Brevet FR2802649A1 — publié le 20010622

MICROMAGNETOMETRE A PORTE DE FLUX A DETECTION PERPENDICULAIRE ET SON PROCEDE DE REALISATION DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un magnétomètre à porte de flux à détection perpendiculaire et son procédé de réalisation. Elle trouve une application en magnétométrie et plus particulièrement dans : # la localisation et l'orientation d'instruments médicaux, # le contrôle non destructif, # la mesure d'attitude sur systèmes de visée, # l'aide à la navigation, # le contrôle de trafic et d'accès, # la cartographie magnétique. Etat de la technique antérieure Les magnétomètres dits "à porte de flux" (ou "à vanne de flux" dits encore "fluxgate" en anglais) utilisent les propriétés des matériaux ferromagnétiques saturables. Un magnétomètre de ce type comprend en général un barreau ferromagnétique, un bobinage d'excitation et un bobinage de détection. Un courant variable (sinusoïdal ou triangulaire) circule dans le bobinage d'excitation et crée un champ magnétique variable, donc une induction variable dans le barreau. Dès que la saturation du matériau est atteinte, la perméabilité du barreau décroît fortement. Un champ supplémentaire qui serait appliqué ne conduirait pas à une augmentation sensible de l'induction, comme si la "porte" offerte au flux magnétique était fermée. En revanche, lors des passages par zéro du courant dans le bobinage d'excitation, la perméabilité du matériau est grande et la "porte" est ouverte au flux. D'où l'expression "porte de flux". L'induction variable dans le barreau produit en retour un flux magnétique variable dans le bobinage de détection, ce qui entraîne l'apparition d'un signal électrique aux bornes de ce bobinage. La présence d'un champ magnétique extérieur produit une distorsion dans ce signal et l'étude de ces distorsions permet de déterminer le champ extérieur. Le développement de la microtechnologie magnétique a permis la réalisation de micromagnétomètres de ce type ("microfluxgate"). Par la technique du dépôt électrolytique notamment, on sait réaliser des couches magnétiques et des bobinages à nappes de conducteurs de très petites dimensions. On peut trouver une description de ces micromagnétomètres à porte de flux dans les articles suivants : - "Microfluxgate magnetic sensing elements using closely-coupled excitation and pickup coils" par Shoji KAWAHITO et al. dans "Transducers 95- Eurosensors" IX 290-A12 ; - "A miniaturized magnetic field sensor system consisting of a planar fluxgate sensor and a CMOS readout circuitry" par R. GOTTFRIED- GOTTFRIED et al. dans "Sensors and Actuators" A 54 (1996), 443-447 ; - "High-resolution microfluxgate sensing elements using closely coupled coil structures" par Shoji KAWAHITO et al. dans "Sensors and Actuators" A 54 (1996) 612-617 ; - "A microfluxgate magnetic sensor using micromachined 3-Dimensional planar coils" par Trifon M. Liakopoulos et al. dans "Solid State Sensor and Actuator Workshop", June 98. Les figures 1A et 1B montrent, en vue de dessus et en coupe, un micromagnétomètre à porte de flux connu. Tel que représenté, il se compose de deux barreaux ferromagnétiques 10a et lOb, d'un double bobinage d'excitation 12 et d'un bobinage de détection 14. L'ensemble est réalisé sur un substrat non magnétique 16, par exemple en silicium. La coupe de la figure 1B correspond à un plan passant par un des rubans du bobinage 12. Dans le montage illustré, le bobinage de détection 14 ne voit aucun flux global puisque les inductions dans les deux barreaux 10a et lOb sont de sens opposés. Mais en présence d'un champ extérieur, l' équilibre est rompu et le signal détecté aux bornes du bobinage 14 reflète ce champ extérieur. Plus précisément, ce signal reflète la composante du champ parallèle au substrat 16 et, de plus, parallèle à l'axe longitudinal des barreaux 10a et lOb. Dans certaines applications, il est nécessaire de connaître l'amplitude du champ et sa direction, de sorte qu'il faut mesurer les trois composantes du champ selon trois directions orthogonales. Les micromagnétomètres connus sont sensibles à la composante du champ parallèle au substrat et donc permettent cette mesure selon deux directions orthogonales X et Y, si l'on dispose deux micromagnétomètres analogues sur un même substrat et si on leur donne des directions de travail orthogonales (respectivement X et Y). Avec deux micromagnétomètres analogues orientés selon Y et Z, on obtiendra les composantes du champ selon Y et Z. Donc, finalement, avec trois micromagnétomètres analogues orientés selon X, Y et Z, on peut obtenir les trois composantes souhaitées. En général, on assemble les deux micromagnétomètres sur les deux faces adjacentes d'un cube. Cependant, la précision de la mesure reste entachée d'erreurs dues à une découpe défectueuse du cube (défaut d'orthogonalité des faces) ou à un mauvais positionnement des magnétomètres lors du collage, etc... La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. Exposé de l'invention A cette fin, l'invention propose un micromagnétomètre qui est sensible à la composante du champ perpendiculaire au substrat (et non plus parallèle à celui-ci), autrement dit à la composante dirigée selon l'axe Z si les axes X et Y sont parallèles au substrat. Dès lors, la mesure des trois composantes d'un champ peut s'obtenir en combinant au micromagnétomètre de l'invention donnant la composante selon Z deux micromagnétomètres classiques disposés sur le même substrat et donnant les composantes selon X et Y. De façon précise, la présente invention a pour objet un micromagnétomètre à porte de flux comprenant un substrat et, sur ce substrat, au moins un coeur ferromagnétique entouré d'au moins un bobinage d'excitation et d'au moins un bobinage de détection, ce coeur et ces bobinages ayant même axe, ce micromagnétomètre étant caractérisé en ce que ledit axe est perpendiculaire au substrat. La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un tel micromagnétomètre caractérisé en ce que : - on part d'un substrat non magnétique dont au moins une partie est en un matériau isolant ; - on forme dans ce matériau isolant deux bobinages conducteurs entourant une zone centrale ; - on grave cette zone centrale pour former une empreinte d'axe perpendiculaire au substrat ; - on remplit cette empreinte de matériau ferromagnétique. Brève description des dessins - les figures 1A et 1B, déjà décrites, montrent un micromagnétomètre à porte de flux selon l'état de la technique ; - la figure 2 montre un micromagnétomètre selon l'invention dans un mode de réalisation où le coeur est constitué d'une seule pièce magnétique ; - les figures 3A et 3B montrent un micromagnétomètre dans un mode de réalisation où le coeur est formé d'aiguilles ; - la figure 4 montre un micromagnétomètre double à montage différentiel ; - la figure 5 illustre une variante à circuit magnétique fermé ; - la figure 6 illustre un mode de réalisation à double bobinage d'excitation ; - la figure 7 illustre un mode de réalisation dans lequel les bobinages sont situés dans un même plan ; - la figure 8 montre un micromagnétomètre apte à mesurer deux composantes orthogonales d'un champ magnétique. Description détaillée de modes particuliers de réalisation La figure 2 illustre un cas simple où le coeur ferromagnétique est constitué par un barreau unique. On voit ainsi un substrat 20, par exemple en silicium, un bobinage de détection 22, un bobinage d'excitation 24 (tous deux, par exemple, en cuivre) et un coeur ferromagnétique 26 (par exemple en FeNi). Les bobinages 22 et 24 ainsi que le coeur 26 ont même axe, référencé 28, axe qui est perpendiculaire au substrat 20. La section du barreau 26 peut être quelconque : carrée, rectangulaire, circulaire, ovoïde, etc... La forme des bobinages peut être, elle aussi, quelconque : circulaire, carrée, en spirale, etc... l'essentiel étant que ces bobinages entourent au moins en partie le coeur. La section droite de ces bobinages peut être carrée ou rectangulaire ou autre. Le bobinage de détection n'est pas nécessairement situé sous le bobinage d'excitation, la situation inverse de celle illustrée étant possible. Sur les figures 3A et 3B, on voit un micromagnétomètre où le coeur n'est plus constitué d'un barreau unique mais d'une pluralité d'aiguilles ferromagnétiques. La figure 3A est une vue en coupe et la figure 3B une vue de dessus schématique. Un substrat 30 supporte un bobinage de détection 32 et un bobinage d'excitation 34, le coeur 36 étant supposé formé de 16 aiguilles réparties en carré (ce nombre et cette disposition n'étant naturellement donnés qu'à titre d'exemples). Cette disposition présente, par rapport à la précédente, l'avantage de réduire pour une épaisseur totale donnée de matériau magnétique, ce qui réduit l'effet des champs démagnétisants qui deviendraient excessifs pour certaines épaisseurs. La figure 4 montre, sur un même substrat 40, un premier bobinage de détection 421 et un premier bobinage d'excitation 441 entourant un premier coeur ferromagnétique 461, ainsi qu'un second bobinage de détection 422 et un second bobinage d'excitation 442 entourant un second coeur ferromagnétique 462 disposé à côté du premier. Les premiers bobinages 421, 441 et les seconds bobinages 422, 442 sont connectés selon un montage en opposition. On entend par là un montage tel que les flux magnétiques F1 et F2 dans les coeurs 461, 462 soient de sens opposés. Les cercles marqués d'une croix ou d'un point montrent le sens du courant circulant dans les conducteurs (vers l'arrière de la feuille pour la croix, vers l'avant de la feuille pour le point). L'ensemble fonctionne dès lors en différentiel. Sur la figure 5, l'ensemble représenté comprend encore un substrat 50, deux bobinages de détection 521, 522, deux bobinages d'excitation 541, 542 et deux coeurs 561, 562. Il comprend en outre deux branches magnétiques 58a, 58b parallèles au substrat 50 et reliant entre eux les deux coeurs 561, 562. Toutes les pièces magnétiques constituent donc un circuit fermé. Afin d'améliorer l'excitation, on peut ajouter un deuxième niveau d'excitation comme illustré sur la figure 6. On y voit un substrat 60, un bobinage de détection 621, 622, un bobinage d'excitation double 641, 64'1, 642, 64'2. Le bobinage de détection est situé sur un niveau intermédiaire disposé entre les deux niveaux du bobinage double d'excitation. L'ensemble est encore connecté en différentiel. Les bobinages d'excitation et de détection ne sont pas nécessairement disposés sur des niveaux différents mais peuvent occuper un même niveau comme illustré sur la figure 7. On y voit un substrat 70, un bobinage de détection 721, 722, un bobinage d' excitation 741, 742 et deux coeurs 761, 762. Le bobinage de détection 721, 722 a ses spires disposées entre les spires du bobinage d'excitation, toutes ces spires étant placées dans un même plan. L'ensemble est encore connecté en différentiel. La figure 8 montre un micromagnétomètre composite comprenant un premier micromagnétomètre M1 conforme à l'invention et un deuxième micromagnétomètre M// conforme à l'art antérieur. Ces deux micromagnétomètres partagent le même substrat 80. Le micromagnétomètre M1 comprend un enroulement de détection 82 et un double enroulement d'excitation 841, 842 ainsi qu'un coeur ferromagnétique 86. Il permet la mesure de la composante du champ selon une direction perpendiculaire au substrat 80 (flèche Z). Le deuxième magnétomètre M// comprend un coeur ferromagnétique 87 et des bobinages d' excitation et de détection 88 (on ne voit, en coupe, qu'une spire), le coeur et les bobinages ayant un même axe parallèle au substrat 80 (comme sur la figure 1B) . Ce deuxième micromagnétomètre M// permet la mesure de la composante du champ selon une direction parallèle au substrat (flèche Y perpendiculaire au plan de la feuille). Un troisième micromagnétomètre analogue au deuxième mais orienté selon une direction X perpendiculaire à Y et Z peut être disposé sur le même substrat 80, pour obtenir un dispositif sensible aux trois composantes de n'importe quel champ. La figure 9 illustre, enfin, un procédé de réalisation d'un micromagnétomètre selon l'invention. Cette figure se rapporte au cas particulier d'un coeur à pluralité d'aiguilles avec double bobinage d'excitation, mais il va de soi que le procédé de l'invention n'est pas limité à ce cas. On part d'un substrat non magnétique 90, par exemple en silicium. Sur ce substrat, on dépose une couche 92 de matériau isolant, par exemple de la silice obtenue par oxydation thermique. On pourrait également prendre comme substrat, un substrat de verre. Dans ce dernier cas, il n'est pas nécessaire de déposer une couche isolante. On forme dans ce matériau isolant, par exemple par photolithographie et gravure, une empreinte 94 ayant la forme du bobinage recherché et entourant la zone centrale 95 qui sera occupée par la suite par le coeur ferromagnétique (partie A). De préférence par croissance électrolytique d'un matériau conducteur (cuivre par exemple), on comble l'empreinte pour obtenir un bobinage 98 (partie B). On réitère ces opérations (nouvelle couche d'isolant, gravure d'une empreinte, dépôt électrolytique) pour réaliser un deuxième bobinage 100 (partie C). On redépose une couche d'isolant. Dans la zone centrale 95, on grave des tubes 102 destinés à recevoir les futures aiguilles du coeur (partie D) . De préférence par croissance électrolytique de matériau ferromagnétique (par exemple FeNi), on comble les tubes 102 et l'on obtient le coeur 104 (partie E). Par de nouvelles opérations de photolithographie, gravure et dépôt électrolytique, on forme un bobinage 108 (partie F), que l'on isole ensuite. Le bobinage 100 constituera un bobinage de détection et les bobinages 98,108 un double bobinage d'excitation. REVENDICATIONS 1. Micromagnétomètre à porte de flux comprenant un substrat (20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90) et, sur ce substrat, au moins un coeur ferromagnétique (26,36, 461, 462, 561, 562, 661, 662, 86) entouré d'au moins un bobinage d'excitation (22,32, 421, 422, 521, 522,62, 72,82) et d'au moins un bobinage de détection, ce coeur et ces bobinages ayant même axe (28), caractérisé en ce que ledit axe (28) est perpendiculaire au substrat (20,30, 40,50, 60,70, 80, 90). 2. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le coeur présente la forme d'un barreau unique (26) . 3. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le coeur (36, 461, 462, 561, 562, 661, 662, 761, 762, 86) est formé d'une pluralité d'aiguilles. 4. Micromagnétomètre selon la revendication 1, comprenant, sur un même substrat (40,50, 60, 70), un premier coeur ferromagnétique (461, 56i, 661, 761) entouré d'un premier bobinage d'excitation (441, 541, 641, 641', 741) et d'un premier bobinage de détection (421, 521, 621, 721, 82) et un second coeur ferromagnétique (462, 562, 642, 662', 762) disposé à côté du premier, entouré d'un second bobinage d'excitation (442, 542, 642, 642', 742) et d'un second bobinage de détection (422, 522, 622, 622', 722) , lesdits seconds bobinages et lesdits premiers bobinages étant connectés en différentiel. 5. Micromagnétomètre selon la revendication 4, comprenant en outre deux branches magnétiques (58a, 58b) parallèles au substrat (50) et reliant le premier (56i) et le second (562) coeurs ferromagnétiques, l'ensemble branches-coeurs (56i, 58a, 562,58b) formant un circuit magnétique fermé. 6. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le bobinage d' excitation et le bobinage de détection sont placés sur des niveaux différents par rapport au substrat. 7. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le bobinage d'excitation et le bobinage de détection sont placés sur un même niveau par rapport au substrat. 8. Micromagnétomètre selon la revendication 6, dans lequel le bobinage d'excitation est double (641, 641') ( 642, 642') et occupe deux niveaux superposés, le bobinage de détection (621, 622) étant situé sur un niveau disposé entre les deux niveaux du bobinage double d'excitation. 9. Micromagnétomètre comprenant un premier micromagnétomètre (Mj~) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et, sur le même substrat (80), un deuxième micromagnétomètre (M//) ayant un axe parallèle (Y) au substrat (80). 10. Micromagnétomètre selon la revendication 9, comprenant en outre un troisième micromagnétomètre ayant un axe parallèle (X) au substrat (80) et perpendiculaire à l'axe (Y) du deuxième magnétomètre (M//). 11. Procédé de réalisation d'un micromagnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - on part d'un substrat non magnétique (90), dont au moins une partie est un matériau isolant ; - on forme dans ce matériau isolant deux bobinages conducteurs (98,100) entourant une zone centrale (95) ; - on grave cette zone centrale (95) pour former une empreinte (102) d'axe perpendiculaire au substrat (90) ; - on remplit cette empreinte de matériau ferromagnétique (104). 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel pour former l'empreinte on grave une pluralité de trous (102) dans l'isolant, perpendiculairement au substrat (90) . 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel on remplit l'empreinte réalisée dans la zone centrale (95) par croissance électrolytique d'un matériau ferromagnétique. 14. Procédé selon la revendication 11, dans lequel, pour former un bobinage conducteur, on forme, dans le matériau isolant (92), par photolithographie et gravure, une empreinte (94) ayant la forme du bobinage recherché et entourant la zone centrale (95) et on comble cette empreinte par un matériau conducteur (98).