Brevet FR2662873A1 — publié le 19911206

COMPOSANT ET CAPTEUR A EFFET HALL A DETECTION DIFFERENTIELLE La présente invention concerne Le domaine technique des capteurs à effet Hall et e L Le vise, plus particu Lièrement, Les composants comportant au moins deux ce L Lu Les ou sondes à effet Hall permettant de mettre en oeuvre des méthodes de mesure différentielle. Il est connu, dans l'art antérieur, un composant comportant deux cellules ou sondes à effet Hall et constituées chacune, à cet effet, par un barreau réalisé, par exemple, en silicium, en arseniure de gallium ou en antimoniure d'indium et dans lequel est injecté un courant électrique Les barreaux sont soumis à un champ d'induction magnétique créé, généralement, par un aimant, de sorte qu'il apparait, aux bornes de chaque barreau, une tension électrique dite de "Hall". Ce type de capteur, formé de l'association d'un aimant avec un tel composant, permet de déceler une variation de l'induction magnétique apparaissant, en particulier, lorsqu'un éLément, muni d'organes perturbateurs du champ, défile devant les sondes Cet élément mobile peut être constitué, par exemple, par une roue dentée Un tel capteur permet donc de contrôler des positions et des déplacements et trouve un grand nombre d'applications, en particulier dans le domaine automobile o ce capteur peut être utilisé, par exemple, dans le cadre des fonctions d'allumage ou de freinage-antiblocage. Le développement des technologies des circuits intégrés a permis de réaliser des composants sous la forme d'un circuit intégré comportant les deux sondes espacées de quelques millimètres, ainsi que des étages électroniques de traitement associés aux sondes Tel que cela apparaît à la fig 1, les sondes à effet Ha LL 1, 2 sont reliées à un amplificateur différentiel 3 dont la sortie attaque un comparateur 4 de niveau à hystérésis, tel qu'un trigger de Schmitt bien connu en soi Les sondes 1, 2, l'amplificateur 3 et le comparateur 4 sont alimentés par une tension électrique qui se trouve régulée par un moyen adapté 5. Le comparateur 4 délivre, par l'intermédiaire d'un étage de sortie 6, un signal V représentatif de la différence d'induction, détectée, respectivement, par les sondes 2 et 1, à savoir B = B 2 B 1 Tel que cela ressort clairement de la fig 2, le signal de sortie V est à un état logique déterminé, par exemple haut, lorsque la différence d'induction B, entre les deux sondes 1, 2, est supérieure à la valeur d'un seuil haut de commutation BH Le comparateur 4 délivre un signal de sortie à un état logique complémentaire, bas dans l'exemple illustré, lorsque la différence d'induction B est inférieure à un seuil bas de commutation BB Le fonctionnement d'un tel capteur présente donc un cycle d'hystérésis permettant d'obtenir des transitions franches de la tension de sortie V pour des valeurs normales de l'induction (BH et BB), selon qu'elle varie, respectivement, en croissant ou en décroissant. De tels composants présentent un inconvénient majeur qui est celui de leur dispersion de fabrication relativement élevée apparaissant sur la détermination du cycle d'hystérésis, à savoir les seuils de commutation BH et BB En effet, tel que cela ressort clairement de la fig 2, la valeur du seuil haut de commutation BH peut être compris entre des valeurs B Hmax et B Hmin tandis que le seuil bas de commutation BB peut prendre une valeur comprise dans l'intervalle B Bmax et B Bmin. Bmax Bmirf Les dispersions de fabrication de ces composants font que les sorties des différents capteurs fabriqués ne se trouvent pas dans un état logique déterminé et reproductible en présence et en l'absence des organes perturbateurs à détecter De tels composants ne peuvent donc pas être utilisés directement pour une fabrication en série de capteurs comprenant un aimant assemblé, par exemple, par collage avec le composant, sans entraîner une augmentation du coût d'un tel capteur, engendrée par des opérations spécifiques pour assurer le montage de chaque capteur. Par ailleurs, un autre inconvénient de ce type de capteurs provient du fait que leur fonctionnement dépend de la régularité de l'induction apparaissant à la surface de l'aimant associé à chaque capteur, ce qui, en pratique, est difficile à i obteni r. La présente invention vise donc à résoudre Les inconvénients énoncés cidessus en proposant un composant à effet Ha LL à détection différentie L Le conçu pour compenser Les dispersions de fabrication apparaissant sur Les seui Ls de commutation déterminant Le cyc Le d'hystérésis du fonctionnement du comparateur de niveau, associé à un te L composant. L'invention vise, également, à offrir un capteur à effet Ha Ll à détection différentie L Le, adapté pour présenter, en surface de L'aimant, une induction magnétique quasi, voire uniforme. L'invention vise aussi à proposer un capteur à effet Hal L à détection différentie L Le, conçu pour conserver Les propriétés de détection des capteurs à Large entrefer. Pour atteindre Les buts énoncés ci-dessus, Le composant à effet Ha LL à détection différentie L Le comporte un premier et un second groupes de sondes à effet Ha LL, espacés L'un de L'autre, soumis à un champ d'induction créé, notamment, par au moins un aimant et p Lacés en re Lation de distance d'un éLément mobi Le muni d'organes perturbateurs du champ, de manière que Les groupes associés en mode différentiel délivrent un signa L, représentatif de La différence d'induction détectée qui est appliquée à un comparateur de niveau à hystérésis apte à déLivrer, d'une part, un signa L à un état Logique déterminé pour une différence d'induction détectée supérieure à un seui L haut de commutation et, d'autre part, un signa L à un état Logique complémentaire pour une différence d'induction détectée inférieure à un seuil bas de commutation Se Lon L'invention, Le composant comporte, en tant que composant appartenant à une c Lasse de composants présentant des cyc Les d'hystérésis de caractéristiques voisines, des moyens aptes à soumettre Les groupes de sonde, en L'absence d'organes perturbateurs situés en re Lation des sondes, à un champ d'induction déterminée de manière qu'apparaisse une différence d'induction dite à vide entre Les groupes, qui soit au moins supérieure à La va Leur du seui L haut de commutation ou soit au moins inférieure à La va Leur du seui L bas de commutation ou soit comprise entre les seuils de commutation pour obtenir, en sortie du comparateur de niveau à hystérésis, un signal à un état logique déterminé, quelles que soient les dispersions de la différence d'induction comprises entre la valeur minimale du seuil bas et la valeur maximale du seuil haut. Selon une caractéristique avantageuse, les moyens d'application aux groupes, d'une différence d'induction à vide, sont formés par un ensemble polaire délimitant et/ou formant, d'une part, une première zone placée en relation du premier groupe et présentant une perméabilité magnétique déterminée et, d'autre part, une seconde zone contiguë à la première et placée en relation du second groupe et présentant une perméabilité magnétique donnée différente de celle de la première zone, de manière à obtenir la différence d'induction à vide entre les deux groupes de sonde. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexes qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig 1 est un schéma bloc fonctionnel connu d'un capteur à effet Hall à détection différentielle. La fig 2 est une courbe montrant le signal de sortie d'un capteur à effet Hall en fonction de la différence d'induction détectée. La fig 3 est une vue schématique d'un exemple de réalisation du capteur à effet Hal L selon l'invention. La fig 4 est une vue de dessus du capteur illustré à la fig 3. La fig 5 est une vue en élévation d'une autre variante de réalisation du capteur selon l'invention. Les fig 6, 6 A, 6 B sont des vues en élévation d'une autre variante de réalisation du capteur se Lon l'invention, explicitant le fonctionnement de l'invention. La fig 7 est une vue de dessus du capteur illustré à la fig 6. La fig 8 est une vue en élévation illustrant un autre exemple de réalisation de l'objet de l'invention. La fig 9 est une vue en élévation montrant une autre variante de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de réalisation illustré aux fig 3 et 4, un capteur C à effet Hall est constitué, d'une part, par un composant I, tel qu'un circuit intégré présentant une forme, par exemple, para LLéLépipédique et, d'autre part, par un aimant II Le composant I comporte un premier 1 et un second 2 groupes de cellules ou de sondes à effet Hall, séparés l'un de l'autre d'une distance de quelques millimètres Chaque groupe 1, 2 comporte, en fonction de l'application visée, un nombre déterminé de sondes à effet Hall (au moins égal à deux) permettant de compenser les dérives en température Chaque sonde est réalisée dans le circuit intégré, de préférence, en silicium ou en arséniure de gallium. Les sondes sont soumises à un champ d'induction magnétique créé, par exemple, à l'aide d'au moins un aimant II, par exemple cylindrique de section circulaire et constitué, dans l'exemple illustré, par un pôLe nord N présentant un axe de symétrie T. Le circuit intégré comporte, également, les étages électroniques de traitement 3 à 6, comme illustré à la fig 1 et dont les fonctions ont été décrites ci-dessus Le circuit intégré est équipé de deux connexions a, b d'alimentation électrique, ainsi que d'une connexion c de sortie de la tension V déLivrée par le composant I et dont la loi de variation est montrée à la fig 2. Cette tension V est donc représentative de la variation de la différence d'induction B = B 2 B 1 détectée, respectivement, par les groupes 2 et 1 et apparaissant lorsqu'un éLément 7, muni d'organes 8 perturbateurs de champ, défile devant le capteur C. Selon l'invention, le capteur C comporte des moyens aptes à soumettre ou à appliquer aux groupes 1, 2 de sonde, en l'absence des organes perturbateurs 8 situés en relation des sondes, un champ d'induction de manière qu'une différence d'induction dite à vide B apparaisse entre les groupes de sonde 1, 2 Cette différence d'induction à vide est choisie, pour une classe ou une famille de composants présentant des cycles d'hystérésis de caractéristiques voisines au niveau de leur positionnement, de manière à être soit au moins supérieure à la valeur du seuil haut de commutation BH, soit au moins inférieure au seuil bas de commutation BB ou soit comprise entre les seuils haut BH et bas BB du cycle d'hystérésis des composants de la classe L'application de cette différence d'induction à vide B O aux groupes de sonde 1 et 2 permet de placer la sortie du comparateur 4 dans un état logique déterminé, en s'affranchissant des dispersions de fabrication intervenant sur la détermination des seuils de commutation BB et BH qui peuvent être compris, respectivement, entre B Bmax et B Bmin et entre B Hmax et B Hmin' Il est à noter que, dans le cas o la valeur d'induction B est choisie pour être comprise entre les valeurs BB et BH, il est possible d'obtenir, selon le sens de rotation de l'élément porteur des organes perturbateurs de champ, des signaux de niveaux complémentaires permettant de détecter le sens de rotation de cet élément. Selon un premier mode de réalisation, les moyens de création d'une différence d'induction à vide sont constitués par un ensemble polaire délimitant une première zone 12 placée en relation du premier groupe 1 de sonde et présentant une perméabilité magnétique déterminée L'ensemble polaire délimite, également, une seconde zone 13 contiguë à la première zone 12, placée en relation du second groupe 2 de sonde et présentant une perméabilité magnétique donnée différente de celle de la première zone, de manière à obtenir la différence d'induction à vide B O entre les deux groupes de sonde 1 et 2. Selon l'exemple de réalisation illustré aux fig 3 et 4, l'ensemble polaire est constitué par une pièce polaire 15, réalisée, de préférence, en un matériau ferro ou ferrimagnétique, interposée entre le circuit intégré I et l'aimant II et assemblée par tous moyens convenables au circuit intégré et à l'aimant, par exemple par collage ou par assemblage mécanique La pièce polaire 15, qui possède une perméabilité uniforme, présente un profil dissymétrique Ainsi, la pièce polaire 15 comporte une base 15 a présentant, de préférence, en plan des dimensions sensiblement supérieures à la base du circuit intégré, de manière à déborder sur chacun des côtés verticaux I 1 du circuit, tel que cela apparaît clairement à la fig 4 La pièce polaire 15 comporte aussi une partie saillante 12 a s'éLevant à partir de la base 15 a et correspondant, par exemple, à la première zone 12 placée en relation ou à l'aplomb du premier groupe de sonde 1 La pièce polaire 15 est aménagée pour présenter un dégagement 13 a formant la seconde zone 13 et placé en relation ou à l'aplomb du second groupe 2 de sonde Le dégagement 13 a forme donc une discontinuité magnétique dans la pièce polaire 15, d'une épaisseur e déterminée, de manière à favoriser le passage du champ d'induction à travers, dans l'exemple illustré, le groupe de sonde 1, pour obtenir la différence d'induction à vide B souhaitée. o Il apparait donc possible, à partir de lots de composants triés par famille ou par classe, d'ajuster cette discontinuité et, notamment, l'épaisseur de ce dégagement, de manière que la valeur d'induction, séparant l'induction à vide B o et le cycle d'hystérésis du composant considéré, soit sensiblement identique d'un composant à l'autre. La fig 5 illustre une autre variante de réalisation de l'objet de l'invention dans laquelle l'ensemble polaire est placé entre le composant I et l'éLément mobile 7 Selon cette variante, l'ensemble polaire est constitué par une pièce 12 b rapportée sur le circuit intégré, en relation, par exemple, du groupe de sonde 1, pour constituer la première zone 12 La pièce 12 b déLimite un espace libre adjacent 13 b pour former la seconde zone 13 de l'ensemble polaire. Bien entendu, il pourrait être prévu de réaliser l'ensemble polaire décrit selon les variantes illustrées aux fig 3 à 5, directement à l'intérieur du capteur De plus, il peut être envisagé de placer, entre l'éLément mobile 7 et le capteur I, l'ensemble polaire, tel que décrit aux fig 3 et 4. Toutefois, le positionnement de l'ensemble polaire, entre Le capteur I et L'élément mobile 7, ne doit pas empêcher une détection du passage des organes perturbateurs de champ, ce qui est susceptible d'apparaître si l'entrefer, correspondant à La mesure séparant Le circuit des organes perturbateurs, devient trop élevé. Les fig 6 et 7 illustrent une variante de réalisation de L'objet de L'invention permettant de conserver les propriétés de détection à large entrefer Selon l'exemple illustré, la pièce polaire 15 décrite ci-dessus est pourvue de deux branches 16, 17 s'élevant à partir de la base 15 a et enserrant deux côtés opposés I 1 du capteur, chacune sur une hauteur déterminée ha, hb prise entre la face supérieure de l'aimant II et l'extrémité libre des branches Avantageusement, les branches 16, 17 s'élèvent en relation des côtés opposés I 1 du capteur qui sont perpendiculaires à l'axe passant par les groupes de sonde 1 et 2 Cette pièce polaire, qui présente donc une forme générale en "U" permet d'homogénéiser, en l'absence du dégagement 13 a, l'induction dans la partie centrale du circuit o sont placés les groupes sonde. Cette homogénéisation est rendue d'autant plus nécessaire que l'induction apparaissant en surface de l'aimant n'est pas régulière La hauteur ha, hb des branches est déterminée de manière à assurer une homogénéisation maximale de l'induction, tout en ne réduisant pas la sensibilité du capteur par l'augmentation de l'entrefer Avantageusement, il peut être prévu de mettre en oeuvre des branches de hauteurs différentes, de manière à favoriser le passage de l'induction dans l'une des branches par rapport à l'autre Cette disposition contribue aussi, de la même façon que le dégagement 13 a, à la création d'une différence d'induction Une possibilité de réglage de l'induction à vide est donc offerte par le choix des hauteurs différentes pour les branches 16, 17. Dans l'exemple illustré sur les fig 6, 6 A et 6 B, la pièce polaire 15 favorise la propagation du champ à travers Le groupe de sonde 1, de sorte que la différence d'induction B = B 2 B B 1 est négative La pièce 15 est prévue pour atteindre la condition du champ d'induction à vide B 0, c'està-dire, dans Le cas i L Lustré, B négatif, inférieure au cyc Le d'hystérésis La sortie du capteur est donc à L'état bas (fig 2) Si un organe perturbateur 8 se positionne en re Lation de proximité du groupe de sonde 2, Les Lignes de champ d'induction sont concentrées dans La branche 17 et, en particulier, dans Le groupe de sonde 2 qui se trouve positionné à proximité de La branche 17 (fig 6 A) Dans ces conditions, La différence de champ obtenue B peut être supérieure à La va Leur du seui L haut BH' La sortie du capteur est à L'état Logique haut Lorsque L'organe perturbateur 8 du champ d'induction arrive en re Lation de proximité du groupe de sonde 1, Les Lignes de champ se concentrent au niveau de La branche 16 et donc du groupe de sonde 2 (fig 6 B) La différence d'induction B obtenue peut donc être inférieure à La va Leur du seui L de commutation bas B Br de sorte que La sortie du capteur passe à L'état Logique bas. La fig 8 i L Lustre une autre variante de réalisation dans Laque L Le L'ensemb Le po Laire est formé de deux pièces distinctes 20, 21 contiguës, constituant chacune une zone 12, 13 à perméabilité déterminée Bien entendu, ces pièces peuvent être pourvues ou non des branches po Laires 16, 17, te L Les que décrites ci-dessus. Dans Les différents exemp Les de réalisation, i L Lustrés ci-dessus, i L doit être considéré que L'axe de symétrie T de L'aimant passe par Le mi Lieu de L'interva L Le séparant Les deux groupes de sonde Bien entendu, i L pourrait être envisagé un second mode de réalisation prévoyant de décentrer L'aimant II par rapport au circuit I, de manière à obtenir, en combinaison avec L'ensemb Le po Laire, La différence d'induction à vide B Dans Le même sens, i L pourrait être prévu de décentrer uniquement Le circuit I par rapport à L'aimant Il ne créant pas une induction symétrique, de manière à obtenir L'induction à vide B (fig 9). L'invention n'est pas Limitée aux exemp Les décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 Composant à effet Hall à détection différentielle, du type comportant un premier ( 1) et un second ( 2) groupes de sondes à effet Hall, espacés l'un de l'autre, soumis à un champ OS d'induction créé, notamment, par au moins un aimant (II) et placés en relation de distance d'un élément mobile ( 7) muni d'organes perturbateurs ( 8) du champ, de manière que les groupes associés en mode différentiel délivrent un signal (V), représentatif de la différence d'induction (B) détectée qui est appliquée à un comparateur de niveau à hystérésis ( 4) apte à délivrer, d'une part, un signal à un état logique déterminé pour une différence d'induction détectée supérieure à un seuil haut de commutation (BH) et, d'autre part, un signal à un état logique complémentaire pour une différence d'induction détectée inférieure à un seuil bas de commutation (BB), caractérisé en ce qu'il comporte, en tant que composant appartenant à une classe de composants présentant des cycles d'hystérésis de caractéristiques voisines, des moyens aptes à soumettre les groupes de sonde, en l'absence d'organes perturbateurs ( 8) situés en relation des sondes, à un champ d'induction déterminée, de manière qu'apparaisse une différence d'induction dite à vide (Bo) entre les groupes ( 1 et 2), qui soit au moins supérieure à la valeur du seuil haut de commutation (BH) ou soit au moins inférieure à la valeur du seuil bas de commutation (BB) ou soit comprise entre les seuils de commutation (BH et BB) pour obtenir, en sortie du comparateur ( 4) de niveau à hystérésis, un signal à un état logique déterminé, quelles que soient les dispersions de la différence d'induction comprises entre la valeur minimale du seuil bas (B Bmin) et la valeur maximale du seuil haut (B Hmax). 2 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'application aux groupes d'une différence d'induction à vide sont constitués par un ensemble polaire délimitant et/ou formant, d'une part, une première zone ( 12) placée en relation du premier groupe ( 1) et présentant une perméabilité magnétique déterminée et, d'autre part, une seconde zone ( 13), contiguë à la première et placée en relation du second groupe ( 2) et présentant une perméabilité magnétique donnée différente de celle de la première zone, de manière à obtenir la différence d'induction à vide (Bo) entre les deux groupes de sonde. 3 Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble polaire est rapporté sur le composant. 4 Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un ensemble polaire fait partie intégrante du composant. 5 Composant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ensemble polaire est positionné entre l'aimant (II) et les groupes de sondes ( 1, 2). 6 Composant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ensemble polaire est rapporté entre l'élément mobile ( 8) et les groupes de sondes ( 1, 2). 7 Composant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ensemble polaire est formé de deux pièces ( 20, 21) contiguës, constituant chacune une zone ( 12, 13) à perméabilité déterminée. 8 Composant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ensemble polaire est formé par une pièce ( 15) disymétrique comportant une base ( 15 a) à partir de laquelle s'éLève une partie saillante ( 12 a) formant la première zone ( 12) et comporte un dégagement adjacent ( 13 a) constituant la seconde zone ( 13). 9 Composant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ensemble polaire est formé par une pièce polaire ( 12 b) constituant la première zone ( 12) et délimitant un espace libre ( 13 a) adjacent correspondant à la seconde zone ( 13). 10 Composant selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la pièce polaire est prolongée par des branches ( 16, 17) s'étendant, au moins partiellement, en relation de deux côtés opposés du circuit intégré pour assurer l'obtention d'un champ d'induction uniforme au niveau des deux groupes de sondes ( 1, 2), en l'absence du dégagement ( 13 a) et lorsque l'aimant ne crée pas une induction symétrique. 11 Composant se Lon La revendication 10, caractérisé en ce que chaque branche ( 16, 17) possède une hauteur (ha, hb) déterminée différente L'une par rapport à L'autre. 12 Composant se Lon la revendication 1, caractérisé en ce que Les moyens d'application d'une différence d'induction à vide sont réa Lisés par Le décentrage des groupes de sonde ( 1, 2) par rapport à L'axe de symétrie de L'aimant, Lorsque ce dernier ne crée pas une induction symétrique. 13 Composant se Lon Les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que Les moyens d'application d'une différence d'induction à vide sont réa Lisés par Le décentrage des groupes de sonde ( 1, 2) par rapport à L'axe de symétrie de L'aimant et par un ensemb Le po Laire délimitant et/ou formant deux zones ( 12, 13) à perméabilités magnétiques différentes. 14 Composant se Lon La revendication 2, caractérisé en ce que L'ensemb Le po Laire est réa Lisé en un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique. Capteur à effet Ha LL, caractérisé en ce qu'i L comporte un aimant (Il) assemb Lé à un composant conforme à L'une des revendications 1 à 14.