Brevet FR2752302A1 — publié le 19980213

CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE A PONT DE MAGNETORESISTANCES DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un capteur de champ magnétique à pont de magnétorésistances. Elle trouve une application dans la mesure des champs magnétiques, notamment des champs faibles, c'est-à-dire de l'ordre de quelques dizaines d'Oersteds. Etat de la technique On connaît des capteurs de champ constitués de quatre magnétorésistances montées en pont de WHEATSTONE. La figure 1 annexée en montre un exemple. Les quatre magnétorésistances présentent chacune la forme de barreau allongé et sont montées en opposition électrique deux à deux dans le pont (respectivement R1 et R2), des bornes étant situées respectivement entre les magnétorésistances. La tension d'entrée (ou d'alimentation) appliquée entre deux bornes du pont est notée Ve, et la tension de sortie (ou de mesure) prise entre les deux autres bornes est notée Vs. Dans un tel montage, deux des magnétorésistances seulement doivent être sensibles au champ magnétique à mesurer (par exemple les magnétorésistances R2) sinon le pont resterait équilibré en toutes circonstances. L'une des solutions consiste à disposer un écran magnétique devant deux des magnétorésistances, les magnétorésistances R1 sur la figure 2, où l'écran porte la référence Ec. Un tel capteur est décrit, par exemple, dans l'article de J. DAUGHTON et al. intitulé "Magnetic Field Sensors Using GMR Multilayer" publié dans la revue "IEEE Trans on Magnetics", vol. 30, n"2, mars 1994. Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces capteurs restent complexes à réaliser en raison des moyens destinés à rendre passives deux des magnétorésistances. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en évitant le recours à cet écran. Exposé de l'invention A cette fin, la présente invention préconise d'orienter longitudinalement deux des magnétorésistances et transversalement les deux autres, les orientations étant prises par rapport à la direction du champ à mesurer. Sous certaines conditions qui seront précisées plus loin, les deux magnétorésistances montées transversalement sont insensibles à la variation du champ appliqué et sont donc neutralisées. Seules les magnétorésistances montées longitudinalement sont sensibles au champ appliqué. On obtient donc bien la fonction de neutralisation recherchée et cela uniquement par l'orientation des magnétorésistances, sans recours à un quelconque moyen supplémentaire. De façon précise, la présente invention a pour objet un capteur de champ magnétique comprenant, d'une part, au moins quatre magnétorésistances montées en pont de WHEATSTONE, chaque magnétorésistance présentant sur au moins une partie une forme de barreau allongé avec une direction longitudinale et une direction transversale, les quatre magnétorésistances étant en opposition électrique deux à deux dans le pont, et, d'autre part, des moyens d'alimentation en tension du pont et des moyens de mesure de la tension de déséquilibre du pont, ce capteur étant caractérisé par le fait que les magnétorésistances sont du type multicouches et que deux des magnétorésistances opposée s dans le pont ont leur direction longitudinale orientée parallèlement à une direction qui est celle du champ à mesurer, les deux autres ayant leur direction transversale orientée parallèlement à cette même direction. Les magnétorésistances longitudinales sont dites actives et les magnétorésistances transversales sont dites passives. De manière avantageuse, le capteur comprend en outre un moyen de polarisation apte à appliquer au moins aux deux magnétorésistances orientées longitudinalement un champ magnétique de polarisation. Ce moyen de polarisation peut être un enroulement ou un conducteur parcouru par un courant de polarisation, ou un aimant permanent. L'enroulement peut entourer les deux magnétorésistances longitudinales ou entourer 1 'ensemble des magnétorésistances. De manière avantageuse encore, le capteur comprend en outre un moyen de compensation apte à appliquer un champ magnétique de compensation au moins aux deux magnétorésistances orientées longitudinalement. Ce moyen de compensation peut comprendre un enroulement parcouru par un courant de compensation ou un conducteur parcouru par un courant de compensation. Selon un autre mode de réalisation, le capteur peut comprendre un moyen de compensation apte à appliquer un champ aux deux magnétorésistances montées transversalement. De façon préférentielle, les magnétorésistances de type multicouche sont à base de FeNi/Ag. Brève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, illustre la structure générale d'un capteur de l'art antérieur à quatre magnétorésistances montées en pont - la figure 2, déjà décrite, montre un écran rendant insensibles deux des magnétorésistances du pont - la figure 3 montre les variations de résistance d'une magnétorésistance multicouches à effet géant en fonction d'un champ magnétique appliqué parallèlement à l'axe longitudinal de la magnétorésistance - la figure 4 montre les variations de résistance d'une magnétorésistance multicouches à effet géant en fonction d'un champ magnétique appliqué parallèlement à l'axe transversal de la magnétorésistance - la figure 5 illustre la structure générale d'un capteur selon l'invention ; - la figure 6 illustre le montage électrique en pont de WHEATSTONE - la figure 7 illustre un mode de réalisation d'un circuit de compensation - la figure 8 illustre un mode de réalisation à double enroulement de polarisation et de compensation - les figures 9a, 9b, 9c illustrent un exemple de réalisation du capteur de l'invention. Description de modes particuliers de réalisation Les figures 3 et 4 montrent le principe de fonctionnement des magnétorésistances multicouches utilisées selon l'invention. Ces magnétorésistances sont dites quelquefois "à effet géant" ("Giant Magnetoresistance" en anglais) et utilisent l'effet physique de vannes de spins. Sur la figure 3, on voit la variation de la résistance R d'une telle magnétorésistance en fonction du champ magnétique appliqué parallèlement au barreau (champ noté H//). La résistance décroît sensiblement linéairement avec le champ, de part et d'autre de la valeur obtenue à champ nul. Par application d'un champ magnétique permanent Hpolar, on peut polariser la magnétorésistance pour la faire fonctionner autour d'un point M écarté du sommet de la courbe. La figure 4 illustre le comportement d'une telle magnétorésistance en fonction d'un champ appliqué perpendiculairement au barreau magnétorésistant (champ noté Hl). On voit, sur cette figure 4, un plateau compris entre deux valeurs critiques -Hcr et +Hcr, plateau le long duquel la résistance ne varie pas. De part et d'autre de ce plateau, la résistance décrolt quasi-linéairement avec le champ. Les magnétorésistances, qui sont montées les unes longitudinalement, les autres transversalement, selon l'une des caractéristiques essentielles de l'invention, vont donc fonctionner différemment selon leur orientation. Si l'on applique un champ de polarisation uniquement sur les magnétorésistances longitudinales, le point de fonctionnement du pont sera défini par le point M pour les deux magnétorésistances longitudinales et par le point P, milieu du plateau, pour les deux magnétorésistances transversales (qui ne soit pas polarisées dans ce cas particulier). L'application d'un champ magnétique à l'ensemble des quatre magnétorésistances va donc réduire ou augmenter la résistance des deux magnétorésistances longitudinales (selon le sens du champ) mais laisser inchangée la résistance des deux magnétorésistances transversales si le champ est compris entre -Hcr et +Hcr. Dès lors, le pont se trouvera déséquilibré et la tension de déséquilibre reflètera la valeur du champ applique. Le capteur de l'invention se présente alors comme illustré sur les figures 5 et 6. La figure 5, tout d'abord, montre l'orientation respective des barreaux magnétorésistifs. Les barreaux GMR1 et GMR2 ont leur axe longitudinal L parallèle à une direction D, qui est celle du champ H à mesurer, tandis que les barreaux GMR3, GMR4 ont leur axe transversal T parallèle à cette direction. Le champ appliqué H est donc longitudinal pour GMR1 et GMR2 et transversal pour GMR3 et GMR4. La figure 6 montre les connexions électriques permettant de constituer un pont de WHEATSTONE. Les magnétorésistances sont représentées par leur résistance. Les résistances R(GMR1) et R(GMR2) sont montées en opposition, de même que les résistances R(GMR3) et R(GMR4). La tension de mesure Vs est prise entre les points S1 et S2 situés entre R(GMR1) et R(GMR4), d'une part, et R(GMR3) et R(GMR2) d'autre part. La tension d'alimentation Ve est appliquée entre d'une part R(GMR1) et R(GMR3) et d'autre part R(GMR4) et R(GMR2). On observera que la figure 6 se réfère aux résistances électriques et non aux barreaux magnétorésistants eux mêmes, comme pour la figure 5. L'orientation des résistances R(GMR1) dans le schéma électrique de la figure 6 n'a donc aucun lien avec l'orientation des barreaux correspondants GMR1 ... de la figure 5. Selon un mode de réalisation avantageux, on munit le capteur d'un moyen de compensation constitué par tout moyen et comprenant, par exemple, un enroulement ou un conducteur plan parcouru par un courant convenable. La figure 7 montre ainsi, de manière schématique, un circuit 10 de comparaison et de détection, dont les entrées reçoivent la tension Vs de déséquilibre du pont, et la sortie alimente un enroulement 12 de compensation. Ces moyens permettent d'obtenir au niveau de deux magnétorésistances longitudinales, un champ global nul (méthode dite du zéro), auquel cas c est le signal de compensation qui constitue le signal de mesure. Le schéma de la figure 7 montre aussi un enroulement 14 qui est l'enroulement de polarisation des magnétorésistances longitudinales. La figure 8 montre une disposition pratique possible. Dans ce mode de réalisation, le champ magnétique à mesurer est celui qui résulte de la circulation d'un courant dans un conducteur plat 20. Le capteur représenté comprend deux enroulements 12 et 14, le premier de compensation, le second de polarisation. Ces deux enroulements entourent les magnétorésistances GMR1 et GMR2. L'enroulement de polarisation peut être remplacé par un aimant de polarisation 16 ou un conducteur plan. En outre, l'enroulement de polarisation et/ou l'enroulement de compensation peuvent entourer l'ensemble des magnétorésistances. Le capteur de l'invention ne fonctionne correctement que si le champ appliqué aux magnétorésistances transversales n'excède pas la valeur critique limitant le plateau le long duquel la résistance des magnétorésistances demeure constante. Si ce n'est pas le cas, il est prévu de munir le capteur d'un deuxième moyen de compensation comprenant, par exemple, par un enroulement ou un conducteur plan parcouru par un courant. Le champ de compensation ainsi créé abaisse le champ total et permet de ramener celuici à une valeur correspondant au plateau, voire à une valeur nulle. Le moyen de compensation des magnétorésistances transversales peut également agir sur les magnétorésistances longitudinales. Il peut s'agir, par exemple, d'un conducteur plat unique passant au-dessus (ou au-dessous) des quatre magnétorésistances et parcouru par un courant ou d'un enroulement unique entourant les quatre magnétorésistances. Les figures 9a, 9b et 9c illustrent un exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention. Ces figures sont des coupes passant par l'une des deux magnétorésistances longitudinales, celles-ci étant supposées entourées d'un enroulement commun de polarisation et de compensation. En se référant d'abord à la figure 9a, on voit qu'on part d'un substrat 30, par exemple en silicium sur lequel on dépose une couche de matériau conducteur, par exemple en or, cuivre ou autre. On grave cette couche pour former une nappe de conducteurs inférieurs 32. Sur ce premier sous-ensemble, on dépose une couche d'isolant 34 (cf Fig. 9b), par exemple de la silice, puis une couche 36 de matériau conducteur, par exemple un alliage CrAu. On grave ce matériau pour ne laisser subsister que deux pattes de connexion de part et d'autre de l'emplacement réservé aux futures magnétorésistances. Après gravure, le sous-ensemble comprend donc huit pattes de connexion. On dépose ensuite sur l'ensemble un empilement multicouches magnétorésistif et l'on grave cet empilement pour laisser subsister deux barreaux orientés selon une direction et deux autres orientés perpendiculairement à cette direction. Celui des barreaux qui est représenté sur la figure 9b porte la référence 38. Les extrémités de ces barreaux reposent sur les pattes de connexion 36 déjà réalisées. Conformément à la figure 9c, on dépose ensuite une couche de matériau isolant 40. On grave dans cette couche des ouvertures au droit des extrémités des conducteurs inférieurs 32 ainsi qu'au droit de l'arrière des pattes de connexion. On dépose ensuite une couche de matériau conducteur, par exemple de l'or ou du cuivre. Ce matériau vient remplir les ouvertures pratiquées et prend ainsi contact avec la nappe de conducteurs inférieurs 32 et les pattes de connexion 36. On grave ensuite cette couche conductrice pour obtenir une nappe de conducteurs supérieurs 42 et des connexions 44 pour les magnétorésistances. Les magnétorésistances qui ont été décrites jusqu'ici sont des barreaux rectangulaires. Ces barreaux peuvent avoir une largeur inférieure à une dizaine de micromètres. Il va de soi qu'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant des formes plus complexes, dès lors qu'au moins une partie des magnétorésistances est dirigée longitudinalement. Une autre partie peut être éventuellement dirigée transversalement, puisqu'elle n'aura alors pas d'effet sur le changement de résistance de l'ensemble. On peut alors utiliser par exemple des magnétorésistances en forme de grecque ou de tout autre motif. Les deux magnétorésistances GMR1, GMR2 orientées longitudinalement peuvent avoir des structures et des compositions identiques et les deux magnétorésistances GMR3, GMR4 orientées transversalement peuvent avoir des structures et des compositions également identiques. REVENDICATIONS 1. Capteur de champ magnétique comprenant, d'une part, au moins quatre magnétorésistances (R1, R2, R3, R4) montées en pont de WHEATSTONE, chaque magnétorésistance présentant sur au moins une partie une forme de barreau allongé avec une direction longitudinale et une direction transversale, les quatre magnétorésistances étant en opposition électrique deux à deux dans le pont, et, d'autre part, des moyens d'alimentation en tension (Ve) du pont et des moyens de mesure de la tension (Vs) de déséquilibre du pont, caractérisé par le fait que les magnétorésistances sont du type multicouches et que deux des magnétorésistances opposées dans le pont (GMR1, GMR2) ont leur direction longitudinale (L) orientée parallèlement à une direction (D) qui est celle du champ à mesurer (H), les deux autres (GMR3, GMR4) ayant leur direction transversale (T) orientée parallèlement à cette même direction. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen de polarisation (14) apte à appliquer au moins aux deux magnétorésistances orientées longitudinalement (GMR1, GMR2) un champ magnétique de polarisation (Hpolar) dirigé longitudinalement. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen de polarisation est un enroulement (14) parcouru par un courant de polarisation. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'enroulement entoure les deux magnétorésistances orientées longitudinalement. 5. Capteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'enroulement entoure l'ensemble des magnétorésistances. 6. Capteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen de polarisation est un aimant permanent (16). 7. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un premier moyen de compensation (10, 12) apte à appliquer au moins un champ magnétique de compensation longitudinal aux deux magnétorésistances orientées longitudinalement (GMR1, GMR2). 8. Capteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le moyen de compensation comprend un comparateur (10) recevant la tension de déséquilibre et délivrant une tension qui est appliquée à un enroulement de compensation (12) entourant au moins les deux magnétorésistances orientées longitudinalement. 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement de compensation entoure les quatre magnétorésistances. 10. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un second moyen de compensation apte à appliquer un champ de compensation transversal aux deux magnétorésistances orientées transversalement (GMR3, GMR4). 11. Capteur selon les revendications 7 ou 10, caractérisé par le fait que le moyen de compensation comprend un conducteur parcouru par un courant, ce conducteur passant au-dessus desdites magnétorésistances à compenser. 12. Capteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen de polarisation comprend un conducteur (10) passant au-dessus des quatre magnétorésistances (GMR1, GMR2, GMR3, GMR4), ce conducteur étant parcouru par un courant normal à l'axe longitudinal (L) des deux magnétorésistances (GMR1, GMR2) orientées longitudinalement et à l'axe transversal (T) des deux magnétorésistances (GMR3, GMR4) orientées transversalement. 13. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux magnétorésistances (GMR1, GMR2) orientées longitudinalement ont des structures et des compositions identiques entre elles et les deux magnétorésistances (GMR3, GMR4),orientées transversalement ont des structures et des compositions identiques entre elles. 14. Capteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les magnétorésistances sont des barreaux dont la largeur est inférieure à une dizaine de micromètres. 15. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les magnétorésistances sont à base de FeNi/Ag.