Brevet FR2799551A1 — publié le 20010413

I La présente invention concerne un circuit pour déterminer un champ magnétique extérieur, notamment pour for- mer un capteur d'angle, ayant entre un et quatre éléments ma- gnétorésistifs qui, en formant deux diviseurs de tension, peuvent être combinés en un pont. L'invention concerne également un procédé pour déterminer l'alignement d'un champ magnétique extérieur à l'aide de un à quatre éléments magnétorésistifs combinés pour former deux diviseurs de tension constituant un montage en l0 pont. On connaît par exemple, selon le document DE 196 14 460 Al, un circuit pour déterminer un champ magné- tique, dans lequel des éléments magnétorésistants sont combi- nés sous la forme d'un pont. Les éléments magnétorésistants ainsi utilisés sont réalisables par exemple par l'application de matières de vannes Spin. Des éléments de vannes Spin sont, dans le cas le plus simple, des systèmes à trois couches ex- trêmement minces comprenant deux couches magnétiques ayant chacune une épaisseur de l'ordre de 0,1 à 10 nm, et une cou- che intermédiaire non magnétique ayant une épaisseur analo- gue. L'une des deux couches magnétiques a une aimantation extrêmement douce et s'aligne facilement dans un champ magné- tique extérieur. La seconde couche magnétique présente une caractéristique magnétique dure et, dans le cas idéal, son amplitude ne dépend pas de la direction de champs magnétiques extérieurs. La seconde couche magnétique fonctionne ainsi comme aimantation de référence. Par un choix approprié des épaisseurs de couche, on aura une variation de résistance dé- pendant du champ magnétique, qui dépend de la direction a du champ magnétique extérieur. La résistance Ri(a), c'est-à-dire la résistance d'un tel élément magnétorésistant s'exprime par la formule: Ri (a) = Ro+ARcos (c+pi). Dans cette formule, Ro représente la résistance de décalage qui dépend elle-même de la résistance spécifique de la matière ainsi que de la longueur et de la largeur du chemin résistant; AR correspond à l'amplitude de la varia- tion de résistance et vi représente l'angle entre une direc- tion de tarage du champ extérieur et de la direction du mo- ment magnétique dans la couche de référence. La fonction co- sinus est définie de manière biunivoque dans la plage comprise entre 0 et 180 et ainsi un capteur qui, dans le cas le plus simple, se compose d'une unique bande d'une telle matière de valve Spin, permet de mesurer des angles compris entre 0 et 1800. Pour générer une résistance indépendante de Ro, on combine en général quatre bandes résistantes sous la forme d'un pont. Cela peut se faire à la fois sur une puce (la structure du capteur se compose de quatre chemins résistants) ou sous la forme de quatre composants indépendants. Les ai- mantations de référence des éléments magnétorésistants du pont doivent, au moins en partie, être différentes. Pour réaliser un capteur d'angle de 360 , il est nécessaire jusqu'à présent de disposer d'un autre pont tourné de 90 par rapport au premier pont. On peut alors mesurer si- multanément des signaux sinus et cosinus. Sur la base de si- gnaux sinus et cosinus connus, on peut alors de la manière la plus simple, définir par la fonction arc tangente, un angle biunivoque dans la plage comprise entre 0 et 3600. Mais du fait de la miniaturisation croissante, on cherche à réaliser de tels capteurs de la manière aussi peu encombrante que possible. En outre, on constate qu'avec une surface globale réduite d'un tel capteur, on aura une moindre sensibilité aux inhomogénéités locales de la direction du champ et un fonctionnement plus précis. La présente invention a pour but de développer un capteur d'angle, de construction aussi petite que possible et permettant une définition biunivoque de l'angle dans une plage angulaire comprise entre 0 et 3600. Ce problème est résolu selon l'invention par un circuit du type défini cidessus, caractérisé en ce que grâce à des moyens de câblage souples des éléments magné- torésistifs, dans un premier état de fonctionnement, un premier et un second éléments magnétorésistifs forment un premier diviseur de tension tandis qu'un troisième et un quatrième éléments magnétorésistifs forment un second di- viseur de tension, et * dans un second état de fonctionnement, les premier et qua- trième éléments magnétorésistifs forment un premier divi- seur de tension tandis que les second et troisième éléments magnétorésistifs forment un second diviseur de tension. Ce problème est également résolu par un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que * dans un premier état de fonctionnement, pour obtenir un signal associé au premier champ d'aimantation, on branche un premier élément magnétorésistif et un second élément magnétorésistif pour former un premier diviseur de ten- sion, ainsi qu'un troisième élément magnétorésistif et un quatrième élément magnétorésistif pour former un second diviseur de tension, et * dans un second état de fonctionnement, pour obtenir un se- cond signal associé au champ magnétique, on branche le premier élément magnétorésistif et le quatrième élément magnétorésistif pour former un premier diviseur de ten- sion, et on branche le second élément magnétorésistif et le troisième élément magnétorésistif pour former un second diviseur de tension. L'invention permet ainsi, en utilisant uniquement un montage en pont comportant quatre résistances magnétoré- sistives, d'indiquer la direction d'un champ magnétique exté- rieur, sans équivoque, dans une plage de 3600. Le circuit selon l'invention est beaucoup plus petit que les circuits connus, car il ne nécessite que quatre éléments magnétorésis- tifs à la place des huit utilisés actuellement. Suivant des développements avantageux de l'inven- tion: * les éléments magnétorésistifs ont des aimantations de ré- férence d'alignements différents, * les aimantations de référence des éléments magnétorésis- tifs sont tournées chaque fois de 90 , * dans les premier et second états de fonctionnement, on gé- nère des signaux chaque fois déphasés de 90 , notamment des signaux cosinus et sinus, * on détermine l'alignement du champ magnétique extérieur à l'aide d'une fonction arc-tangente en formant le quotient des signaux déphasés de 900. Selon un mode de réalisation préférentiel du pro- cédé de l'invention, pendant les premier et second états de fonctionnement, on génère des signaux déphasés chaque fois de 90 . A partir de tels signaux, on peut générer séquentielle- ment des valeurs de mesure à partir desquelles on détermine, de la manière la plus simple, l'alignement d'un champ magné- tique extérieur. Ainsi, il est par exemple possible, dans le premier état de fonctionnement, de déterminer un signal cor- respondant au cosinus de l'angle d'alignement du champ magné- tique recherché et, pendant le second état de fonctionnement, un signal correspondant au sinus de l'angle d'alignement de ce champ magnétique. De manière avantageuse, on détermine l'angle d'alignement du champ magnétique recherché par la fonction arc-tangente en formant le quotient des signaux déphasés de . Il est connu en soi de déterminer l'angle en utilisant la fonction arc-tangente à partir des valeurs de sinus et de cosinus connues, et d'exécuter cette détermination par un calcul relativement réduit. Selon un mode de réalisation préférentiel du cir- cuit de l'invention, les éléments magnétorésistifs ont des aimantations de référence de directions différentes. L'aiman- tation de référence désigne, comme déjà indiqué, par exemple dans le cas d'éléments magnétorésistifs formés de trois cou- ches, l'alignement magnétique d'une couche magnétique dure qui, dans le cas idéal, conserve son alignement d'aimantation d'origine même pour des champs magnétiques extérieurs d'amplitude relativement importante. De façon avantageuse, les aimantations de réfé- rence des éléments magnétorésistifs respectifs sont tournées chaque fois de 90 . Si les aimantations de référence des qua- tre éléments magnétorésistifs d'un pont sont par exemple ali- gnées sur les angles 0 , 90 , 180 et 270 , on peut exploiter les signaux avec des calculs particulièrement simples. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: * la figure 1 est un schéma servant à décrire le circuit connu pour déterminer l'alignement d'un champ magné- tique extérieur et comprenant deux ponts juxtaposés, * la figure 2 montre un mode de réalisation pré- férentiel du circuit de l'invention dans les premier et se- cond états de fonctionnement. La figure 1 montre un circuit permettant de dé- terminer l'alignement d'un champ magnétique extérieur. Le circuit se compose d'un premier pont 1 et d'un second pont 2 tourné de 90 par rapport au premier pont. Le premier pont 1 se compose de quatre éléments magnétorésistifs, notamment sous forme de bandes résistantes. Les quatre éléments magné- torésistifs portant les références la, lb, lc, ld peuvent être réalisés sur une puce ou encore sous la forme de quatre composants indépendants. Les éléments magnétorésistifs la, lb, lc, ld ont des aimantations de référence différentes (1, (D2, D3, (4 (comme le montre la figure). Les aimantations de référence de deux résistances opposées la, lc ou lb, ld sont tournées ou déphasées de 180 . Les éléments magnétorésistifs la, lb forment un premier diviseur de tension; les éléments magnétorésistifs lc, ld forment un second diviseur de tension dans le pont 1. En appliquant une tension extérieure Uo et en comparant les tensions partielles des deux diviseurs de ten- sion pour obtenir une tension Ubrl, on fournit, selon l'alignement du champ magnétique extérieur à constater, une courbe de signal Ubrl de type cosinus comme celle de la par- tie inférieure de la figure 1. Un tel pont utilisé comme cap- teur d'angle ou générateur d'angle donne un angle associé sans équivoque dans une plage angulaire comprise entre 0 et . Un capteur d'angle de 360 peut se réaliser en complétant la construction décrite par un autre pont tourné de 90 par rapport au pont représenté. Un tel pont porte glo- balement la référence 2 à la figure 1. Le pont 2 est composé d'éléments résistants magnétorésistifs 2a, 2b, 2c, 2d de ré- sistances R1, R2, R3, R4 ou d'aimantations de référence ()i, ()2, ()3, () 4. La construction de ce second pont correspond à celle du premier pont 1, ce qui permet de ne pas répéter cette description. Le pont 2 donne une seconde courbe de si- gnal Ubr2 de forme sinusoïdale. A l'aide de la fonction arc- tangente, sur la base des signaux sinus et des signaux cosi- nus obtenus, on peut calculer l'angle d'alignement du champ magnétique extérieur en procédant de manière simple. Le circuit selon l'invention, permettant notam- ment la mise en oeuvre du procédé de l'invention, sera décrit ci-après à l'aide de la figure 2. Le circuit de l'invention porte globalement la référence 3. A la figure 2, on a repré- senté à gauche un premier état de fonctionnement et à droite de la figure 2, on a représenté un second état de fonctionne- ment du circuit 3. La différence principale avec la référence ci-dessous au circuit décrit à la figure 1, selon l'état de la technique, réside dans le fait que, selon l'invention, il n'y a que quatre éléments résistants 3a, 3b, 3c, 3d. Les élé- ments résistants magnétorésistifs 3a, 3b, 3c, 3d ont des va- leurs respectives R1, R2, R3, R4 ou des aimantations de référence (1D, c)2, (D3, (4 comme celles représentées aux figu- res 2a, 2b. Les aimantations de référence sont tournées ou déphasées de 900 les unes par rapport aux autres (00, 90 , , 270 ). Dans un premier état de fonctionnement, les élé- ments magnétorésistifs 3a, 3b forment un premier diviseur de tension et les éléments 3c, 3d un second diviseur de tension. En appliquant une tension extérieure Uo, on obtient, comme pour le premier pont de la figure 1, un signal de tension en forme de cosinus Ubrl. Le pont 3 est commuté pour présenter un second état de fonctionnement; les éléments magnétorésistifs 3a, 3b forment un premier diviseur de tension et les éléments magné- torésistifs 3b et 3c forment un second diviseur de tension. Sur la base de ce montage du pont 3, on obtient, en tenant compte des aimantations de référence respectives, un signal sinusoïdal Ubr2. Les courbes respectives des signaux, pour des alignements différents d'un champ magnétique extérieur, sont représentées dans la partie inférieure de la figure 2. Le circuit souple, représenté, des éléments magnétorésistifs est réalisable par exemple à l'aide de diodes. On est ainsi en mesure de former séquentiellement des ponts différents qui donnent d'une part un signal correspondant à une courbe cosi- nus et d'autre part un signal correspondant à une courbe si- nus. Ces moyens permettent de construire un capteur d'angle biunivoque avec seulement quatre éléments résistants pour une plage angulaire de 3600. Bien qu'on soit libre dans le choix des aimanta- tions de référence des éléments magnétorésistifs 3a, 3b, 3c, 3d du pont, il est intéressant, comme représenté, de choisir des aimantations de référence déphasées de 900. De tels si- gnaux sont, comme déjà décrit en référence à la figure 1, ex- ploités facilement en formant la fonction arc-tangente des quotients. R E V E N D I C A T IONS ) Circuit pour déterminer un champ magnétique extérieur, notamment pour former un capteur d'angle, ayant entre un et quatre éléments magnétorésistifs (3a, 3b, 3c, 3d) qui, en formant deux diviseurs de tension peuvent être combinés en un pont (3), caractérisé en ce que * grâce à des moyens de câblage souples des éléments magné- torésistifs (3a, 3b, 3c, 3c), dans un premier état de fonctionnement, un premier et un second éléments magnéto- résistifs (3a, 3b) forment un premier diviseur de tension, tandis qu'un troisième et un quatrième éléments magnétoré- sistifs (3c, 3d) forment un second diviseur de tension, et * dans un second état de fonctionnement, les premier et qua- trième éléments magnétorésistifs (3a, 3d) forment un pre- mier diviseur de tension, tandis que les second et troisième éléments magnétorésistifs (3c, 3c) forment un second diviseur de tension. 20) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments magnétorésistifs (3a, 3b, 3c, 3d) ont des aiman- tations de référence d'alignements différents. 3 ) Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les aimantations de référence des éléments magnétorésistifs (3a, 3b, 3c, 3d) sont tournées chaque fois de 900. 4 ) Procédé pour déterminer l'alignement d'un champ magnéti- que extérieur à l'aide de un à quatre éléments magnétorésis- tifs (3a, 3b, 3c, 3d) combinés pour former deux diviseurs de tension constituant un montage en pont (3), caractérisé en ce que * dans un premier état de fonctionnement, pour obtenir un signal associé au premier champ d'aimantation, on branche un premier élément magnétorésistif (3a) et un second élé- ment magnétorésistif (3b) pour former un premier diviseur de tension, ainsi qu'un troisième élément magnétorésistif (3c) et un quatrième élément magnétorésistif (3d) pour former un second diviseur de tension, et * dans un second état de fonctionnement, pour obtenir un se- cond signal associé au champ magnétique, on branche le premier élément magnétorésistif (3a) et le quatrième élé- ment magnétorésistif (3d) pour former un premier diviseur de tension, et on branche le second élément magnétorésis- tif (3b) et le troisième élément magnétorésistif (3c) pour former un second diviseur de tension. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans les premier et second états de fonctionnement, on génère des signaux chaque fois déphasés de 90 , notamment des si- gnaux cosinus et sinus. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on détermine l'alignement du champ magnétique extérieur à l'aide d'une fonction arctangente en formant le quotient des signaux déphasés de 90 .