Brevet FR2796725A1 — publié le 20010126

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la sensibilité d'un capteur de champ magnétique à effet Hall par réalisation d'une fonction d'auto- calibration intégrée. De manière connue, un capteur de champ magnétique à effet Hall délivre en sortie une tension qui est le produit du champ magnétique parcouru dans le capteur et de la sensibilité du capteur. Or la sensibilité d'un capteur à effet Hall varie en fonction de paramètres extérieurs, comme la température, et en fonction des dispersions liées aux procédés de fabrication. Il est donc nécessaire de calibrer de tels capteurs avant de pouvoir exploiter efficacement leur signal de mesure. Cette opération de calibrage peut être lourde et coûteuse puisqu'elle doit être réalisée sur chaque capteur. Pour cette raison, il existe, de façon connue, des dispositifs qui intègrent dans le capteur des fonctions d'auto-calibration pour se prémunir de ces dérives de sensibilité. Par exemple, dans le document P.L.C. Simon et ai. 'Autocalibration of sificon Hall devices", Sensors and Actuators A 52, 1996, il est décrit un dispositif d'a uto-cal ib ration en continu d'un capteur à effet Hall : ce dispositif utilise une source de courant alternatif, de fréquence supérieure à la fréquence du signal à mesurer, agissant sur une bobine intégrée au capteur. Néanmoins, de tels dispositifs nécessitent l'utilisation d'un générateur de courant sinusoïdal ainsi que d'un multiplieur analogique ce qui entraîne des coûts importants pour une réalisation industrielle, sous forme monolithique en technologie CIVIOS. La présente invention a pour but de trouver une solution permettant de se prémunir des opérations de calibrage lors de la fabrication des capteurs de champ magnétique à effet Hall, grâce à la réalisation d'une fonction d'auto-calibration simple et peu coûteuse. Selon l'invention, le dispositif de mesure de la sensibilité d'un capteur de champ magnétique à effet Hall utilise une fonction d'auto-calibration qui comprend une bobine entourant le capteur à effet Hall, générant un champ magnétique de calibration d'amplitude connue et de fréquence connue bien supérieure à la fréquence du champ magnétique extérieur à mesurer, ce champ magnétique de calibration étant réalisé à partir d'un multiplexeur de courant délivrant un signal carré fait de créneaux symétriques de valeur moyenne nulle. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représentés par les figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente un schéma de principe de l'ensemble du dispositif conforme à l'invention. - La figure 2 donne un schéma de principe d'un détail du dispositif concernant un multiplexeur de courant. Le dispositif de mesure de la sensibilité d'un capteur de champ magnétique à effet Hall schématisé dans la figure 1 comporte les éléments suivants pouvant par exemple être réalisés en technologie CMOS : - un capteur de champ magnétique à effet Hall 10 soumis d'une part à un champ magnétique extérieur 13,x, dont on veut mesurer la valeur et d'autre part à un champ magnétique de calibration B,,,,, généré par une bobine 23, de fréquence et d'amplitude connues, - un premier filtre passe-bas 11 recevant en entrée une tension V,,,, délivrée par le capteur à effet Hall 10, - un élément soustracteur 16 dont une première entrée est le signal de sortie du premier filtre passe-bas 11, et dont la deuxième entrée est la tension Vhail délivrée par le capteur 10, - un ensemble redresseur 15 composé d'un échantillonneur bloqueur 12 pour obtenir la valeur efficace du signal issu de l'élément soustracteur 16, suivi d'un deuxième filtre passe-bas 13 pour éliminer l'ondulation créée par le déphasage du premier filtre passe-bas 11, - une source de tension continue 20 de type band-gap délivrant une tension de référence Vref, - un convertisseur analogique-numérique 14 utilisant comme référence la tension V,,,f et comme entrée le signal redressé issu de l'ensemble redresseur 15, - une résistance de précision 21 de valeur R, possédant un très faible coefficient de température, raccordée d'un côté à la source de tension 20 et de l'autre côté à un miroir de courant 24, - un miroir de courant 24 relié d'une part à la résistance 21 et d'autre part à un multiplexeur de courant 22, - un multiplexeur de courant 22 délivrant un courant haché lb,,b de valeur moyenne nulle à partir d'un signal d'horloge clk de fréquence F,,,, destiné à polariser: - une bobine 23 entourant le capteur à effet Hall 10 et qui génère un champ magnétique Bc,, proportionnel à ce courant de polarisation lblb. Le fonctionnement détaillé du dispositif suivant le mode de réalisation des figures 1 et 2 va maintenant être décrit. Une tension de référence V,ef issue de la source de tension continue 20, génère un courant Il en traversant la résistance de précision 21, tel que Vr"f R x Il. La valeur R de cette résistance 21 possédant un très faible coefficient de température, les variations de V,,f dues à la température seront directement répercutées dans Il. Ce signal Il arrive en entrée d'un miroir de courant 24. La sortie de ce miroir de courant 24 se comporte comme une source de courant vis-à-vis du multiplexeur de courant 22 et délivre un signal 12 proportionnel à Il tel que 12 KI x Il, le coefficient KI étant fonction de la construction du miroir de courant 24. On peut choisir par exemple une valeur de K, comprise entre 1 et 5. La figure 2 donne un schéma de principe du multiplexeur de courant 22. A partir d'une tension continue Vdd compatible avec la technologie CMOS utilisée (par exemple Vdd de l'ordre de 5 V), le multiplexeur de courant 22 délivre un courant Lb dont le sens est inversé à chaque basculement d'un signal d'horloge clk de fréquence F,,,. La bobine 23 reçoit donc un courant 'bb d'amplitude +12 quand le signal clk est égal à 1 et d'amplitude -12 quand le signal clk est égal à 0. Le courant lbob a ainsi la forme d'un signal carré fait de créneaux symétriques de valeur moyenne nulle; de plus, il est indépendant des variations de la valeur de la tension Vdd et indépendant des variations de la résistance de la bobine 23 en fonction de la température puisque le miroir de courant 24 se comporte en permanence comme une source d'un courant 12 tel que 12 V'ef X K, / R . Lorsqu'elle est parcourue par le courant lb,b, la bobine 23 génère un champ magnétique de calibration B,al proportionnel à ltmb, de fréquence égale à Fa, et d'amplitude égale à K2 X 12 OU V,f x K2 x K, / R dans lequel K2 représente le coefficient de proportionnalité entre B,al et Lb. On remarque ainsi que l'amplitude de Bc,, est directement proportionnelle à la tension de référence V,,,,. Le capteur de champ magnétique à effet Hall 10 placé au centre de la bobine 23 est soumis à l'action de deux champs magnétiques. Un premier champ magnétique de calibration Bc,, généré par la bobine 23, de fréquence connue F,,, égale à la fréquence du signal d'horloge clk et d'amplitude connue, et un second champ magnétique extérieur B,,, dont on veut mesurer la valeur. La fréquence F,,, est bien supérieure à la fréquence F,,, du champ magnétique extérieur B,,, ; par exemple la fréquence Fai peut être supérieure à 1 kHz pour une fréquence F,.,, de l'ordre de 5OHz. Sous l'action de ces deux champs magnétiques, le capteur 10 délivre une tension Vh,ll qui est égale à la somme V,, + V,,j , dans lequel V,xj est de fréquence F,xj et d'amplitude égale au produit S x B,,,, , et V,,, est de fréquence F,,, et d'amplitude égale au produit S x Bai , où S représente la sensibilité du capteur 10. Un premier filtre passe-bas 11 de fréquence de coupure comprise entre F,x, et F,al est destiné à récupérer en sortie la tension basse fréquence V,,. Pour des fréquences supérieures à sa fréquence de coupure, ce filtre 11 se comporte comme un intégrateur. Le courant de polarisation IMb de la bobine 23 doit donc être de valeur moyenne nulle pour éviter la présence d'une tension supplémentaire en sortie du filtre il. L'élément soustracteur 16 placé après le premier filtre passe-bas 11 délivre ,a,. Cette tension a une forme de créneaux en sortie la tension haute fréquence V. symétriques de fréquence Fcal et d'amplitude égale au produit S x Bcal . L'ensemble redresseur 15, en sortie de l'élément soustracteur 16, reconstruit la valeur efficace de la tension V,,,, grâce à un échantillonneur bloqueur 12 synchronisé sur le signal d'horloge clk, puis élimine l'ondulation du signal grâce à un deuxième filtre passe-bas 13. On obtient donc en sortie de l'ensemble redresseur 15 un signal dont la valeur est égale à S x 13,,, ou S x V, & x K2x K, / R et qui est connecté à l'entrée du convertisseur analogique-numérique 14. La tension V#f issue de la source de tension continue 20 sert également de référence au convertisseur analogique-numérique 14. Comme le signal d'entrée du convertisseur 14 est proportionnel à la tension V,f, alors le fait d'utiliser directement cette même tension V,f comme référence pour le convertisseur 14 permet d'obtenir en sortie du convertisseur 14 un signal U,,,, numérique indépendant de toute variation de V,,f. De plus ce signal U,,, est indépendant de toute variation de la résistance de la bobine 23 (donc insensible aux dispersions liées aux procédé de fabrication) et est directement proportionnel à la sensibilité S du capteur à effet Hall 10. A partir de ce signal U,,, représentatif de la sensibilité S du capteur, et en combinaison avec le signal V,,,t égal au produit S x B.,, issu du premier filtre passe- bas 11, on sera alors capable de fournir une mesure fiable du champ magnétique extérieur 13,, que l'on souhaite mesurer, par exemple au moyen d'un diviseur non décrit dans la présente invention. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et des perfectionnements de détail comme par exemple l'adjonction d'un dispositif de correction d'offset du capteur et de l'électronique associée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la sensibilité d'un capteur de champ magnétique à effet Hall (10) par utilisation d'une fonction d'auto-calibration du capteur comprenant une bobine (23) générant un champ magnétique de calibration (B,,,) d'amplitude connue et de fréquence connue supérieure à la fréquence du champ magnétique extérieur (B..) à mesurer, caractérisé par le fait que le champ magnétique de calibration (B,,,) généré par la bobine (23) est réalisé à partir d'un multiplexeur de courant (22) délivrant un courant haché (1bob) fait de créneaux symétriques d'amplitude fixe et de valeur moyenne nulle. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que un signal de ,2# tension représentant le champ magnétique de calibration (B,,) est utilisé en entrée d'un convertisseur analogique-numérique (14), lequel convertisseur utilise une tension de référence (V,f) ayant également servi à créer le courant haché (1bob) issu du multiplexeur de courant (22) pour générer ledit champ magnétique de calibration (Bc,,), de façon à obtenir en sortie du convertisseur (14) un signal représentatif de la sensibilité (S) du capteur à effet Hall (10) indépendant de toute variation de la tension de référence(Vref)-