquence d'amorça- ge de l'ordre de 250 Hz Le champ magnétique minimal dé- tectable sans précautions particulières concernant la stabilité en température est alors de l'ordre du gauss. Un avantage décisif du détecteur proposé dans le cadre de cette première application est la réalisation d'une conversion directe champ magnétiquefréquence Ce type de conversion offre en effet de grandes facilités pour le traitement numérique des résultats En particu- lier, l'inclusion du dispositif dans une boucle d'asser- vissement à microprocesseur est d'une extrême simplicité. D'autre part, on sait que la transmis- sion de données codées en fréquence présente une haute immunité au bruit Le dispositif proposé est donc parti- culièrement bien adapté aux mesures à distance. De plus, le dispositif n'utilise que des composants courants dont la technologie est bien maîtri- sée L'intégration ne présente par conséquent aucune dif- ficulté et permet d'obtenir un capteur de très faible encombrement Le dispositif peut donc être placé dans un entrefer de circuit magnétique très étroit En lui asso- ciant un concentrateur de flux magnétique composé par exemple de ferrites à grande perméabilité ( forme conique, on peut obtenir une amplification magnéti- que de l'ordre de 103, ce qui amène la sensibilité du dispositif à 500 Hz/Gauss, le champ minimal détectable étant alors de 10-4 gauss. Le détecteur selon l'invention, peut être utilisé par exemple dans des appareils à touches (calcu- 12964 lettes, téléphone, orgues) ou pour détecter la présence d'une masse métallique (signalisationaautomatique, con- trôle de machines-outil, industrie automobile) Il est tout particulièrement adapté aux systèmes de contrôle a distance comme les indicateurs d'état de vannes les électriques, travaux de prospection pétrolière). Selon une autre application importante, le détecteur selon l'invention peut servir à la détec- tion et à la mesure d'un champ magnétique alternatif * de faible valeur dans une bande de fréquences très étroi- te située dans une gamme de fréquence comprise entre en- viron 10 et 50 k Hz Une telle application peut être par- ticulièrement utile dans le domaine des télécommunica- tions sous-marines par exemple. Dans le cadre d'une telle application, il n'est plus question de la détection d'un'champ magné- tique statique par la mise en évidence de variations de fréquence de l'oscillateur 10 de la figure 1, mais de la détection d'un champ magnétique alternatif par la mi- se en évidence de variations d'amplitudes du signal os- cillatoire, par un phénomène de résonance paramétrique, lorsque le signal oscillatoire est réglé sur une fré- quence qui correspond à celle du champ magnétique à dé- tecter. On a indiqué précédemment (figure 4) que la caractéristique statique du TUJ 1 du circuit 10 est fortement déformée par un champ magnétique transversal de faible valeur auquel est soumis le TUJ Ce champ ma- gnétique peut ainsi faire varier la résistance dynami- que correspondant au point de polarisation choisi pour un champ magnétique statique donné, ou une absence de champ magnétique Par ailleurs, le choix du point de po- larisation détermine également la nature du signal pro- duit: oscillations de relaxation, oscillations quasi- harmoniques, ou signal continu. 12964 En présence d'un champ magnétique alter- natif de faible valeur, la résistance dynamique d'émet- teur O ' du TUJ varie sinusoldalement sous l'action du champ magnétique, et le courant d'émetteur du TUJ est lui-même oscillatoire, ce qui donne au système la possi- bilité de présenter des comportements de résonance para- métrique très sélectifs autour d'une fréquence donnée. Dans les conditions de polarisation défi- nies plus haut, qui correspondent & un fonctionnement de l'oscillateur 10 dans lequel on est légèrement au-dessus de l'amorçage des oscillations, le signal délivré sur l'émetteur E du TUJ en l'absence de champ magnétique a l'allure donnée figure 6 Ce sont des oscillations qua- si-harmoniques auxquelles vient se superposer un impor- tant bruit BF caractéristique de ce type de fonctionne- ment (fluctuations critiques) L'application d'un champ magnétique extérieur alternatif à la fréquence exacte des oscillations naissantes provoque alors une forte augmentation de l'amplitude de ces dernières La figure 7 donne la valeur quadratique moyenne des oscillations en fonction de la valeur efficace du champ appliqué. A titre d'exemple, la fréquence de fonctionnement a été choisie égale à 46 k Hz On constate que dans le domaine étudié (O 10-6 T, la réponse est sensiblement linéai- re La sensibilité est de l'ordre de 300 m V/Gauss, et le champ minimum détectable est de l'ordre de 10-7 T. Le détecteur selon l'invention appliqué à la détection d'un champ magnétique alternatif possède en outre une très grande sélectivité relativement a la fréquence du champ B incident La figure 8 illustre cet- te propriété en donnant pour un champ d'une valeur effi- cace de 5 107 T, la réponse en fréquence du détecteur. On voit que le coefficient de qualité du détecteur est supérieur à 500. Comme dans le cas de l'application du détecteur 10 à la mesure ou la détection de champs ma- gnétiques statiques, le détecteur 10 appliqué A la mesure ou à la détection de champs magnétiques stati- ques peut être réalisé de telle sorte que le TUJ ser- vant de capteur soit inclus dans un entrefer de circuit magnétique à haute perméabilité (avec un coefficient de perméabilité magnétique par exemple de l'ordre de p = 130) qui réalise un amplificateur magnétique de l'ordre de 103 Ceci peut permettre d'obtenir une sen- sibilité de l'ordre de 300 V/gauss avec un champ magné- tique minimum détectable de l'ordre de 10-10 tesla. REVENDICATIONS 1 Détecteur de champ magnétique de fai- ble valeur à transistor unijonction, constitué par un oscillateur à résistance négative ( 10) comprenant un transistor unijonction ( 1) qui constitue un élément se- miconducteur non linéaire formant capteur de champ magné- tique, au moins un condensateur ( 2) monté en parallèle entre l'émetteur (E) et la première base (B 1) du transis- tor unijonction ( 1), au moins une résistance ( 3) dont une première extrémité est connectée à l'extrémité (A) du condensateur ( 2) qui est raccordée à l'émetteur (E) du transistor unijonction ( 1), et des moyens de polari- sation ( 5,6) du transistor unijonction ( 1) qui compren- nent une source de tension ( 5) connectée entre la deu- xième extrémité de ladite résistance ( 3) et la première base (B 1) du transistor unijonction ( 1), et une source de tension ( 6) connectée entre les première'et deuxième bases (B 1, B 2) du transistor unijonction ( 1), c a r a c t é r i S é en ce que le transistor uni- jonction ( 1) est agencé sur un support non métallique opaque de manière à pouvoir recevoir transversalement le champ magnétique (B) à mesurer, tout en étant isolé de la lumière ambiante, en ce que les moyens de polari- sation ( 5,6) et les éléments de l'oscillateur ( 2,3) extérieurs au transistor unijonction ( 1) sont ajustés de façon que les conditions de fonctionnement de l'oscilla- teur ( 10) ne se situent que très légèrement au-dessus de l'amorçage des oscillations et en ce que les caracté- ristiques du champ magnétique (B) à détecter sont mises en évidence par la variation de l'un au moins des para- mètres du signal oscillatoire ( 21) fourni par l'oscil- lateur ( 10) lorsque celui-ci est mis en présence dudit champ magnétique (B) à détecter. 2 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension ( 6) connectée entre les première et deuxième bases (B 1,B 2) du transis- tor unijonction ( 1) est réglée à une valeur telle que la résistance dynamique ( du transistor unijonction ( 1) ne soit que très faiblement négative et présente une valeur absolue WI inférieure a environ 1 kiloohm; en ce que ladite résistance ( 3) est ajustée A une valeur proche de la valeur absolue di J de la résistance dynami- que du transistor unijonction ( 1), mais légèrement infé- rieure a celle-ci; et en ce que la source de tension ( 5) connectée entre la deuxième extrémité de la résistance ( 3) et la première base (Bl) du transistor unijonction ( 1) est ajustée de telle manière que la droite de charge ( 8) de l'oscillateur soit tangente à la caractéristique d'émetteur IE f (VE) du transistor unijonction ( 1) au point de fonctionnement choisi ( 9). 3 Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 2, caractérisé en ce qu'il est adap- té pour fournir une mesure du champ magnétique (B) à dé- tecter par variation de la fréquence du signal oscilla- toire fourni par l'oscillateur ( 10). 4 Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence du signal oscilla- toire fourni par l'oscillateur ( 10) est comprise entre environ 20 Hzet 9 k Hz. Détecteur selon l'une quelconque des revendications l et 2 caractérisé en ce qu'il est adapté pour fournir une mesure d'un champ magnétique (B) alter- natif & détecter par variation de l'amplitude du signal oscillatoire fourni par l'oscillateur ( 10). 6 Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence du signal oscillatoire fourni par l'oscillateur ( 10) est comprise entre envi- ron 10 k Hz et 50 k Hz. 7 Détecteur selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce qu'il est associé à des moyens de concentration de flux magné- tique disposés au voisinage du capteur constitué par le transistor unijonction.