Brevet FR2775772A1 — publié le 19990910

DETECTEUR DE PROXIMITE UTILISANT DES MAGNETORESISTANCES L'invention concerne les détecteurs de proximité d'objets ferromagnétiques utilisant un capteur basé sur une technologie de détection d'un champ magnétique à l'aide de magnétorésistances. Les détecteurs de proximité sont utilisés dans divers domaines de I'industrie pour des multiples applications parmi lesquelles le comptage, le positionnement ou la reconnaissance de pièces métalliques dans une chaîne de fabrication, la détection de l'état d'outils de fabrication ou le positionnement d'une pince de robot. Dans les chaînes automatiques de fabrication et de montage ces détecteurs sont pratiquement indispensables et assurent un contrôle permanent de différentes étapes d'un processus de fabrication. Parmi les caractéristiques essentielles d'un détecteur de proximité figure la portée du détecteur qui représente la distance minimale à partir de laquelle un objet en matériau ferromagnétique, que nous appellerons par la suite cible ferromagnétique, en se rapprochant d'une face sensible du détecteur fait basculer l'état du détecteur. Ce basculement se traduit habituellement par un changement d'état d'une sortie électrique du détecteur signalant la présence de la cible ferromagnétique. Une autre caractéristique importante d'un détecteur de proximité est sa fréquence de fonctionnement déterminant le nombre de cycles de détection maximum possibles dans un temps déterminé. Par exemple s'il s'agit de compter des petites pièces métalliques portées par un tapis, la vitesse de comptage maximum pourrait être limitée par la fréquence maximum de fonctionnement du détecteur. On trouve actuellement de détecteurs de proximité utilisant différentes technologies de détection. Parmi les détecteurs les plus répandus figurent les détecteurs de proximité inductifs. Le principe de fonctionnement de ce type de détecteur est basé sur la détection de la variation de certains paramètres du détecteur, lors d'un changement de l'impédance d'un circuit inductif du détecteur, par la présence de l'objet à détecter. La figure 1 montre un schéma de principe d'un tel détecteur. - Un détecteur inductif 10 selon l'art antérieur est constitué essentiellement par un oscillateur 12 fonctionnant à une fréquence élevée, accordé en fréquence par un circuit oscillant comportant une bobine 14 et un condensateur 16 en parallèle. La bobine 14 du circuit oscillant est logée dans une ferrite magnétique ouverte d'un coté constituant la face sensible 18 du détecteur de proximité. La bobine 14 engendre un champ magnétique oscillant 20 dans l'espace, du coté de la face sensible 18. Une cible ferromagnétique 22 pénétrant dans le champ magnétique oscillant lors de son déplacement, devient le siège de courants de Foucault amortissant I'oscillateur 12 et entraînant une diminution de l'amplitude de la tension d'oscillation Uol aux bornes de l'oscillateur. La variation de l'amplitude de la tension d'oscillation Uol après mise en forme par un circuit 24 connecté à sa sortie à un amplificateur 26 est utilisée par une charge 28 pour indiquer la présence de l'objet métallique 22. Ces types de détecteurs de proximité inductifs selon l'art antérieur comportent certains inconvénients. Un premier inconvénient réside dans la taille de la bobine de l'oscillateur. En effet la génération du champ magnétique oscillant nécessaire à la détection des objets métalliques conduit à des bobines d'induction de taille importante posant de difficultés de réalisation pour assurer leur intégration dans le détecteur. Un autre inconvénient de ces détecteurs selon l'art antérieur découle de leur sensibilité aux variations de la température ambiante et au vieillissement des composants, ce qui a comme conséquence une diminution de la fiabilité de détection des cibles ferromagnétiques. Pour palier les inconvénients de l'art antérieur, I'invention propose un détecteur de proximité magnétique d'une cible ferromagnétique mobile, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur magnétique ayant au moins deux magnétorésistances, un aimant permanent produisant un champ magnétique local appliqué aux magnétorésistances, le détecteur comportant en outre des moyens de détection du dépassement d'un seuil de déséquilibre entre les deux magnétorésistances. Chacune des magnétorésistances du capteur magnétique comporte une couche de matériau magnétorésistif traversée par un courant dans une direction de mesure, la couche étant magnétisée par le champ magnétique local. - Un effet connu, appelé effet d'anisotropie spontané de la magnétorésistance qui se manifeste dans les métaux de transition ferromagnétiques tels que le nickel, le cobalt et le fer, produit une variation de la résistivité de la couche de matériau magnétorésistif en fonction de I'angle entre la direction du courant de mesure et les lignes de champ. Un autre effet mis à profit dans les capteurs magnétiques est connu sous la dénomination d'effet de magnétorésistance géante et se produit dans des structures multicouche réalisées par un empilage d'une alternance de couches en métal ferromagnétique et de couches en métal non magnétique. Cet effet se traduit par une modification de la résistivité de la structure sous l'influence d'un champ magnétique à mesurer. Le détecteur selon l'invention exploite, à l'aide du capteur magnétique et des moyens électroniques adaptés, la modification du gradient du champ magnétique local dans les magnétorésistances par la présence de la cible ferromagnétique se déplaçant à proximité du détecteur, les variations du champ magnétique local dans les magnétorésistances du capteur magnétique se traduisant par une variation de la valeur de leur résistivité. La figure 2 montre une courbe 30 typique de la variation de la résistivité pr d'une magnétorésistance en fonction du champ magnétique H selon son axe sensible C'C. Un champ magnétique local HO polarise la magnétorésistance dans une zone sensiblement linéaire de sa caractéristique de résistivité en fonction du champ. Un avantage du détecteur de proximité magnétique selon I'invention par rapport au détecteur de proximité inductif de l'art antérieur réside dans la taille réduite du capteur magnétique et sa plus grande simplicité de fabrication. En effet le détecteur selon l'invention n'utilise pas de bobinage encombrant et difficile d'intégration dans le détecteur, mais un aimant permanent produisant le champ magnétique local assurant un gradient magnétique dans la zone de détection de la cible ferromagnétique et dans les magnétorésitances du capteur. En effet, les aimants permanents peuvent générer des champs magnétiques importants pour des tailles inférieures à celles des bobines d'induction et ceci sans consommation de courant électrique. Dans une réalisation du détecteur de proximité magnétique selon l'invention, le capteur magnétique comporte une puce ayant sur un même substrat une première, une deuxième une troisième et une quatrième magnétorésistance, I'axe sensible des première et troisième magnétorésistances étant perpendiculaire à l'axe sensible des deuxième et quatrième magnétorésistances. L'avantage du détecteur de proximité selon cette réalisation réside dans sa plus grande sensibilité et stabilité par rapport aux détecteurs de l'art antérieur. En effet le capteur magnétique utilise une puce comportant les magnétorésistances réalisées par dépôt sur un même substrat, ce qui assure une grande ressemblance de magnétorésistances qui présentent des faibles disparités de leurs caractéristiques et en particulier de leur résistivité pour un même champ magnétique local. Le détecteur de proximité magnétique comporte des moyens de détection du dépassement d'un seuil de déséquilibre entre les quatre magnétorésistances de la puce. Ces moyens utilisant une connectique en pont de Wheatston améliorent sensiblement la précision et la fiabilité de détection de la cible ferromagnétique. La fiabilité de détection étant affectée dans les détecteurs de l'art antérieur par les variations des caractéristiques de l'oscillateur du fait de la variation de la température ambiante et du vieillissement des composants. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui est faite en référence aux dessins annexés dans les quels: La figure 1 représente un dessin de principe d'un détecteur de proximité inductif, déjà décrit, selon l'art antérieur. La figure 2 représente une courbe typique de variation de la résistivité d'une magnétorésistance en fonction du champ magnétique. Les figures 3a et 3b représentent des dessins simplifiés d'un détecteur de proximité magnétique selon l'invention. La figure 4 représente une vue de la face supérieure d'une puce du détecteur de la figure 3a. La figure 5 représente un schéma de principe d'un système de détection du dépassement d'un seuil du détecteur de la figure 3a. - Les figures 3a et 3b représentent des dessins simplifiés d'un détecteur de proximité 40 selon l'invention. Le détecteur de proximité 40 magnétique comporte essentiellement un capteur magnétique 42, un aimant permanent 43 générant un champ magnétique local H0 dont les lignes de champ h traversent des magnétorésistances du capteur magnétique 42. Le capteur magnétique 42 comporte une puce 44 ayant une face supérieure 46 et une face inférieure 48. La puce 44 est réalisée à partir d'un substrat sur lequel sont déposées, du côté de la face supérieure 46 de O la puce 44, les différentes couches de quatre magnétorésistances géantes M1, M2, M3 et M4. La figure 4 représente une vue de la face supérieure 46 de la puce 42 comportant deux paires de magnétorésistances, une première paire P1 constituée d'une première magnétorésistance M1 et une troisième magnétorésistance M3 et une seconde paire P2 constituée d'une deuxième magnétorésistance M2 et une quatrième magnétorésistance M4, d'axes sensibles C'C. Les deux magnétorésistances M1 et M3 de la première paire P1 sont situées de part et d'autre et sensiblement à égal distance d'un premier axe X'X situé dans le plan de la face supérieure 46 de la puce, le premier axe X'X passant par un point central O de la face supérieure de la puce, les axes sensibles C'C des magnétorésistances de la première paire P1 étant parallèles entre eux ainsi qu'au premier axe X'X, et les deux magnétorésistances M2 et M4 de la seconde paire P2 étant situées de part et d'autre et sensiblement à égal distance d'un second axe Y'Y perpendiculaire au premier axe X'X situé dans le même plan de la surface supérieure 46 de la puce et comportant le point central O, les axes sensibles CC des magnétorésistances de la seconde paire P2 étant parallèles entre eux ainsi qu'au second axe Y'Y. Dans cette configuration l'axe sensible des magnétorésistances de la première paire P1 est perpendiculaire à l'axe sensible des magnétorésistances de la seconde paire P2. Dans le détecteur de proximité de la figure 3a l'aimant permanent 43 est de forme cylindrique selon un axe de révolution A'A et présenté un pôle nord N et un pôle sud S respectivement à l'une et à l'autre de ses extrémités cylindriques. La puce 44 est placée à proximité de l'aiment permanent et dans une position telle que sa face supérieure 46 est sensiblement parallèle à un plan passant par l'axe de révolution A'A de l'aimant permanent 44 et que le premier axe XX, situé dans le plan passant par la face supérieure de la puce, est sensiblement parallèle au même axe de révolution A'A. Dans cette position de la puce, les lignes de champ h reliant le pôle nord N ou pôle sud S de l'aimant permanent sont sensiblement parallèles à l'axe sensible C'C de la première paire P1 de magnétorésistance M1 et M3. Un champ magnétique local H0 produit par l'aimant permanent 43 se trouve appliqué au niveau de la face supérieure 46 de la puce 44. Nous allons décrire par la suite le fonctionnement du détecteur de proximité selon l'invention. Dans une première phase représenté à la figure 3a, aucune cible ferromagnétique se trouve à proximité du détecteur de proximité magnétique, une première répartition locale des lignes de champ h (voir figure 4) générées par l'aimant permanent correspond à un premier gradient magnétique D1 local dans le plan des magnétorésistances M1 à M4. Cette première répartition des lignes de champ h conduit à des valeurs de résistivité initiales pl, p2, p3, p4 des respectives magnétorésisances M1, M2, M3, M4. Dans une deuxième phase représentée à la figure 3b, une cible ferromagnétique 49 en se déplaçant vers le détecteur de proximité magnétique, selon une direction perpendiculaire à un plan passant par le premier axe X'X et par l'axe de révolution A'A de l'aimant permanent, passe à un instant donné tO à proximité du capteur magnétique, face à une des pôles N ou S de l'aimant permanent. Le passage à cet instant tO de la cible ferromagnétique à proximité du capteur magnétique modifie la répartition spatiale initiale des lignes de champ h au niveau des magnétorésistances Ml àM4. Cette nouvelle répartition des lignes de champ, correspondant à un nouveau gradient magnétique D2, produit des nouvelles intensités des champs magnétiques au niveau de chaque magnétorésistances M1 à M4 qui présentent alors des nouvelles valeurs de résistivité, respectivement p'l, p'2, p'3 et '4, les variations de résistivité étant plus importantes pour la première paire P1 de magnétorésitances dont l'axe sensible C'C est sensiblement parallèle aux lignes de champ h. La détection de la variation des signaux fournis par les magnétorésistances du fait de la variation de leur résistivité permettent de détecteur la présence de la cible ferromagnétique. A cet effet la figure 5 montre un schéma de principe d'un système détection du dépassement d'un seuil de déséquilibre entre les quatre magnétorésistances géantes M1,M2,M3,M4 assurant la détection de présence de la cible ferromagnétique O 49 dans le champ magnétique du détecteur de proximité. Les quatre branches d'un pont de Wheatstone PW sont formées par les quatre magnétorésistances M1, M2, M3 et M4 du capteur magnétique. Les deux magnétorésistance M1 et M3 de la première paire P1 formant deux premières branches opposées du pont et les deux magnétorésistances M2 et M4 de la seconde paire P2 formant les deux autres branches opposées du même pont. Un circuit d'alimentation 50 fournit sous une tension stable Ue appliquée entre deux premiers points opposés de connexion Wl et W2 des branches du pont de Wheatstone PW un courant Ip alimentant l'ensemble des quatre magnétorésistances géantes formant les branches du pont. Aux deux autres points opposés de connexion W3 et W4 des branches du pont apparaît une tension de déséquilibre Up attaquant deux entrées différentielles E1 et E2 d'un amplificateur différentiel 52. Une tension de sortie Us à une sortie S de l'amplificateur différentiel 52, dont le niveau varie en fonction de la tension de déséquilibre Up, attaque un détecteur de seuil 54 comportant une sortie de niveau d'état logique Sd déclenchant par l'intermédiaire d'un amplificateur 56 I'allumage d'une diode électroluminescente D1 indiquant la présence de la cible ferromagnétique. Dans un état initial du détecteur de proximité, la cible ferromagnétique 49 se trouve hors du champ magnétique de l'aimant permanent du capteur magnétique. Le gradient magnétique initial D1 produisant les valeurs initiales de résistivité pl, p2, p3 et p4 des magnétorésistances provoque un déséquilibre initial du pont de Wheatstone PW. Une tension initiale de déséquilibre Up1 apparaît aux bornes des entrés différentielles E1 et E2 de l'amplificateur différentiel 52 produisant une première tension de sortie Us'l à sa sortie différentielle S. Le détecteur de seuil 54 est configuré de façon a présenter, lorsqu'il est attaqué par la première tension de sortie Us1, un état logique bas à sa sortie Sd. La diode D1 est, dans ce premier état initial, éteinte. Lorsque la cible ferromagnétique se trouve à proximité du détecteur et entre dans le champ magnétique de l'aimant permanent 43, un nouveau gradient magnétique D2 local s'établit dans le plan des magnétorésistances dont les résistivités passent respectivement des valeurs initiales pl, p2, p3 et p4, à des nouvelles valeurs p'l, p'2, p'3 et p'4 modifiant le déséquilibre initial du pont. Une nouvelle tension de déséquilibre Up2 apparaît entre les deux autres points de connexion W3 et W4 du pont produisant une seconde tension de sortie Us2 en sortie de l'amplificateur différentiel 52. Le détecteur de seuil 54 est réalisé d'une façon connue pour que sa sortie Sd bascule de l'état bas initial à un étant haut lorsque la tension appliquée à son entrée passe de la première tension de sortie Us1 à la seconde tension de sortie Us2 déclenchant par l'intermédiaire de l'amplificateur 56 I'allumage de la diode électroluminescente D1. Le détecteur de seuil présente une certaine hystérésis à fin d'éviter des basculements répétées et intempestifs, lors du déplacement de la cible magnétique, à proximité du seuil de basculement. Dans une troisième phase, la cible ferromagnétique s'éloignant suffisamment du détecteur de proximité en continuant son déplacement, le gradient magnétique au niveau des magnétorésistances retrouve sa valeur initiale D1. Le détecteur revient à sa position initiale faisant basculer la sortie Sd de nouveau à l'état bas ce qui produit l'extinction de la diode électroluminescente D1. Cette réalisation n'est pas limitative, I'information d'état en sortie du détecteur de proximité peut être par exemple appliquée à un calculateur pour effectuées différents traitements informatiques. L'utilisation des magnétorésistances dans un pont de Wheatstone assure une meilleure précision et une stabilité de la fiabilité de détection de la cible ferromagnétique dans le temps et en fonction de la température. Le détecteur de proximité selon l'invention permet d'obtenir des portées de détection des cibles ferromagnétiques plus grandes que celles des détecteurs inductifs de l'art antérieur pour des dimensions équivalentes. En moyenne cette la portée est d'environ 10 millimètres alors que dans le cas des détecteurs inductifs la portée est de l'ordre de 4 millimètres. Un autre aspect du détecteur selon l'invention comportant des magnétorésistances est son coût de fabrication moindre par rapport aux détecteurs de l'art antérieur du fait de sa simplicité de conception et de sa reproductibilité. REVENDICATIONS 1. Détecteur de proximité (40) magnétique d'une cible ferromagnétique (22,49) mobile, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur magnétique (42) ayant au moins deux magnétorésistances (M1,M2,M3, M4), un aimant permanent (43) produisant un champ magnétique local (H0) appliqué aux magnétorésistances, le détecteur (40) comportant en outre des l0 moyens de détection du dépassement (50, PW, 52, 54, 56, D1) d'un seuil de déséquilibre entre les deux magnétorésistances. 2. Détecteur de proximité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur magnétique (42) comporte une puce (44) ayant sur un même substrat une première (M1), une deuxième (M2), une troisième (M3) et une quatrième magnétorésistance (M4), I'axe sensible (C'C) des première et troisième magnétorésistance étant perpendiculaire à l'axe sensible des deuxième et quatrième magnétorésistance. 3. Détecteur de proximité selon la revendication 2, caractérisé en ce que la puce (44) ayant une face supérieure (46) et une face inférieure (48) comporte deux paires de magnétorésistances, une première paire (P1) constituée de la première magnétorésistance (M1) et la troisième magnétorésistance (M3) et une seconde paire (P2) constituée de la deuxième magnétorésistance (M2) et la quatrième magnétorésistance (M4), les deux magnétorésistances (M1, M3) de la première paire (P1) étant situées de part et d'autre et sensiblement à égale distance d'un premier axe (X'X) situé dans le plan de la face supérieure (46) de la puce et passant par un point central (O) de la face supérieure de la puce, les axes sensibles (C'C) des magnétorésistances de la première paire (P1) étant parallèles entre eux ainsi qu'au premier axe (X'X), et les deux magnétorésistances (M2, M4) de la seconde paire (P2) étant situées de part et d'autre et sensiblement à égale distance d'un second axe (Y'Y) perpendiculaire au premier axe (X'X) situé dans le même plan de la surface supérieure (46) de la puce et comportant le point central (O), les axes sensibles (C'C) des magnéèorésistances de la seconde paire (P2) étant parallèles entre eux ainsi qu'au second axe (Y'Y). 4. Détecteur de proximité selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la puce (44) étant placée à proximité de l'aimant permanent (43), sa face supérieure (46) est sensiblement parallèle à un plan passant par l'axe de révolution (A'A) de l'aimant permanent (43) et en ce que le premier axe (X'X), situé dans le plan passant par la face supérieure de la puce, est sensiblement parallèle au même axe de révolution (A'A). 5. Détecteur de proximité selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de détection du dépassement comportent un pont de Wheatstone (PW) dont les quatre branches sont formées par les quatre magnétorésistances (M1, M2, M3, M4) du capteur magnétique (42), les deux magnétorésistance (M1,M3) de la première paire (P1) formant deux premières branches opposées du pont et les deux magnétorésistances (M2, M4) de la seconde paire (P2) formant les deux autres branches opposées du même pont. 6. Détecteur de proximité selon la revendication 5, caractérisé en ce que un circuit d'alimentation (50) fournit sous une tension stable (Ue) appliquée entre deux premiers points opposés de connexion (W1, W2) des branches du pont de Wheatstone (PW) un courant (Ip) alimentant l'ensemble des quatre magnétorésistances (M1,M2,M3,M4) formant les branches du pont, les deux autres points opposés de connexion (W3, W4) des branches du pont attaquant deux entrées différentielles E1 et E2 d'un amplificateur différentiel (52). 7. Détecteur de proximité selon la revendication 6, caractérisé en ce que une sortie (S) de l'amplificateur différentiel (52) attaque un détecteur de seuil (54) comportant une sortie de niveau d'état logique (Sd) déclenchant par l'intermédiaire d'un amplificateur (56) I'allumage d'une diode électroluminescente (D1l) indiquant la présence de la cible ferromagnétique. - 8. Détecteur de présence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les magnétorésistances (M1,M2,M3,M4) sont des magnétorésistances géantes.