Brevet FR2793035A1 — publié le 20001103

I La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer l'amplitude et/ou la direction d'un champ magnétique. On connaît des dispositifs pour effectuer une dé- tection d'angle de rotation sans contact par exemple selon le document DE-OS 195 43 562. Dans de tels dispositifs, on a un aimant porté par un arbre rotatif et dont on veut déterminer la position angulaire. Le champ magnétique qui varie avec l'angle de rotation de l'arbre est mesuré à l'aide de deux éléments de capteur ou plus simplement capteurs. Ces capteurs sont par exemple deux capteurs à effet Hall tournés l'un par rapport à l'autre d'un angle de 90 ; on peut également avoir deux capteurs magnétorésistifs décalés de 45 . Les capteurs ou éléments de capteur sont alimentés par des signaux de ten- sion alternative déphasés de manière appropriée. La combinai- son des signaux de sortie fournis par les capteurs donne un profil de signal représentatif de la position angulaire. Il est également connu d'utiliser des capteurs de champs magnétiques pour déterminer les champs magnétiques dont la direction est statique et l'amplitude varie toutefois avec le temps. Comme capteurs, on connaît à côté des capteurs évoqués ci-dessus également des capteurs GMR, c'est-à-dire des capteurs magnétorésistifs géants (" giant magnéto- resistance " GMR) qui, par comparaison aux capteurs usuels AMR (magnétorésistance anisotrope) ont une variation de ré- sistance importante en fonction du champ magnétique. En géné- ral, cette variation de résistance dépendant du champ magnétique dans de tels capteurs GMR doit toutefois être ex- ploitée dans des montages en pont relativement coûteux, car les signaux de capteur générés dépendent de la tension de fonctionnement et de la température. Le montage de tels cap- teurs GMR ou résistance dans un montage en pont est, comme indiqué, compliqué et ne permet que des mesures de gradient du champ magnétique si les différents éléments de capteur sont rapprochés dans l'espace. La protection magnétique de deux résistances GMR dans deux ponts est également une opéra- tion compliquée et dans le cas des couches minces conductri- ces magnétiques, cette solution crée des difficultés avec la saturation de champ de ces couches, mais alors on peut effec- tuer des mesures absolues de champ. La dépendance de la courbe caractéristique du capteur en fonction de la tempéra- ture n'est compensée que dans l'état d'équilibre du pont, de sorte qu'un circuit d'exploitation électronique est néces- saire (également à cause de la faible intensité du signal du capteur). La présente invention a pour but de permettre de déterminer de manière aussi simple que possible une amplitude et/ou une direction de champ magnétique. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type décrit ci-dessus caractérisé en ce que: - on soumet au moins un capteur magnétorésistif, notamment un élément de capteur GMR, à un premier champ magnétique à déterminer, - on soumet au moins ce capteur magnétorésistif à un champ de compensation magnétique variable dans le temps, - on détermine à un instant d'au moins un extremum d'un si- gnal dépendant du champ magnétique total composé du champ magnétique à déterminer et du champ de compensation, si- gnal provenant du capteur magnétorésistif, et - on détermine l'amplitude et/ou la direction du champ ma- gnétique à définir à partir de la base de l'amplitude et/ou de la direction du champ de compensation à au moins un instant. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, comprenant: - des moyens pour appliquer un premier champ magnétique à définir à au moins un élément de capteur magnétorésistif, notamment un élément de capteur GMR, - des moyens pour agir sur au moins ce capteur magnétorésis- tif avec un champ de compensation magnétique variable dans le temps, - des moyens pour déterminer au moins un instant d'un extre- mum de la dérivée en fonction du temps d'un champ magnéti- que global composé du champ magnétique à définir et du champ de compensation, et - des moyens pour déterminer l'amplitude et/ou la direction du champ magnétique à définir à partir de la base compre- nant l'amplitude et/ou la direction du champ de compensa- tion à au moins un instant. Selon l'invention, il est possible de déterminer l'amplitude et/ou la direction d'un champ magnétique en pro- cédant de manière simple. En déterminant l'amplitude et/ou la direction d'un champ de compensation dont l'amplitude et/ou la direction varient dans le temps, à l'instant d'un extremum du signal de résistance du capteur, c'est-à-dire par exemple à l'instant d'une compensation totale du champ magnétique à déterminer (compensation réciproque des champs magnétiques), on peut éviter qu'à la fois la valeur absolue de la résis- tance du capteur (qui dépend par exemple de la température) et la valeur absolue de l'effet du capteur ou la forme de sa fonction ou de sa courbe caractéristique n'influencent la précision de la mesure. Si l'on exploite par exemple le mou- vement d'aller et venue du champ de compensation, on peut également compenser l'hystérésis du capteur. Comme la gran- deur à mesurer (résistance du capteur à l'instant de la com- pensation totale du champ magnétique total) est transformée en un temps, on peut représenter simplement de manière numé- rique cette grandeur en utilisant un compteur. Selon un mode de réalisation préférentiel du pro- cédé de l'invention, au moins un instant de l'extremum du si- gnal de résistance du capteur magnétorésistif est défini en constatant un changement de signe algébrique grâce à la déri- vée du signal en fonction du temps. Des éléments différencia- teurs qui peuvent déterminer un changement de signe algébrique d'une dérivée en fonction du temps sont simples et peu coûteux. De façon avantageuse, pour déterminer le change- ment de signe algébrique, on utilise un différenciateur com- mandé en saturation, dont le signal de sortie saute lorsqu'on constate un extremum de la résistance du capteur magnétoré- sistif, d'un premier niveau à un second niveau. L'instant du changement de signe algébrique de la dérivée du signal résis- tant du capteur magnétorésistif se définit de manière très précise. Selon un autre développement préférentiel du pro- cédé de l'invention, on génère la forme de courant utilisée pour créer le champ de compensation à l'aide d'un compteur numérique et d'un convertisseur numérique/analogique coopé- rant avec ce compteur. De tels composants sont simples et peu coûteux; en pratique, ils se sont avérés robustes et fia- bles. De façon avantageuse, on effectue le champ de compensation appliqué à au moins un instant en constatant l'état de comptage du compteur numérique à cet instant. Un tel état de comptage se constate de manière simple et sûre et peut s'enregistrer dans une mémoire; cette information est alors disponible comme mesure de l'amplitude du champ de com- pensation et ainsi du champ magnétique à déterminer, dirigé dans la direction opposée. Il est en outre possible d'exécuter le champ de compensation appliqué à au moins un instant en constatant la surface sous une tension rectangulaire à la sortie de l'élément différenciateur. Une telle détermination analogique du champ de compensation est avantageuse pour certaines si- tuations. Au cas o on veut déterminer l'amplitude d'un champ magnétique de direction connue, on génère avantageuse- ment à l'endroit du capteur magnétorésistif, un champ de com- pensation variable dans le temps, dirigé à l'opposé du champ magnétique à déterminer. Cela peut se faire par exemple à l'aide d'une bobine enroulée autour du capteur ou à l'aide d'un conducteur qui croise le capteur à angle droit par rap- port au champ à déterminer. En outre, il est possible de réa- liser le capteur pour qu'il compense à zéro, de lui-même le champ magnétique à définir. Pour déterminer une amplitude connue dans une di- rection d'un champ magnétique, on génère avantageusement un champ magnétique tournant à l'endroit du capteur, champ dont l'amplitude correspond à celle du champ magnétique à définir. Dans ce cas, il est également suffisant de générer un champ magnétique tournant, non modulé qui produit par exemple à des intervalles de 180 , un changement de la fonction de capteur déduite, dans l'hypothèse que l'on se trouve dans la partie de la courbe caractéristique du capteur dépendant de l'intensité du champ. Il est à remarquer que le champ tour- nant magnétique ou le champ de compensation ne possède pas nécessairement la même amplitude que celle du champ à déter- miner, car même pour des champs d'amplitudes différentes, les extremums du signal de capteur qui se produisent permettent de déduire l'information souhaitée. Pour déterminer à la fois l'amplitude et la di- rection d'un champ magnétique, il est prévu de générer à l'endroit du capteur magnétorésistif, un champ magnétique tournant, modulé en amplitude. Un tel champ magnétique se crée par exemple à l'aide de deux courants sinusoïdaux circu- lant dans des directions orthogonales. Le vecteur résultant d'un champ magnétique ainsi généré passe ainsi comme par exemple dans le cas d'une rotation rapide et d'une modulation lente, sur une spirale, d'une valeur nulle jusqu'à une valeur maximale. Le critère d'exploitation correspond en principe à ce qui a déjà été décrit; l'angle à définir se calcule à partir des valeurs instantanées des courants sinusoïdaux (c'est-à-dire des courants sinusoïdaux à l'instant de la sup- pression totale du champ magnétique résultant et on calcule le champ à partir de l'amplitude du vecteur somme. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un montage pour appliquer un champ magnétique de compensation à un capteur GMR, - la figure 2 montre la courbe caractéristique d'un signal de résistance de capteur en fonction du champ magnétique total, - la figure 3 montre la courbe du signal fourni par un élé- ment différenciateur limiteur avec le signal de la figure 2 comme signal d'entrée, - la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'un élé- ment de capteur GMR ave.c des conducteurs de courant pour générer un champ magnétique tournant, - la figure 5 montre la courbe caractéristique d'un signal de capteur à résistance dans le cas d'un champ tournant de compensation, d'amplitude constante, - la figure 6 montre le signal de sortie du capteur d'un différenciateur qui reçoit le signal selon la figure 5 comme signal d'entrée. La figure 1 montre un élément de capteur GMR 1 avec une isolation 2 appliquée sur un substrat 3. L'isolation 2 est munie d'un conducteur électrique 4 comme bande de com- pensation du champ. L'élément de capteur GMR 1 est soumis à l'action d'un certain champ magnétique M schématisé par trois flèches parallèles. En faisant passer un courant correspon- dant à travers la bande de compensation de champ 4, on génère un champ magnétique de compensation dont la direction est op- posée à celle du champ magnétique M à déterminer. Le passage du courant à travers la bande de com- pensation de champ 4 est commandé à l'aide d'un convertisseur numérique/analogique 7 soumis à l'action d'un compteur numé- rique 6. Le compteur numérique 6 est lui-même cadencé par une horloge 8. Le courant est compté à l'aide de la fréquence de cadence générée par l'horloge dans le compteur numérique pour être converti par le convertisseur numérique/analogique 7 en un courant analogique variable dans le temps. Le champ magné- tique (champ de compensation) généré autour de la bande de compensation de champ 4 est ainsi variable selon le courant variable dans le temps, également en un minimum et un maxi- mum. Cela signifie que par un choix approprié du courant maximum ou minimum à travers la bande de compensation de champ 4, on garantit qu'à un instant déterminé de manière précise, le champ de compensation magnétique généré par le passage du courant à travers la bande de compensation de champ 4 compense totalement le champ magnétique à mesurer, c'est-à-dire que l'on obtient un champ magnétique total ré- sultant H égal à zéro. A cet instant (champ magnétique total H résultant égal à zéro), la valeur de la résistance Rcapteur de l'élément de capteur GMR est maximale comme cela est re- présenté schématiquement à la figure 2. Pour déterminer cet instant, on transmet le si- gnal de résistance Rcapteur, ou un signal associé au signal de résistance Rcapteur du capteur GMR 1 ou de la couche de capteur GMR, par exemple des valeurs d'intensité ou de ten- sion proportionnelles au signal de résistance, à un élément différenciateur 5 qui, lorsque le signal de résistance at- teint le maximum, saute d'un niveau H à un niveau L comme ce- la est représenté schématiquement à la figure 3. L'instant du changement de signe algébrique est transmis à un élément de déclenchement 9 par un signal correspondant constatant l'état du compteur numérique à cet instant déterminé et l'enregistrant dans une mémoire numérique. Comme l'état de comptage du compteur numérique est associé sans équivoque à un courant traversant la bande de compensation de champ 4, qui correspond lui-même à un champ de compensation d'une cer- taine amplitude, on définit ainsi le champ magnétique à mesu- rer dont l'amplitude correspond à celle du champ de compensation, mais dont le sens est oppose. Dans le cas d'un capteur combiné d'angle à 360 et d'intensité de champ, il faut moduler deux courants sinu- soïdaux déphasés de 90 pour créer un champ de compensation. Une association de deux bandes de champ de compensation 4a, 4b perpendiculaires l'une à l'autre à cet effet est représen- tée à la figure 4. La vue en perspective, éclatée de la fi- gure 4 laisse apparaître entre les bandes de champ de compensation 4a, 4b, un élément GMR 1, en forme de méandres ainsi que l'isolation 2 entourant cet élément. Par une modu- lation appropriée des courants passant dans les bandes de compensation de champ 4a, 4b, on génère un champ de compensa- tion d'amplitude et de direction variable. L'exploitation du champ de compensation ou du champ total résultant de la com- binaison avec le champ magnétique à mesurer se fait de façon analogue en utilisant la procédure décrite à la figure 1. Pour déterminer uniquement l'angle d'un champ ma- gnétique extérieur à définir, il suffit d'un champ magnétique tournant, non modulé, qui produit à des intervalles de 180 , un changement de signe algébrique de la fonction de résis- tance déduite du capteur. Il n'est pas nécessaire pour cela que l'amplitude du champ magnétique tournant corresponde à l'amplitude du champ magnétique extérieur que l'on veut dé- terminer. Cela sera décrit de manière plus détaillée à l'aide des figures 5 et 6. A la figure 5, on suppose que El et E2 représentent les valeurs maximale et minimale de la résis- tance du capteur GMR, valeurs qui se produisent lorsque le champ de compensation ne correspond pas exactement en ampli- tude à celles du champ à mesurer. La plage de travail du cap- teur GMR (ou élément de capteur) est représentée par une courbe tracée en trait épais entre les points El et E2. On reconnaît par exemple qu'il ne peut y avoir de suppression complète réciproque des champs magnétiques et la valeur maxi- male absolue de la résistance pour laquelle on aurait une in- tensité totale de champ magnétique H égale à zéro est une valeur qui n'est pas atteinte ici. La plage angulaire corres- pondant à l'intervalle entre les points El et E2 est ici de comme cela est indiqué à la figure 6. Dans le cas d'une rotation monotone du champ de compensation, on arrive à une variation du signal de résistance de l'élément de capteur 1 entre les valeurs El et E2 (mouvement de va et vient). Lors- qu'on atteint le point El ou le point E2, de façon analogue à ce qui a déjà été décrit en relation avec la figure 1, on ar- rive à une variation de signe algébrique de la dérivée du si- gnal de résistance que l'on peut de nouveau constater à l'aide d'un différenciateur comme cela est représenté à la figure 6. Les instants des différents sauts du signal du dif- férenciateur se produisent simultanément avec un alignement parallèle ou antiparallèle entre le champ de compensation et le champ à mesurer. Si on commande, par exemple, le mouvement angulaire du champ de compensation, de manière numérique, il est possible de façon analogue, de détecter, mémoriser et fournir un signal angulaire existant à l'instant d'un saut du signal angulaire du différenciateur. Il est à remarquer que les courants traversant les bandes de compensation de champ 4, 4a, 4b en cas de dif- ficulté, par exemple à cause d'une forte élévation de tempé- rature, -dans les éléments GMR réalisés comme des conducteurs en couche mince, peuvent être des courants pulsés. REV E N D I C A T I ON S 1 ) Procédé pour déterminer l'amplitude et/ou la direction d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu': - on soumet au moins un capteur magnétorésistif (1), notam- ment un élément de capteur GMR, à un premier champ magné- tique à déterminer, - on soumet au moins ce capteur magnétorésistif (1) à un champ de compensation magnétique variable dans le temps, - on détermine un instant d'au moins un extremum d'un signal dépendant du champ magnétique total composé du champ ma- gnétique à déterminer et du champ de compensation, signal provenant du capteur magnétorésistif, et - on détermine l'amplitude et/ou la direction du champ ma- gnétique à définir à partir de la base de l'amplitude et/ou de la direction du champ de compensation à au moins un instant. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins cet instant se définit en constatant un changement de signe algébrique de la dérivée en fonction du temps du si- gnal de capteur fourni par le capteur magnétorésistif (1). 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour constater le changement de signe algébrique de la déri- vée en fonction du temps, on utilise un élément différencia- teur (5) commandé en saturation, dont le signal de sortie saute d'un premier à un second niveau lorsque se produit un extremum du signal du capteur magnétorésistif (1). 4 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' on génère un courant variable utilisable pour générer le champ de compensation à l'aide d'un compteur numérique (6) et d'un convertisseur numérique analogique (7) coopérant avec de compteur. Il ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu' on détermine le champ de compensation existant à au moins un instant en déterminant l'état de comptage du compteur numéri- que (6) à au moins un instant. 6 ) Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu' on détermine le champ de compensation appliqué à au moins un instant en déterminant la surface d'une tension rectangulaire à la sortie de l'élément différenciateur (5). 7 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour déterminer l'amplitude d'un champ magnétique de direc- tion connu à l'endroit du capteur magnétorésistif (1), on gé- nère un champ de compensation, variable dans le temps, de sens opposé à celui du champ magnétique à déterminer. 8 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour déterminer une direction d'un champ magnétique d'une am- plitude connue ou inconnue à l'endroit du capteur magnétoré- sistif (1), on génère un champ magnétique tournant. 9 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour déterminer une amplitude et une direction d'un champ ma- gnétique à l'endroit du capteur magnétorésistif (1), on gé- nère un champ magnétique tournant modulé en amplitude. ) Dispositif pour déterminer une amplitude et/ou une di- rection d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens pour appliquer un premier champ magnétique à définir à au moins un élément de capteur magnétorésistif (1), notamment un élément de capteur GMR, - des moyens (4, 6, 7) pour agir sur au moins ce capteur magnétorésistif (1) avec un champ de compensation magnétique variable dans le temps,- des moyens pour déterminer au moins un instant d'un extre- mum de la dérivée en fonction du temps d'un champ magnéti- que global composé du champ magnétique à définir et du champ de compensation, et- des moyens (9) pour déterminer l'amplitude et/ou la direc- tion du champ magnétique à définir à partir de la base comprenant l'amplitude et/ou la direction du champ de com- pensation à au moins un instant.