Brevet FR2707114A1 — publié le 19950106

MAGNETOMETRE A COMPENSATION DU CHAMP MAGNETIQUE AMBIANT L'invention concerne un magnétomètre à compensation du champ magnétique ambiant et plus particulièrement un système de mesure de champ magnétique ultrasensible permettant la détection d'objets magnétiques produisant un champ très faible ( Actuellement, du fait de l'amélioration des matériaux, les capteurs ont une sensibilité théorique suffisante, meilleure que 10-6 Gauss. Toutefois, la détection du passage d'objets magnétiques se fait avec le champ magnétique terrestre ou un champ magnétique ambiant important comme champ statique résiduel. Le système de mesure doit donc avoir une dynamique de six ordres de grandeur. Cela nécessite une alimentation électrique stable à mieux que 10-6 ce qui n'est pas aisément réalisé. Une seconde approche consiste à éliminer le champ statique en utilisant un gradiomètre. Cette méthode est toutefois d'un intérêt limité quand l'objet à détecter est grand par rapport au détecteur. La présente invention propose de compenser mécaniquement la plus grande part du champ magnétique terrestre en ne mesurant que la variation avec le temps de la composante perpendiculaire au champ terrestre. Le principe est le suivant: à l'aide d'une boussole, le capteur de champ est aligné perpendiculairement au champ statique. Si l'alignement est meilleur que 0.1 degré, la projection de la composante statique est réduite d'un facteur 600, ce qui réduit notablement les problèmes électroniques de mesure du signal. L'intérêt de la présente invention est basé sur le fait que la probabilité pour qu'un signal magnétique n'ait pas de composante perpendiculaire au champ terrestre est très faible. I1 suffit donc de mesurer la composante perpendiculaire pour laquelle le champ résiduel est faible. L'avantage apporté par la présente invention apparaît clairement sur l'exemple de réalisation concernant les capteurs à effet magnétorésistif, à savoir les capteurs utilisant la variation de résistivité du matériau formant le capteur en fonction de la variation d'un champ magnétique. Des capteurs utilisant l'effet magnétorésistif sont mis en oeuvre dans divers systèmes de lecture d'enregistrement magnétique. Ces capteurs sont réalisés en un alliage ferromagnétique à forte magnétorésistance. Dans ce cas, on détecte les variations de la résistance électrique du capteur lors du passage de la bande. Les alliages à forte magnétorésistance actuellement utilisés sont en général des alliages ferromagnétiques à base de nickel, tels que les alliages de type NiFe ou NiCo, pour lesquels la magnétorésistance à température ambiante correspond à une variation de résistance de quelques pour cent. Dans des capteurs plus récents, l'élément sensible du capteur est constitué par une multicouche métallique magnétique monocristailine, formée d'un empilement de couches d'un matériau magnétique, séparées par des couches d'un matériau nonmagnétique, la multicouche étant réalisée de telle sorte que les couches en matériau magnétique présentent un couplage de type anti-ferromagnétique et que la transition entre l'état d'arrangement anti-parallèle et l'état d'arrangement parallèle se réalise sur un intervalle de champ magnétique faible. L'invention concerne donc un magnétomètre à compensation du champ magnétique ambiant caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de mesure magnétique orientable, un dispositif de détection de la direction du champ magnétique ambiant et commandant l'orientation de la cellule de mesure selon une direction déterminée par rapport à la direction du champ magnétique ambiant. La cellule de mesure peut comporter un magnétomètre caractérisé en ce que la cellule de mesure comporte un élément magnétorésistif équipé d'un dispositif de mesure de sa résistance, cet élément magnétorésistif étant compris dans un dispositif de concentration de champ magnétique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la et lb, un exemple de réalisation simplifié d'un magnétomètre selon l'invention; - la figure 2, un exemple de réalisation de la partie de mesure du magnétomètre de la figure 1; - les figures 3a et 3b, des courbes de fonctionnement; - les figures 3c et 3d, des exemples de magnétomêtres prévoyant des champs magnétiques de compensation; - la figure 4, une variante de réalisation de la partie de mesure; - la figure 5, une autre variante de réalisation de la partie de mesure. Les figures la, lb présentent le coeur du capteur formé par une ligne magnétorésistive 1 située dans un matériau magnétique doux 3 dont la forme a été étudiée pour concentrer les lignes de champ sur la partie sensible, c'est-à-dire la ligne magnétorésistive. Le matériau concentrateur du flux et le matériau magnétorésistif sont séparés électriquement par une couche isolante 2. Dans l'exemple des figures la, lb, le champ au niveau de la partie sensible est égal au champ extérieur multiplié par un facteur géométrie de tordre de (D*e3)/(d*el). Dans son fonctionnement opérationnel, le capteur est orienté par l'intermédiaire d'un appareil détectant le champ magnétique terrestre (boussole) ou champ magnétique ambiant. Cette orientation est faite de manière que le capteur n'est sensible qu'à la composante perpendiculaire au champ statique 4 (ou champ magnétique terrestre). Une fois le capteur positionné, les variations de résistivité donnent accès directement à la variation du champ magnétique perpendiculairement au champ ambiant. Par un système de fit-back mécanique (figure 2) le système est régulièrement réaligné avec le champ magnétique total afin de rester dans la zone de sensibilité du matériau magnétorésistif. Le matériau concentrateur peut avoir sensiblement la forme de deux cornets en matériau massif magnétique réunis par une partie rétrécie, l'élément magnétorésistif 1 étant inséré dans la partie rétrécie en étant isolé électriquement de cette partie rétrécie. Les cornets peuvent posséder une partie plane parallèle à la direction de mesure de l'élément magnétorésistif. Ils peuvent être fixés sur un substrat (non magnétique) par leur partie plane. Selon le système de la figure 2, le capteur CA de l'invention tel que décrit précédemment est monté sur une platine orientable 10 dont l'orientation est commandée par un dispositif de commande 11 et par des circuits 12, 13 asservis à la détection de la direction du champ magnétique terrestre. A titre d'exemple, cette détection est faite par une boussole 14 placée sur la plane orientable 10. L'orientation de la platine 10 peut se faire par rotation dans un plan ou se faire dans les trois dimensions. Le dispositif de détection peut commander l'orientation de la cellule de mesure de façon à ce qu'elle mesure un champ magnétique perpendiculaire à la direction du champ magnétique terrestre. Certains matériaux résistifs sont auto-compensés, en ce sens qu'ils sont sensibles à des faibles champs magnétiques au voisinage du champ nul comme cela est illustré par la courbe de la figure 3a. La présente invention leur est directement applicable. Pour d'autres matériaux, la sensibilité en champ faible nécessite un offset (voir figure 3b). La présente invention est aussi applicable dans ce cas, en injectant de part et d'autre du concentrateur de flux un champ magnétique par l'intermédiaire d'un bobinage intégré 7 qui peut être un enroulement plat réalisé sur le substrat (figure 3c) ou d'une bobine non intégrée (figure 3d) sur le substrat. Le champ magnétique supplémentaire 7, 8 peut être sensiblement perpendiculaire à la direction du champ magnétique terrestre. On peut aussi réaliser cet offset en éloignant le détecteur de la position perpendiculaire au champ terrestre. C'est alors la projection du champ terrestre sur le plan du capteur qui sert d'offset. Dans les deux cas la sensibilité est réduite par rapport au détecteur auto-compensé. Cependant, l'utilisation du concentrateur de flux limite cette réduction. Par exemple si le champ d'offset est de 1 Oe et que le concentrateur augmente le champ d'un facteur 100, une sensibilité de 106 Oe nécessite une stabilité électronique de l'ordre de 104 ce qui est tout à fait standard. Pour tous les types de matériaux magnétorésistifs, qu'ils soient ou non compensés, la présence d'une bobine permettant de générer un champ magnétique calibré sur la partie active du capteur sera utile. Elle permet d'une part de travailler à point de fonctionnement constant ce qui permet d'utiliser des méthodes de zéro, et d'autre part d'envoyer régulièrement des pulses de champ déterminé, ce qui permet une calibration instantanée de la sensibilité du capteur. On pourra par exemple le calibrer après le passage d'un objet détecté par le capteur, on s'affranchit alors des dérives de la pente de la magnétorésistance avec le champ magnétique. La présente invention est bien sûr applicable pour des capteurs avec éléments magnétorésistifs de forme linéaire ou de formes plus complexes qu'une simple ligne. La figure 4 montre un exemple où la ligne sensible forme un serpentin pour accroître la longueur soumise au champ magnétique. Elle comporte par exemple plusieurs éléments de forme linéaire disposés côte à côte et connectés en série. La figure 5 montre un système standard de compensation, dans lequel la partie soumise au champ constitue une des branches d'un pont afin d'éliminer les dérives thermiques. REVENDICATIONS 1. Magnétomètre à compensation du champ magnétique ambiant caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de mesure magnétique orientable, un dispositif de détection de la direction du champ magnétique ambiant et commandant l'orientation de la cellule de mesure selon une direction déterminée par rapport à la direction du champ magnétique ambiant. 2. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule de mesure comporte un élément magnétorésistif (1) équipé d'un dispositif de mesure de sa résistance, cet élément magnétorésistif étant compris dans un dispositif de concentration de champ magnétique (3). 3. Magnétomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de concentration de champ magnétique a sensiblement la forme de deux cornets en matériau massif magnétique réunis par une partie rétrécie, I'élément magnétorésistif (1) étant inséré dans la partie rétrécie en étant isolé électriquement de cette partie rétrécie. 4. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de détection commande l'orientation de la cellule de mesure de façon à ce qu'elle mesure un champ magnétique sensiblement perpendiculaire à la direction du champ magnétique terrestre. 5. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour induire un champ magnétique supplémentaire (7, 8) sensiblement perpendiculaire à la direction du champ magnétique terrestre. 6. Magnétomètre selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens d'induction du champ magnétique supplémentaire (7, 8) sont situés à proximité de la partie la plus large d'un cornet. 7. Magnétomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que: - les cornets possèdent une partie plane parallèle à la direction de mesure de l'élément magnétorésistif; - les cornets sont fixés sur un substrat (non magnétique) par leur partie plane; - et les moyens d'induction de champ magnétique supplémentaire sont fixés sur le substrat. 8. Magnétomètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'induction de champ magnétique supplémentaire comportent au moins un enroulement plat réalisé sur le substrat (7). 9. Magnétomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétorésistif comporte une multicouche métallique magnétique. 10. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - une platine orientable (10) sur laquelle est fixée la cellule de mesure (CA); - un dispositif de commande (11) d'orientation de la platine (10); - un dispositif de détection (14) de la direction d'un champ magnétique statique; - des circuits de commande (12, 13) recevant une indication de direction du dispositif de détection et fournissant en échange une information de commande d'orientation au dispositif de commande (11). 11. Magnétomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétorésistif comporte au moins un élément de forme linéaire. 12. Magnétomètre selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments de forme linéaire disposés côte à côte et connectés en séne. 13. Magnétomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétorésistif est inséré dans une branche d'un pont de résistances.