Brevet FR2802650A1 — publié le 20010622

MICROMAGNETOMETRE A PORTE DE FLUX A SATURATION MAGNETIQUE HOMOGENE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un magnétomètre à porte de flux à saturation magnétique homogène. 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 (sinusoidal ou triangulaire) circule dans la bobine 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 éléments using closely coupled coil structures" par Shoji KAWAHITO et al. dans "Sensors and Actuators" A 54 (1996) 612-617 ; - "A micro fluxgate 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 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 une spire 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. Pour que l'effet de porte de flux soit obtenu, il faut que la partie de coeur magnétique située sous le bobinage de détection atteigne le régime de saturation sous l'effet du courant d'excitation. Ce régime doit être atteint rapidement pour éviter un trop fort courant d'excitation, ce qui entraînerait une augmentation de la consommation électrique. C'est pourquoi on utilise des matériaux à forte perméabilité. Par ailleurs, si le régime de saturation n'est pas établi dans la totalité du circuit magnétique, un bruit lié à l'instabilité des domaines magnétiques apparaît, qui réduit le rapport signal sur bruit. C'est ce qui se produit dans les magnétomètres de l'art antérieur. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. Exposé de l'invention A cette fin, l'invention prévoit que les propriétés géométriques et/ou magnétiques du coeur sont telles que, lorsque la saturation magnétique est établie dans la zone d'excitation, elle l'est aussi hors de cette zone. On entend par zones d'excitation les parties du coeur entourées par les bobinages d'excitation. Plusieurs moyens sont possibles selon l'invention : on peut augmenter la section droite du coeur dans les zones d'excitation (par augmentation de la largeur et/ou de l'épaisseur) ou augmenter l'aimantation à saturation dans ces zones par un choix judicieux des matériaux, ou encore conjuguer les deux moyens. Comme le flux de l'induction se conserve dans le circuit magnétique, l'induction sera nécessairement plus faible dans les zones d'excitation que dans le reste du circuit, de sorte que si le régime de saturation est obtenu dans lesdites zones, il le sera a fortiori dans le reste du circuit. De façon précise, l'invention a pour objet un micromagnétomètre à porte de flux comprenant un coeur en matériau ferromagnétique apte à présenter une saturation magnétique, ce coeur présentant au moins une zone d'excitation entourée d'un bobinage d'excitation et au moins une zone de détection entourée d'un bobinage de détection, caractérisé en ce que les propriétés géométriques ou magnétiques du coeur sont telles que, lorsque la saturation magnétique est établie dans une zone d'excitation, elle l'est aussi hors de cette zone. Par "ou" on entend une alternative non exclusive, c'est-à-dire que l'on peut jouer soit sur les propriétés géométriques, soit sur les propriétés magnétiques, soit sur les deux en même temps. 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 dans un mode de réalisation où le coeur présente des élargissements dans les zones d'excitation ; - la figure 3 montre un micromagnétomètre dans un mode de réalisation où le coeur présente des surépaisseurs dans les zones d'excitation ; - la figure 4 montre un micromagnétomètre dans lequel les zones d'excitation sont en un matériau dont l'aimantation à saturation est plus forte que celle du matériau des autres zones ; - la figure 5 montre un micromagnétomètre combinant les dispositions des figures 2 et 3 (élargissements et surépaisseurs). Description de modes particuliers de réalisation Sur les figures 2 à 5, il est supposé que le coeur ferromagnétique 20 présente la forme d'un rectangle, mais l'invention n'est évidemment pas limitée à ce cas. Le coeur pourrait être carré ou circulaire ou encore être sous la forme de plusieurs barreaux parallèles. Par ailleurs, ces figures ne montrent pas les bobinages d'excitation ou de détection ni les moyens de mesure. Il faut comprendre que ces différents moyens sont bien connus de l'homme de l'art et qu'il peut s'agir, par exemple, des moyens des figures 1A et 1B ou des moyens divulgués dans les références citées. Enfin, si les variantes illustrées montrent, sur chaque branche du circuit, deux zones d'excitation séparées par une zone de détection, ce n'est là encore qu'à titre d'exemple non limitatif. La figure 2 illustre un mode de réalisation dans lequel les zones d'excitation Ze sont élargies, par rapport au reste du coeur. Le coeur 20 est ainsi formé d'une couche ferromagnétique présentant une même épaisseur sur l'ensemble du circuit mais des largeurs plus grandes dans les zones d'excitation Ze que dans les zones de détection Zd et dans les parties latérales 21. Il est clair que si la saturation magnétique est @ établie dans ces zones larges, elle le sera a fortiori dans les autres zones plus étroites. Sur la figure 3, la couche ferromagnétique formant le coeur 20 a même largeur sur l'ensemble du circuit mais présente une surépaisseur dans les zones d'excitation Ze. Ces surépaisseurs référencées 22 sont obtenues soit en utilisant le même matériau ferromagnétique que pour l'ensemble du coeur, soit en utilisant un matériau présentant une aimantation à saturation plus grande que celle du coeur. La figure 4 montre, en coupe, une variante où l'on utilise un premier matériau ferromagnétique 26 ayant une première aimantation à saturation et un second matériau ferromagnétique 28 ayant une seconde aimantation plus faible que la première. Les zones d'excitation Ze sont réalisées dans ledit premier matériau 26 et le reste du coeur (notamment les zones de détection Zd) dans le second 28. Le coeur présente dans cet exemple même épaisseur et même largeur sur l'ensemble du circuit. Comme premier matériau, on peut utiliser, par exemple, l'alliage CoFe pour lequel l'aimantation à saturation est d'environ 2 Tesla et comme second matériau, par exemple, l'alliage FeNi pour lequel l'aimantation à saturation n'est que d'environ 1 Tesla. Un tel coeur composite peut être réalisé par deux masquages complémentaires. Les couches ferromagnétiques peuvent être obtenues par croissance électrolytique. La figure 5 illustre un mode de réalisation où les moyens des figures 2 et 3 sont combinés : les zones d'excitation Ze sont élargies et en surépaisseur 30. Quant aux parties latérales du circuit, référencées 21 sur les figures 2, 3,et 5, elles ont avantageusement une section droite inférieure à la section droite des zones de détection pour obtenir la saturation lorsque les zones d'excitation et de détection sont elles-mêmes à saturation. Ces parties latérales peuvent donc être de même épaisseur que le reste du circuit mais avoir une largeur plus faible. REVENDICATIONS 1. Micromagnétomètre à porte de flux comprenant un coeur (20) en matériau ferromagnétique apte à présenter une saturation magnétique, ce coeur présentant au moins une zone d'excitation (Ze) entourée d'un bobinage d'excitation et au moins une zone de détection (Zd) entourée d'un bobinage de détection, caractérisé en ce que les propriétés géométriques ou magnétiques du coeur (20) sont telles que, lorsque la saturation magnétique est établie dans une zone d'excitation (Ze), elle l'est aussi hors de cette zone. 2. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le coeur (20) présente une section droite plus grande dans la zone d'excitation (Ze) qu'en dehors de cette zone. 3. Micromagnétomètre selon la revendication 2, dans lequel le coeur (20) comprend une couche ferromagnétique ayant une épaisseur qui est la même partout et une largeur qui est plus grande dans la zone d'excitation qu'en dehors de cette zone (Fig. 2). 4. Micromagnétomètre selon la revendication 2, dans lequel le coeur comprend une couche ferromagnétique ayant une largeur qui est la même partout et une épaisseur qui est plus grande (22) dans la zone d'excitation (Ze) qu'en dehors de cette zone (Fig. 3) . 5. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le coeur (20) est composé d'un premier matériau ferromagnétique (26) présentant une première aimantation à saturation et d'un second matériau ferromagnétique (28) présentant une seconde aimantation à saturation plus faible que la première et dans lequel, le coeur comprenant, dans une zone d'excitation (Ze), le premier matériau (26) et, en dehors de cette zone, le second matériau (28) (Fig. 4). 6. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le coeur comprend un premier matériau ayant une première aimantation à saturation, et présente, dans une zone d'excitation (Ze), une surépaisseur (22) en un second matériau présentant une seconde aimantation à saturation plus forte que la première. 7. Micromagnétomètre selon les revendications 2 et 6, dans lequel la zone d'excitation (Ze) est élargie et surmontée par une surépaisseur (30) en un matériau présentant une aimantation à saturation plus forte que celle du premier matériau. 8. Micromagnétomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le coeur est en forme de circuit fermé. 9. Micromagnétomètre selon la revendication 8, dans lequel le coeur comprend deux branches longitudinales parallèles reliées par deux parties latérales (21), chaque branche longitudinale comprenant deux zones d'excitation (Ze) séparées par une zone de détection (Zd). 10. Micromagnétomètre selon la revendication 1, dans lequel le coeur est formé de plusieurs barreaux.