Brevet FR2725029A1 — publié le 19960329

CAPTEUR DE COURANT À MAGNÉTORÉSISTANCE La présente invention concerne un capteur de courant. Elle s'applique plus particulièrement à la réalisation d'un microcapteur de courant dans lequel la mesure du courant qui circule dans un conducteur primaire est sans influence sur ce courant. Classiquement, on utilise un système à bobinages pour effectuer la mesure du courant circulant dans un conducteur. Le courant à mesurer circule dans un enroulement primaire qui est associé à un enroulement secondaire traversé par un courant qui est mesuré. Le dispositif de mesure proprement dit est ainsi électriquement isolé du circuit primaire. Lorsqu'un courant circule dans l'enroulement pri- maire, ce courant créé un champ magnétique qui induit dans l'enroulement secondaire un courant proportionnel à la valeur du courant à mesurer (le rapport de proportionnalité dépend du rapport entre le nombre des spires que comportent les deux enroulements) Un inconvénient d'un tel capteur à bobinages est qu'il présente un encombrement important par la présence des enroulements. On connaît également des éléments dits magnéto- résistifs dont une caractéristique est de présenter une résistivité qui varie en présence d'un champ magnétique et qui sont classiquement utilisés pour mesurer un champ magnétique. La figure 1 représente une magnétorésistance dite de type HUNT. Une telle magnétorésistance est constituée d'un bar- reau magnétorésistif 1 réalisé dans un matériau ferromagnétique et taillé parallèlement à l'axe facile d'aimantation du maté- riau (axe X-X' suivant lequel l'agitation électronique s'oriente naturellement). Les deux extrémités du barreau 1 sont reliées à un conducteur secondaire 2 tandis qu'un champ magné- tique B est appliqué dans le plan du barreau 1 et perpendicu- lairement à l'axe X-X' du barreau. Ce champ magnétique B induit une variation de la résistivité entre les extrémités du barreau 1. Si le conducteur secondaire est alimenté par un générateur de courant, cette variation de résistivité se traduit par une variation du courant Is qui circule dans le conducteur secon- daire 2. Cette variation de résistivité est une fonction simple de la valeur du champ magnétique B appliqué. On retrouve l'emploi de magnétorésitances par exemple pour la détection de champ magnétique très faible, ou dans des applications liées aux têtes de lectures magnétiques d'un dis- que dur ou aux billetteries magnétiques. La présente invention a pour objet de proposer un capteur de courant qui soit de faible volume et isolé électri- quement du circuit du courant à mesurer. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit un capteur de courant circulant dans un conducteur pri- maire déposé sur une première face d'un substrat isolant, qui comporte une magnétorésistance constituée d'un dépôt ferro- magnétique en couche mince parallèle à un tronçon du conducteur primaire et distant d'une valeur donnée de ce tronçon. La magnétorésistance est raccordée par ses deux extrémités à un voltmètre. Selon un mode de réalisation de l'invention, le cap- teur comporte un conducteur secondaire constitué d'une piste conductrice parallèle à la magnétorésistance par au moins un tronçon distant d'une valeur donnée de la magnétorésistance. La magnétorésistance est intercalée entre lesdits tronçons des conducteurs respectivement primaire et secondaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit conducteur secondaire est raccordé par ses deux extrémités aux bornes d'un générateur de courant de compensation. Selon un mode de réalisation de l'invention, le cap- teur comporte en outre un conducteur de polarisation, intercalé entre la magnétorésistance et ledit tronçon du conducteur pri- maire. Ledit conducteur de polarisation est parallèle à la magnétorésistance par un tronçon d'une longueur au moins égale à celle de la magnétorésistance et est raccordé par ses deux extrémités aux bornes d'une source de polarisation. Selon un mode de réalisation d'un premier aspect de l'invention, les conducteurs primaire, secondaire et de polari- sation ainsi que la magnétorésistance sont déposés sur une même face du substrat isolant en étant écartés les uns des autres de distances déterminées. Selon un mode de réalisation d'un deuxième aspect de l'invention, les conducteurs primaire, secondaire et de polari- sation ainsi que la magnétorésistance sont empilés avec inter- position de couches de substrat isolant d'épaisseurs déterminées. Selon un mode de réalisation de l'invention, la magnétorésistance est constitué d'un dépôt en couche mince de fer/nickel. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures join- tes parmi lesquelles: la figure 1 décrite précédemment est destinée à expo- ser l'état de la technique et le problème posé; la figure 2 représente un mode de réalisation d'un capteur de courant selon un premier aspect de l'invention; la figure 3 représente la caractéristique de la résistance de l'élément magnétorésistif du capteur de courant représenté à la figure 2; et la figure 4 représente un mode de réalisation d'un capteur de courant selon un deuxième aspect de l'invention. Pour des raisons de clarté, les figures ne sont pas à l'échelle et les mêmes éléments ont été désignés, aux différen- tes figures, par les mêmes références. Un capteur de courant selon un premier aspect de l'invention tel que représenté à la figure 2 comporte une magnétorésistance 1 réalisée sous la forme d'une couche de matériau ferromagnétique, par exemple de fer/nickel, déposée sur un substrat isolant 3. Cette magnétorésistance 1 est dépo- sée parallèlement à un tronçon 4 d'un conducteur primaire 5 dans lequel circule le courant I à mesurer et est placée à une distance D du tronçon 4. Le conducteur primaire 5 est constitué d'une piste conductrice déposée sur la même face du substrat 3 que la magnétorésistance 1 et comporte deux bornes d'entrées 5A et 5B du capteur. Un conducteur secondaire 2 sous forme d'une piste conductrice est également déposé sur cette même face du subs- trat 3 de l'autre côté de la magnétorésistance 1 par rapport au conducteur primaire 5. Le conducteur secondaire 2 comporte au moins un tronçon 6 qui est parallèle à la magnétorésistance 1, à une distance d de la magnétorésistance 1. Les deux bornes 2A et 2B du conducteur secondaire 2 sont reliées à un générateur de courant (non représenté). Le rôle de ce générateur de courant est de fournir un courant Is qui compense le champ induit par le courant I circulant dans le conducteur primaire 5. Ainsi, lorsque la valeur Is du courant secondaire est telle qu'elle compense le champ induit par le courant I, on peut déduire de la valeur du courant de compensa- tion Is, la valeur du courant I. En effet, le courant I est alors proportionnel au courant Is, le coefficient de proportionnalité étant fonction des distances D et d qui séparent respectivement les conducteurs primaire 5 et secondaire 2 de la magnétorésistance 1. La relation entre le courant I du conducteur primaire 5 et le courant Is du conducteur secondaire 2, lorsque les champs magnétiques induits par les deux conducteurs 5 et 2 se compen- sent, est I = Is*D/d. Pour déterminer la valeur du courant Is pour laquelle le champ induit par le courant I est compensé, c'est-à-dire pour laquelle le champ magnétique dans la magnétorésistance 1 s'annule, chaque extrémité de la magnétorésistance 1 est reliée par une piste conductrice 7 et 8 à deux bornes, respectivement 1A et lB. Ces bornes 1A et lB sont destinées à être reliées aux bornes d'un voltmètre (non représenté). La tension mesurée aux bornes de la magnétorésistance 1 permet de déterminer la valeur du courant Is qu'il faut produire pour compenser le champ induit par le courant I. Ainsi, lorsque la tension indiquée par le voltmètre correspond à la tension au repos aux bornes de la magnétorésistance 1 (c'est-à-dire la tension mesurée en l'ab- sence de courant I et de courant Is), la valeur du courant Is permet de déterminer la valeur du courant I. On pourrait également se dispenser du conducteur secondaire 2 et utiliser directement la tension aux bornes de la magnétorésistance 1 pour déterminer la valeur du courant I. Dans ce cas, on doit préalablement à toute mesure établir une table de correspondance entre la tension aux bornes de la magnétorésistance 1 et l'intensité du courant I. En effet, on ne dispose alors plus d'une relation pouvant être déduite uni- quement des distances D et d, mais d'une relation qui prend en compte notamment, la caractéristique résistance-champ de la magnétorésistance 1. On préférera donc avoir recours à un conducteur secondaire 2 car il permet un asservissement de la mesure et rend cette mesure indépendante à la fois de variations de la caractéristique résistance-champ d'une magcnétorésistance à une autre dans une fabrication en série, et de dérives thermiques de la magnétorésistance. Le choix des distances D et d dépend notamment de la plage de fonctionnement en courant du capteur, et en particu- lier de l'écart entre les valeurs de courant I à mesurer et la plage de fonctionnement du générateur de courant fournissant le courant Is. Pour permettre de réduire la plage de fonctionnement du générateur de courant fournissant le courant Is, on peut avoir recours à un conducteur secondaire 2 constitué d'une piste en forme de colimaçon à tronçons rectilignes. On multi- plie ainsi la valeur du champ de compensation induit par le courant Is par le nombre de tronçons rectilignes et parallèles du conducteur 2 qui sont proches de la magnétorésistance 1. De préférence, un conducteur de polarisation 9 de la magnétorésistance 1 est intercalé entre le tronçon 4 du conduc- teur primaire 5 et la magnétorésistance 1. Ce conducteur de polarisation 9 est constitué d'une piste conductrice déposée sur la même face du substrat 3 que les autres conducteurs et présente un tronçon 10 parallèle à la magnétorésistance 1. Le conducteur 9 est relié à un générateur de polarisation (non représenté) par ses deux bornes d'extrémités 9A et 9B. La fonction de ce conducteur de polarisation 9 est de décaler la caractéristique résistance-champ de la magnéto- résistance 1 pour que la mesure s'effectue dans une portion linéaire de cette caractéristique. Cette fonction est illustrée par la figure 3. Cette figure 3 montre la caractéristique de la résistance d'une magnétorésistance en fonction du champ magnétique, respective- ment en l'absence d'une polarisation de la magnétorésistance 1 (courbe A) et en présence d'un courant de polarisation Ip (courbe B). Comme on peut le constater, l'effet du courant de polarisation Ip est de décaler la caractéristique résistance- champ de la magnétorésistance 1. La valeur Ip du courant de polarisation ainsi que la distance du tronçon 10 du conducteur de polarisation 9 de la magnétorésistance 1 sont choisies pour que la réponse résistive de la magnétorésistance 1 en fonction du champ magnétique soit dans une portion linéaire de sa carac- téristique. Le fait de placer la plage de mesure dans une por- tion linéaire de la caractéristique résistance-champ de la magnétorésistance 1 optimise la précision des mesures et la résolution du capteur, notamment pour des faibles valeurs de courant I à mesurer. En outre, cette portion linéaire étant de forte pente, on se place dans une zone de la caractéristique o la sensibilité est la meilleure, ce qui confère une sensibilité optimale au capteur. La réalisation des différents éléments raccordés aux bornes 1A, lB, 2A, 2B, 9A et 9B de la magnétorésistance 1 et des conducteurs secondaire 2 et de polarisation 9 est fonction de l'application à laquelle est destinée le capteur selon l'in- vention. On pourra, par exemple, avoir recours à un circuit comportant notamment la source de polarisation fournissant le courant Ip, et une source de courant de compensation Is comman- dée en tension, cette tension de commande correspondant à la tension aux bornes 1A et lB de la magnétorésistance 1. La figure 4 est une vue en coupe d'un capteur consti- tuant un autre aspect de l'invention. En effet, l'invention prévoit aussi de réaliser le capteur non plus sur une surface d'un substrat isolant mais dans l'épaisseur d'un substrat. Ainsi, comme le montre la figure 4, le capteur est constitué d'un empilement de couches conductrices dans l'épais- seur du substrat isolant 3. Au moins un tronçon 4 du conducteur primaire est déposé sur une première face du substrat 3, tandis qu'au moins un tronçon 6 du conducteur secondaire est déposé sur la seconde face du substrat 3. Entre les deux, dans l'épaisseur du substrat 3, sont réalisées la magnétorésistance 1 et au moins un tronçon 10 du conducteur de polarisation. En d'autres termes, le capteur est réalisé à partir d'un empile- ment alternant des couches conductrices 4, 10, 1, 6 et des couches isolantes 3. Bien que cela ne soit pas visible sur la représentation en coupe de la figure 4, tous les tronçons 6, 4 et 10 des conducteurs 2, 5 et 9 sont parallèles entre eux et à la magnétorésistance 1, au moins sur une longueur égale à la longueur de la magnétorésistance 1. De même, bien que les bor- nes de raccordement des conducteurs 2, 5 et 9 et de la magnéto- résistance 1 ne soient pas visibles à la figure 4, le fonction- nement du capteur est similaire à celui représenté à la figure 2. Les distances D et d, qui déterminent le rapport entre le courant à mesurer I et le courant secondaire de compensation Is, correspondent désormais à l'épaisseur de substrat isolant 3 qui sépare respectivement le tronçon 4 du conducteur primaire 5 et le tronçon 6 du conducteur secondaire 2 de la magnéto- résistance 1. Le rapport entre les courants primaire et secondaire est donc fixé, dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, par la durée de dépôt des matériaux constitutifs de l'empilement et leur usinage, alors que dans le mode de réali- sation exposé en relation avec la figure 2, ce rapport est fixé par le procédé, généralement photolithographique, de définition des pistes. Les couches isolantes 3 peuvent être constituées d'un même matériau, ou de matériaux différents. On pourra par exem- ple avoir recours à de l'oxyde de silicium, du verre, ou tout autre matériau isolant. Ainsi, le capteur proposé par la présente invention est de constitution simple, et peu encombrant. L'asservissement réalisé au moyen du conducteur secondaire 2 simplifie en plus la fabrication en série de ce capteur. En outre, le capteur selon l'invention présente une bonne résolution qui autorise des mesures précises même pour de faibles courants. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, chacun des éléments constitu- tifs décrits pourra être remplacé par un ou plusieurs éléments remplissant la même fonction. En outre, le dimensionnement des différents conducteurs et de la magnétorésistance est fonction de l'application, et notamment de la plage de fonctionnement en courant souhaitée pour le capteur. REVENDICATIONS 1. Capteur de courant (I) circulant dans un conduc- teur primaire (5) déposé sur une première face d'un substrat isolant (3), caractérisé en ce qu'il comporte une magnéto- résistance (1) constituée d'un dépôt ferromagnétique en couche mince parallèle à un tronçon (4) du conducteur primaire (5) et distant d'une valeur donnée (D) de ce tronçon (4), la magnéto- résistance (1) étant raccordée par ses deux extrémités à un voltmètre. 2. Capteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un conducteur secondaire (2) constitué d'une piste conductrice parallèle à la magnéto- résistance (1) par au moins un tronçon (6) distant d'une valeur donnée (d) de la magnétorésistance (1), la magnétorésistance (1) étant intercalée entre lesdits tronçons (4, 6) des conduc- teurs respectivement primaire (5) et secondaire (2). 3. Capteur de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit conducteur secondaire (2) est rac- cordé par ses deux extrémités (2A, 2B) aux bornes d'un généra- teur de courant de compensation (Is). 4. Capteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un conducteur de polarisation (9), intercalé entre la magnéto- résistance (1) et ledit tronçon (4) du conducteur primaire (5), ledit conducteur de polarisation (9) étant parallèle à la magnétorésistance (1) par un tronçon (10) d'une longueur au moins égale à celle de la magnétorésistance (1) et étant rac- cordé par ses deux extrémités (9A, 9B) aux bornes d'une source de polarisation. 5. Capteur de courant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les conducteurs primaire (5), secondaire (2) et de polarisation (9) ainsi que la magnétorésistance (1) sont déposés sur une même face du substrat isolant (3) en étant écartés les uns des autres de distances (D, d) déterminées. 1l 6. Capteur de courant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les conducteurs primaire (5), secondaire (2) et de polarisation (9) ainsi que la magnétorésistance (1) sont empilés avec interposition de couches de substrat isolant (3) d'épaisseurs déterminées. 7. Capteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la magnéto- résistance est constitué d'un dépôt en couche mince de fer/nickel.