Brevet FR2817622A1 — publié le 20020607

MICROMAGNETOMETRE A PORTE DE FLUX Domaine technique L'invention concerne le domaine de la micro-électronique, et plus précisément la micro-électronique appliquée à la métrologie magnétique. Elle concerne plus précisément un capteur de champ magnétique du type micromagnétomètre, qui fonctionne en utilisant des couches magnétiques saturables comme capteurs de champ magnétique. La présente invention concerne plus spécifiquement une structure particulière du circuit magnétique de tels micromagnétomètres, qui améliore le rapport signal/bruit. Techniques antérieures De façon connue, les magnétomètres à portes de flux possèdent un circuit magnétique, une bobine d'excitation et une bobine de détection. Une induction variable est créée dans le circuit magnétique par le passage d'un courant alternatif dans la bobine d'excitation. Dès que le matériau ferromagnétique du circuit magnétique atteint sa saturation, sa perméabilité décroît fortement. Le circuit comporte donc deux états, à savoir un premier état à forte perméabilité, et un second état à faible perméabilité, d'où son appellation de magnétomètre"à porte de flux". La présence d'un champ magnétique extérieur induit une induction supplémentaire dans le circuit magnétique et produit des distorsions sur la variation temporelle du signal aux bornes de la bobine de détection. Ce signal peut être alors exploité pour compenser le champ local par l'intermédiaire de cette bobine d'excitation, de manière à maintenir le circuit magnétique à champ nul. On a déjà proposé de réaliser des micromagnétomètres en utilisant des technologies micro-électroniques. Un exemple d'un tel magnétomètre est décrit dans le document"A miniaturized magnetic-field sensor system consisting of a planar fluxgate sensor and a CMOS readout circuitry"de Sensor and Actuators A54 (1996), pages 443 à 447. Un tel micromagnétomètre comporte un circuit magnétique qui comprend deux branches parallèles, symétriques par rapport à un plan parallèle à la direction de détection. Une bobine d'excitation est enroulée autour des deux branches du circuit magnétique de telle sorte que le passage d'un courant dans cette bobine d'excitation génère un champ magnétique dans chacune des branches. Compte tenu du sens d'enroulement et de l'égalité du nombre des spires sur les deux branches, les deux champs magnétiques générés par cette bobine d'excitation sont de même amplitude, mais de sens opposés. Le circuit magnétique reçoit également un deuxième enroulement formant la bobine de détection. Cette bobine est enroulée sur les deux branches du circuit magnétique de manière à être sensible à la somme des flux des inductions présentes dans les deux branches symétriques du circuit magnétique. L'utilisation du montage différentiel de la bobine d'excitation permet d'augmenter fortement la précision et la sensibilité du micromagnétomètre. En revanche, un tel montage est sensible aux comportements différentiels des deux branches du circuit magnétique. En effet, le signal mesuré est proportionnel à la section des branches de matériau ferromagnétique, à sa perméabilité et à sa fréquence d'excitation. Il est donc nécessaire que la section du matériau soit parfaitement identique d'une branche à l'autre. Il en va de même pour l'homogénéité du matériau ferromagnétique. En outre, une autre source de bruits provient des phénomènes magnétiques à une échelle microscopique dans chacune des branches du circuit magnétique. En effet, le champ magnétique d'excitation provoque le ré-arrangement de la structure en domaines magnétiques. Le fait que le matériau soit excité jusqu'à saturation se traduit par le déplacement important des parois des domaines magnétiques. Or, du fait des micro-irrégularités ou impuretés présentes dans le matériau ferromagnétique, les déplacements des parois des domaines magnétiques ne sont pas exactement symétriques d'une branche à l'autre. Il s'agit là d'une source d'asymétrie, d'autant plus importante que l'épaisseur des couches magnétiques utilisées est faible. Cela induit des asymétries de signal détecté et donc du bruit dans la détermination du champ magnétique mesuré. Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui de l'augmentation du rapport signal sur bruit compatible avec la conservation d'un montage différentiel. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un micromagnétomètre à porte de flux comportant : * un circuit magnétique comprenant deux branches symétriques par rapport à un plan parallèle à la direction de détection ; . au moins un bobinage d'excitation, enroulé autour du circuit magnétique, et apte à induire dans les deux branches du circuit magnétique des champs magnétiques de même amplitude, et de sens inverse ; * un bobinage de détection, enroulé autour du circuit magnétique de manière à ce que la tension à ses bornes est fonction de la somme des flux des inductions présentes dans les deux branches du circuit magnétique. Conformément à l'invention, ce micromagnétomètre se caractérise en ce qu'au niveau des deux branches symétriques, le circuit magnétique est constitué de plusieurs tronçons séparés par des découpes perpendiculaires à la direction de détection. Autrement dit, au niveau des branches qui assurent la détection du champ magnétique extérieur, le noyau magnétique ne forme pas une pièce monolithique, mais est au contraire segmenté selon la direction de détection. Le fractionnement du noyau magnétique forme des tronçons qui définissent une géométrie et un arrangement particulier des domaines magnétiques. On sait que pour minimiser l'énergie totale, l'aimantation d'un matériau ferromagnétique se répartit en régions appelées"domaines magnétiques"dans chacune desquelles l'aimantation reste uniforme. Deux domaines adjacents sont séparés par une région de transition, appelée"paroi magnétique"dans laquelle les moments changent rapidement de direction. Lorsque le matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique, l'orientation de l'aimantation des domaines magnétiques varie, et la position des parois magnétiques évolue. Grâce au découpage en tronçons de dimensions moindres, on réduit le nombre de domaines magnétiques adjacents. Ce nombre est en effet limité par les dimensions réduites de chaque tronçon. Il s'ensuit que les déplacements des parois magnétiques sont bornés à l'intérieur de chaque tronçon. A l'inverse, dans un noyau monolithique, chaque paroi magnétique peut se déplacer d'une distance relativement importante, le risque est élevé de rencontrer une impureté qui perturbe la modification de la géométrie du domaine magnétique, et provoque donc une brusque variation d'aimantation. Or, comme ces phénomènes parasites ne produisent pas de façon symétrique dans les deux branches du circuit magnétique, il s'ensuit l'apparition d'un signal parasite qui augmente le niveau de bruit. Le découpage des branches caractéristiques du circuit magnétique permet donc de limiter les déplacements des parois magnétiques à l'intérieur de chaque tronçon, ce qui assure un meilleur retour en position initial des parois magnétiques lorsque la cause du déplacement, c'est-à-dire le champ magnétique, disparaît. En d'autres termes, en créant les tronçons caractéristiques, on limite le nombre de domaines magnétiques adjacents et donc les déplacements des parois magnétiques correspondantes, et par conséquence les risques de voir ces parois subir les influences néfastes d'impuretés. On obtient ainsi un comportement plus symétrique entre les deux branches du circuit magnétique du micromagnétomètre, et donc une diminution du bruit parasite observé dans les circuits magnétiques monolithiques. En pratique, au moins dans les deux branches symétriques, le circuit magnétique est avantageusement formé d'au moins un ruban en un matériau ferromagnétique. Avantageusement en pratique, la largeur des découpes séparant chaque tronçon du circuit magnétique, mesurée selon la direction de détection, est la plus faible possible et par exemple inférieure à quatre fois l'épaisseur du ruban. De la sorte, on conserve un couplage magnétique entre les différents tronçons, et donc une valeur suffisante de perméabilité magnétique globale, tout en conservant l'avantage de limiter les déplacements des parois magnétiques à l'intérieur d'un même tronçon. Dans une variante particulière, au moins dans ses branches symétriques, le circuit magnétique peut être formé de deux rubans en matériau ferromagnétique, séparés par une couche en un matériau amagnétique, les deux rubans étant couplés magnétostatiquement. Dans ce cas, on observe une configuration particulière des domaines magnétiques, notamment en bord de motif. En effet, dans le cas d'un ruban unique, on observe la présence de domaines magnétiques particuliers, appelés"domaines de fermeture", qui présentent une aimantation perpendiculaire à ceux des domaines principaux situés au centre du tronçon. Le couplage magnétostatique entre deux rubans, situés l'un au dessus de l'autre, permet d'éliminer ses domaines de fermeture grâce à la rotation progressive de l'aimantation en frontière de tronçon. Les domaines principaux, situés au centre du tronçon, possèdent donc une aimantation qui, en l'absence d'excitation, est orientée perpendiculairement à la direction de détection. Ainsi, chaque tronçon possède un axe difficile d'aimantation parallèle à la direction de détection. Dans le cas d'un circuit magnétique à deux rubans superposés, l'application du champ magnétique d'excitation, qui est perpendiculaire à la direction d'aimantation des domaines principaux, entraîne un mécanisme de rotation de l'aimantation sans aucun déplacement des parois magnétiques. On conçoit donc dans ce cas, que le micromagnétomètre conforme à l'invention est relativement insensible aux phénomènes parasites dus à la présence d'impuretés dans le matériau magnétique. En pratique, la structure du circuit magnétique conforme à l'invention peut être déclinée dans de nombreuses géométries de micromagnétomètres, dès lors que le circuit magnétique conserve une symétrie par rapport à un plan parallèle avec direction de détection. Ainsi, le circuit magnétique peut adopter une forme générale rectangulaire avec la présence de portions de circuits magnétiques assurant la fermeture du circuit entre les deux branches principales. Le circuit magnétique peut également être limité aux deux branches caractéristiques, la fermeture du circuit magnétique se réalisant dans l'air, ou dans le substrat accueillant le circuit magnétique. Le circuit magnétique peut également adopter une forme circulaire Le circuit magnétique peut également être constitué d'un enroulement plan à plusieurs tours, du type spirale. Dans ce cas, les zones de cet enroulement situées de part et d'autre du plan de symétrie forment les branches caractéristiques du circuit magnétique. En pratique, plusieurs géométries de bobinage de détection peuvent être envisagées. Ainsi, le bobinage de détection peut comporter deux enroulements individuels, enroulés chacun sur une branche caractéristique, ces deux enroulements individuels étant montés en série de manière à assurer la somme des tensions correspondants chacune à la variation du flux de chaque branche. Dans une variante, il peut s'agir d'un seul enroulement qui est disposé autour des deux branches caractéristiques, de manière à être sensible au flux de la somme des inductions parcourant ces branches. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est une vue de dessus d'un micromagnétomètre conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe selon le plan II-II'de la figure 1. Les figures 3 et 4 sont des schémas explicatifs illustrant l'arrangement des domaines magnétiques dans le cas d'utilisation d'un circuit magnétique à ruban unique. Les figures 5 et 6 sont des schémas explicatifs de l'arrangement des domaines magnétiques dans les différents tronçons, lorsque le circuit magnétique est constitué de deux rubans magnétiques superposés. Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un micromagnétomètre à portes de flux qui peut adopter la géométrie illustrée à titre d'exemple dans la figure 1, et comprenant essentiellement un circuit magnétique (1), un bobinage d'excitation (2), et un bobinage de détection (3). Plus précisément dans la forme illustrée, le circuit magnétique (1) comporte deux branches (4,5) symétriques par rapport à un plan (6) correspondant à la direction de détection. Ces deux branches (4,5) sont rectilignes et parallèles, elles sont reliées par leurs extrémités via deux portions de liaison (7,8) qui assurent la fermeture du circuit magnétique entre les deux branches (4,5). En pratique, le circuit magnétique peut être réalisé à partir d'un ruban en un matériau ferromagnétique tel que du permalloy (FeNi). Ce ruban en matériau ferromagnétique est obtenu par exemple par dépôt électrolytique ou par pulvérisation cathodique. De telles technologies permettent d'obtenir des rubans magnétiques d'une grande gamme d'épaisseur de quelques nanomètres à quelques dizaines de microns. Une largeur de l'ordre de la centaine de microns est obtenue soit par procédé soustractif (gravure chimique par exemple) soit par procédé additif. Conformément à une caractéristique de l'invention, les deux branches (4,5) du circuit magnétique (1) sont fractionnées en plusieurs tronçons (10). Les découpes (11) séparant ces tronçons (la) sont orientés perpendiculairement à la direction de détection (6). Pour des raisons de symétrie, les découpes (11) sont réalisées de façon identique sur les deux branches (4,5) et sont situées à des mêmes niveaux longitudinaux par rapport à la direction de détection (6). A titre d'exemple, dans la forme illustrée à la figure 1, les branches (4,5) du circuit magnétique (1) possèdent une longueur de l'ordre de la centaine de microns, et sont décomposées en huit secteurs indépendants (10). Les découpes (Il) séparant chacun des secteurs sont préférentiellement de dimension la plus faible possible, pour limiter les entrefers, et donc assurer un couplage suffisant entre les différents tronçons (la), et conserver ainsi une perméabilité globale du circuit magnétique suffisante. En pratique, dans l'exemple illustré, les découpes (11) ont une dimension nettement inférieure à quatre fois l'épaisseur du ruban qui est dans la gamme du micron. Le circuit magnétique (1) est équipé d'un bobinage d'excitation (2). Ce bobinage d'excitation (2) comprend un certain nombre de spires essentiellement présentes au niveau des branches symétriques (4,5). Plus précisément, chacune de ces spires comportent une partie basse (14) qui est insérée à l'intérieur d'un canal (15) prévu à cet effet dans le substrat (16). Dans la forme illustrée, les parties basses (14) des spires du bobinage d'excitation (2) sont inclinées par rapport à la direction (6) de détection, dans les branches (4,5) caractéristiques. Les parties hautes (17) de chaque spire enjambent le circuit magnétique (1) et relient deux parties basses (14) de spires adjacentes, en étant perpendiculaires à la direction de détection (6). Le sens de bobinage de l'enroulement d'excitation (2) est le même le long du circuit magnétique (1) de sorte que le champ magnétique induit par la circulation du courant dans l'enroulement d'excitation (2) est de sens opposé entre les branches caractéristiques (4,5). Le nombre de spires et leur géométrie sont identiques pour ces deux branches, de sorte que le champ magnétique induit est de même intensité dans les deux branches. Le bobinage d'excitation (2) est alimentée par deux plots (21,22). Par ailleurs, le circuit magnétique (1) reçoit également un bobinage de détection (3). Tout comme le bobinage d'excitation (2), le bobinage de détection (3) est réalisé par l'association de spires (25) constituées de parties basses (26) et de parties (26) enjambant le circuit magnétique. Les parties basses et hautes des spires du bobinage d'excitation sont respectivement parallèles aux parties basses et hautes du bobinage de détection (3). Le bobinage de détection (3) est formé de deux bobinages individuels (28,29) enroulés chacun sur une branche (4,5) du circuit magnétique (1). Ces deux bobinages individuels (28,29) sont reliés en série par l'intermédiaire d'une piste centrale (30). De la sorte, la tension aux bornes du bobinage de détection mesurée entre les plots (31, 32), correspond à la somme des tensions présentes sur chaque bobinage individuel (28,29). En l'absence de champ magnétique extérieur, le champ magnétique induit par le courant circulant dans le bobinage d'excitation (2) est de même amplitude, mais de sens opposé dans les deux branches caractéristiques (4,5). Les tensions induites par la variation du flux de l'induction présente dans chacune des branches (3,4) sont donc opposées aux bornes des deux bobinages individuels. La tension du bobinage de détection (3) est donc nulle. En pratique, les spires du bobinage de détection et d'excitation peuvent être réalisées par dépôt électrolytique ou de tout autre métal fortement conducteur à l'intérieur de canaux (33) prévus à cet effet dans le substrat (16). Les parties supérieures (17, 27) des spires peuvent être réalisées également par dépôt électrolytique au-dessus du circuit magnétique (1) et d'une éventuelle couche d'isolant ou d'un matériau de couche sacrificielle ensuite éliminé. Le fractionnement du circuit magnétique (1) conforme à l'invention permet d'obtenir un arrangement des domaines magnétiques comme schématiquement illustré à la figure 3. Le nombre de domaines magnétiques (40,41) présents à l'intérieur de chaque tronçon (10), est réduit, et en pratique limité à quelques unités, par exemple comme illustré à la figure 3. Dans les domaines magnétiques principaux, c'est-à-dire les domaines (40,41) qui sont au centre des tronçons (10), les aimantations sont orientées perpendiculairement à la direction de détection (6), comme figuré par les flèches. Dans la forme illustrée aux figures 3 et 4, dans lesquelles le circuit magnétique comprend un seul ruban, chaque tronçon (10) comporte également deux domaines de fermeture (42,43), situés en bordure de tronçon (10), et dont l'aimantation est sensiblement parallèle à la direction de détection (6). Lorsque chaque tronçon est soumis à un champ d'excitation, et éventuellement d'un champ extérieur orienté parallèlement à la direction de détection (6), les aimantations de chaque domaine (40,41) s'orientent différemment, en se rapprochant de la direction de détection (6). Il s'ensuit que les parois magnétiques (45) séparant les domaines magnétiques (40,41) se déplacent, comme illustré à la figure 4. Les déplacements des parois magnétiques (45) sont bornés à l'intérieur d'un même tronçon (10). Ces déplacements sont donc limités, et symétriques d'une branche à l'autre du circuit magnétique. Comme les déplacements des parois magnétiques (45) sont limités à la longueur d'un tronçon (10), les risques de rencontrer des impuretés sont limités et la reproductibilité du déplacement des domaines est améliorée. Lorsque la source du déplacement disparaît, c'est-à-dire lorsque le champ magnétique est nul, les parois (45) ont tendance plus facilement à regagner leur position d'origine. Il en irait autrement si les branches symétriques étaient réalisées conformément à l'art antérieur, c'est-à-dire d'une façon monolithique. Dans ce cas, les parois peuvent se déplacer sur une distance largement supérieure à la longueur d'un tronçon, avec des risques importants de rencontrer des impuretés qui provoquent des sauts d'aimantation ainsi qu'une non reproductibilité de configuration d'aimantation. Ces risques sont encore diminués en utilisant une structure préférée dans laquelle le circuit magnétique est constitué par deux rubans en un matériau ferromagnétique, superposés de telle manière que les deux rubans sont couplés magnétostatiquement. Dans ce cas, par effet de rotation progressive de l'aimantation en bord du tronçon, phénomène généralement appelé"curling", on observe une suppression des domaines de fermeture. La répartition des domaines magnétiques correspond donc à celle illustrée à la figure 5 dans laquelle chaque tronçon (10) possède uniquement des domaines (50,51) dont l'aimantation est perpendiculaire à la direction de détection (6). Pour illustrer la superposition des rubans, les tronçons 10-10'des deux rubans ont été représentés décalés. Lorsque ces tronçons (10-10') sont soumis à un champ magnétique, l'aimantation de chaque domaine (50, 51) s'oriente dans la direction de détection (6), par rotation sans déplacement des parois magnétiques, comme illustré à la figure 6. Le mode de fonctionnement du magnétomètre conforme à l'invention est classique. Ainsi, lorsque la bobine d'excitation (2) est alimentée par courant du type triangulaire, un champ magnétique d'excitation est présent dans le circuit magnétique (1). En l'absence de champ magnétique extérieur à mesurer, il s'agit du seul champ magnétique présent à l'intérieur du circuit magnétique (1). Compte tenu du sens de bobinage de l'enroulement d'excitation (2), les champs magnétiques présents dans les deux branches (4,5) sont de sens opposé, mais d'amplitude identique. Il s'ensuit que l'induction présente dans chacune des branches (4,5) est également de même amplitude, mais de sens opposé. Ceci est valable même lorsque le matériau magnétique est saturé. La variation du flux de cette induction induit une tension aux bornes de chaque enroulement individuel de détection (28,29) qui est de même amplitude, mais de sens opposé. Il s'ensuit que la tension mesurée aux bornes (31,32) de l'enroulement de détection est nulle. Dès qu'un champ extérieur est appliqué selon la direction de détection (6), celui-ci s'ajoute au champ magnétique d'excitation. Selon la branche caractéristique, ce champ extérieur vient s'ajouter ou se retrancher au champ d'excitation. Il s'ensuit que le matériau atteint un niveau de saturation différent selon la branche caractéristique. La tension induite aux bornes de chaque enroulement individuel de détection (28,29) est donc différente. La tension mesurée aux bornes de l'enroulement global de détection reflète donc ce décalage, et donc la valeur du champ magnétique extérieur. Cette valeur peut être utilisée dans une boucle de rétroaction pour modifier la valeur du courant alimentant l'enroulement d'excitation, de manière à maintenir une tension nulle aux bornes de l'enroulement de détection. Il ressort de ce qui précède que le micromagnétomètre conforme à l'invention présente l'avantage essentiel de limiter les phénomènes parasites de bruits consécutifs aux déplacements non symétriques des parois des domaines magnétiques dans les deux branches. Le rapport signal/bruit d'un tel micromagnétomètre est donc nettement supérieur à celui des micromagnétomètres existants. REVENDICATIONS 1/Micromagnétomètre à porte de flux, comportant : un circuit magnétique (1) comprenant deux branches symétriques (4,5) par rapport à un plan parallèle à la direction de détection (6) ; au moins un bobinage d'excitation (2), enroulé autour du circuit magnétique (1), et apte à induire dans les deux branches (4,5) du circuit magnétique des champs magnétiques de même amplitude, et de sens inverse ; un bobinage de détection (3), enroulé autour du circuit magnétique (1) de manière à ce que la tension à ses bornes est fonction de la somme des flux des inductions présentes dans les deux branches (4,5) du circuit magnétique (1), caractérisé en ce qu'au niveau des deux branches symétriques (4,5), le circuit magnétique est constitué de plusieurs tronçons (10) séparés par des découpes (11) perpendiculaires à la direction de détection (6). 2/Micromagnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins au niveau des deux branches symétriques (4,5), le circuit magnétique (1) est formé d'au moins un ruban en matériau ferromagnétique. 3/Micromagnétomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la largeur des découpes (11) séparant chaque tronçon (10) du circuit magnétique, mesurée selon la direction de détection (6) est inférieure à quatre fois l'épaisseur du ruban. 4/Micromagnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins dans les deux branches symétriques, le circuit magnétique est formé de deux rubans en matériau ferromagnétique, séparé par une couche de matériau amagnétique et le ruban étant couplé magnétostatiquement. 5/Micromagnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique est formé de deux barreaux parallèles, formant les branches symétriques. 6/Micromagnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce en ce que le circuit magnétique (1) épouse une forme rectangulaire. 7/Micromagnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce en ce que le circuit magnétique épouse une forme circulaire.