Brevet FR2844636A1 — publié le 20040319

i CAPTEUR DUAL MAGNETIQUE ET THERMIQUE OBTENU SELON LA TECHNOLOGIE DES SEMI-CONDUCTEURS La présente invention concerne un capteur dual magnétique et thermique obtenu 5 selon la technologie des semi-conducteurs, ce capteur comportant au moins un capteur magnétique à effet Hall de type CMOS pourvu d'au moins deux contacts de polarisation connectés à un circuit de polarisation et d'au moins deux contacts de mesure connectés à un circuit de mesure de la tension de Hall. On connaît d'une part les capteurs magnétiques à effet Hall qui sont notamment utilisés pour mesurer un champ magnétique donc un courant. On connaît d'autre part les capteurs thermiques qui sont notamment utilisés dans les microprocesseurs pour obtenir une image thermique d'un composant ou d'un ensemble de composants. On sait par ailleurs que la sensibilité des capteurs magnétiques à effet Hall varie en fonction de leur température. A ce jour, pour mesurer cette température, on utilise le signal de capteurs thermiques pour compenser les éventuelles dérives du capteur magnétique. Néanmoins, ces capteurs thermiques ne permettent pas de délivrer une information suffisamment précise. En effet, le capteur thermique étant distinct et 20 placé à distance du capteur magnétique, le gradient de température existant entre les deux capteurs peut être important, de l'ordre de quelques degrés, et la compensation du capteur magnétique peut alors être faussée. Dans le cadre de l'étude des semi-conducteurs, notamment des diodes de type MOS 25 (Metal-Oxide-Semiconductor) à effet tunnel, on sait que le courant de grille est multiplié par un coefficient de 700 quand la température de la diode passe de 20 à 110'C (Publication: Y.-H. Shih, J.-G. Hwu, An on-chip température sensor by utilizing a MOS tunneling diode, IEEE Electron Device Letters 22 (6) (2001) 299- 301). A ce jour, ce phénomène n'a pas été exploité industriellement compte tenu de la très faible valeur de ce courant de grille. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un capteur 5 capable de réaliser en un même point à la fois une mesure magnétique et une mesure thermique, ce capteur pouvant être entièrement réalisé par des technologies submicroniques qui permettent d'ntégrer dans un même substrat le capteur et son électronique de conditionnement. Dans ce but, l'invention concerne un capteur dual magnétique et thermique tel que défini en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte une jonction de type MOS à effet tunnel formant une grille, superposée audit capteur magnétique entre ses contacts de polarisation et de mesure, cette grille étant agencée pour générer un courant de grille Ig proportionnel à la température dudit capteur, et en ce qu'il 15 comporte au moins un circuit de mesure du courant de grille Ig agencé pour fournir un signal de sortie représentatif de ladite température. Dans une forme de réalisation préférée, la grille comporte au moins une fine couche d'oxyde de silicium recouverte d'une couche de silicium polycristallin, la couche 20 d'oxyde de silicium ayant une épaisseur de quelques nanomètres. Le circuit de mesure du courant de grille Ig peut être agencé pour mesurer la tension de grille Vg et délivrer un signal de sortie en tension Vth. Dans ce cas, il comporte au moins une capacité associée à un module d'initialisation. 25 Ce circuit de mesure du courant de grille Ig peut également être agencé pour mesurer le courant de grille Ig et délivrer un signal de sortie en courant Ith. Dans ce cas, il comporte au moins un amplificateur de courant choisi parmi le groupe comprenant au moins un transistor bipolaire, deux transistors montés en miroir. Dans le mode de réalisation préféré, le circuit de polarisation comporte au moins une source de tension agencée pour délivrer entre les contacts de polarisation du capteur dual une tension de polarisation Vpol. Cette source de tension peut être 5 avantageusement asservie par le circuit de mesure du courant de grille Ig de manière à ajuster la tension de polarisation Vpol en fonction de la température du capteur dual. Dans un autre mode de réalisation, le circuit de polarisation peut comporter au moins 10 une source de courant stabilisée agencée pour faire circuler entre les contacts de polarisation du capteur dual un courant de polarisation Ipol constant. Dans un exemple de réalisation, ce circuit de polarisation peut comporter au moins un amplificateur sommateur dont la sortie est connectée à un des contacts de 15 polarisation et les entrées sont connectées à la source de tension et à la capacité, la source de courant stabilisée étant connectée à l'autre contact de polarisation. Dans un autre exemple de réalisation, ce circuit de polarisation peut comporter une alimentation en tension positive connectée à un des contacts de polarisation, la source 20 de courant stabilisée étant connectée à l'autre contact de polarisation. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation, donnés à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels 25 - les figures lA-C représentent un exemple de réalisation du capteur selon lInvention respectivement en vues de dessus, du côté longitudinal et du côté transversal, - la figure 2 représente schématiquement le montage du capteur de la figure 1 pour la mesure de la tension de Hall, - les figures 3A-C représentent schématiquement trois montages du capteur de la figure 1 pour la mesure de la température, - la figure 4 représente schématiquement le montage du capteur de la figure 1 polarisé en tension, et - les figures 5A et 5B représentent schématiquement deux montages du capteur de la figure 1 polarisé en courant. Le capteur dual 1 magnétique et thermique selon l'invention est intégré dans un capteur dual obtenu par les techniques de fabrication des semiconducteurs et 15 notamment dans un capteur magnétique à effet Hall de type CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) (Publications V. Frick, L. Hebrard, P. Poure, F. Braun, Design, characterisation, modelling and performances of magnetic sensors in standard CMOS technology, in Proceedings of DCIS2000, Montpellier - France, 2000, pp. 700-704; CMOS microsystem front-end for microtesla resolution magnetic 20 field measurement, in Proceedings of ICECS2001, Malta, 2001, pp. 129-132). Ces techniques de fabrication permettent d'ntégrer facilement et à moindre cot dans un composant électronique de taille microscopique, par exemple sur une puce de 200[tm sur 2001im, le capteur dual magnétique et thermique ainsi que son électronique de conditionnement. Dans l'exemple représenté dans les figures lA-C, le capteur dual 1 est réalisé à partir d'un puits 11 de type N sur un substrat 10 de type P, par exemple de forme rectangulaire. L'inverse est également possible, à savoir un substrat 10 de type N et un puits 11 de type P. Il comporte deux contacts de polarisation 12a, 12b, de type N', de large section, prévus sur les bords latéraux du puits 11 pour permettre la polarisation du capteur dual 1. Il comporte aussi deux contacts de mesure 13a, 13b, de type N' de plus petite section, prévus au milieu des bords longitudinaux du puits1l pour permettre la mesure de la tension de Hall Vh. Cette tension de Hall Vh 5 est proportionnelle au produit du courant Ipol circulant entre les contacts de polarisation 12a, 12b et de la composante du champ magnétique perpendiculaire au plan du capteur dual 1. Toute la surface du capteur dual 1, excepté les contacts de polarisation 12a, 12b et de mesure 13a, 13b, est recouverte d'une fine couche d'oxyde de silicium Sj02, 14, elle-même recouverte d'une couche de silicium polycristallin de 10 type N' 15. Cette combinaison de couches 14, 15 forme une jonction de type MOS appelée grille 16, similaire à une grille de transistor. L'intérêt de cette grille 16 est double. Lorsqu'elle est correctement polarisée, cette grille 16 permet de créer une zone désertée dépourvue d'électrons à la surface du 15 puits 11 réduisant ainsi l'épaisseur effective de la couche conductrice dans le puits 11 de type N. Ceci a pour effet d'augmenter la sensibilité magnétique du capteur dual 1. Ce résultat est bénéfique et permet de mesurer avec une grande précision la tension de Hall Vh. Dans les mêmes conditions de polarisation, la zone désertée à la surface du puits 11 est le siège d'une génération de paires électron/trou. Ce phénomène est 20 d'origine thermique et augmente de façon exponentielle avec la température du capteur dual 1. Si la couche d'oxyde de silicium 14 de la grille 16 est suffisamment fine, de l'ordre de quelques nanomètres, les trous générés dans la zone désertée qui sont attirés vers la couche d'oxyde de silicium 14 en raison du champ électrique régnant dans cette zone désertée peuvent se recombiner avec des électrons provenant 25 de la couche de poly-silicium 15 passant par effet tunnel au travers de la grille 16. Ce phénomène induit un courant en sortie de la grille 16, appelé courant de grille Ig, qui est proportionnel à la température du capteur dual 1. La structure de ce capteur dual 1 permet donc de mesurer simultanément la composante d'un champ magnétique perpendiculaire au plan dudit capteur par la mesure de la tension de Hall Vh et la température de ce capteur par la mesure du courant de grille Ig. La figure 2 représente schématiquement le montage du capteur dual 1 permettant son 5 utilisation en capteur magnétique. En présence d'un champ magnétique perpendiculaire au plan du capteur dual 1, une tension dite de Hall Vh proportionnelle au produit du champ magnétique et du courant de polarisation Ipol s'établit entre les contacts de mesure 13a, 13b. Par simple amplification de cette tension de Hall Vh au moyen d'un amplificateur de tension 17, on obtient un signal 10 de sortie Vc représentatif de la valeur du champ magnétique. Les figures 3A-C représentent schématiquement trois montages du capteur dual 1 permettant son utilisation en capteur de température. La température du capteur dual 1 est mesurable lorsque la grille 16 est polarisée de telle manière à obtenir une zone 15 désertée profonde. Cette température se traduit alors par un faible courant Ig en sortie de la grille 16 de l'ordre de 100 pA/mm2 à 270C dans le cas o la couche d'oxyde de silicium 14 est par exemple de 12 nm. Ce courant de grille Ig varie de façon exponentielle avec la température et une correction logarithmique du signal mesuré peut être nécessaire pour certaines applications. Pour mesurer ce courant de grille Ig, 20 deux méthodes sont possibles. La première méthode consiste à intégrer le courant de grille Ig dans une capacité 18 comme représenté par la figure 3A et à mesurer la tension de grille Vg aux bornes de cette capacité 18 au moyen d'un circuit de mesure de la température 19 pour obtenir un signal Vth représentatif de la température. On obtient ainsi une rampe de tension Vth dont la pente est proportionnelle au courant de 25 grille Ig, lui- même proportionnel à la température du capteur dual 1. Un module d'initialisation 20 est prévu pour décharger la capacité 18 après un certain temps de chargement ou à partir d'un certain seuil de charge. Ce module d'initialisation 20 comporte dans l'exemple représenté un transistor monté en parallèle avec la capacité 18 pour la court-circuiter. La deuxième méthode consiste à amplifier le courant de grille Ig soit par un montage "miroir de courant" représenté à la figure 3B, utilisant deux transistors 21 montés tête-bêche intégrés selon la technologie CMOS, soit en injectant ce courant de grille Ig de faible intensité dans la base d'un transistor bipolaire 22 réalisé selon la technologie BiCMOS, comme représenté à la figure 3C. 5 Dans les deux cas, le circuit de mesure de la température 19 permet de mesurer une intensité Ith représentative de la température. Pour pouvoir utiliser ce capteur dual 1 à la fois comme capteur magnétique et capteur de température, il doit être correctement polarisé. Pour obtenir un signal de tension 10 de Hall Vh correspondant à un champ magnétique à mesurer, il faut faire circuler un courant de polarisation Ipol dans le puits 11. Pour obtenir un courant de grille Ig correspondant à une température, il faut polariser la grille 16, donc la jonction de type MOS, de telle manière à obtenir une zone désertée profonde. Pour obtenir la sensibilité magnétique et thermique du capteur thermique 1 la plus grande possible, 15 le potentiel de la grille Vg doit être le plus bas possible alors que le potentiel moyen du puits 11 doit être le plus haut possible. Deux méthodes sont possibles: la polarisation en tension Vpol selon le schéma illustré par la figure 4 ou la polarisation en courant Ipol selon les schémas illustrés par les figures 5A et 5B. Dans le schéma de la figure 4, la solution consiste à appliquer entre les contacts de polarisation 12a, 12b du capteur dual 1 une tension constante Vpol au moyen d'une source de tension 23 pour induire une circulation de courant de polarisation Ipol du contact de polarisation 12a vers le contact de polarisation 12b. Dans cette solution, la sensibilité magnétique du capteur dual 1 est fortement affectée par sa température. 25 Pour la compenser, on utilise le signal Vth correspondant à la mesure de la température fourni par le capteur thermique intégré au capteur dual 1 pour ajuster en temps réel la tension de polarisation Vpol. Dans ce montage, la source de tension 23 est complétée en série par une source auxiliaire 24 fournissant une tension Va. Dans les schémas des figures SA et 5B, la solution consiste à faire circuler un courant de polarisation Ipol constant. Dans cette solution, la sensibilité magnétique du capteur dual 1 est indépendante de sa température à condition d'utiliser une source de courant stabilisée 25. Par contre, sa sensibilité magnétique dépend fortement de la 5 tension de grille Vg aux bornes de la jonction de type MOS, c'est-à-dire entre le contact de sortie de la grille 16 et le puits 11. Cette tension de grille Vg est initialement fixée au potentiel négatif V grâce au module dnitialisation 20. Lors de la mesure du courant de grille Ig, il est important de maintenir l'écart constant entre la tension de grille Vg et le potentiel V12, du contact de polarisation 12a de manière à 10 maintenir constante la profondeur de la zone désertée sous la grille 16. Dans le cas o la mesure de la température utilise une capacité 18 selon le montage des figures 3A et 5A, la tension de grille Vg varie dans le temps. Pour éviter toute variation de la sensibilité magnétique du capteur dual 1, on asservit le potentiel V12, 15 du contact de polarisation 12a pour qu'il suive les variations de la tension de grille Vg. A cet effet, le potentiel V12, est délivré par un amplificateur sommateur 26 qui est connecté à la fois à une source de tension 23' délivrant une tension V stabilisée en température et à la capacité 18 soumise à la tension de grille Vg. Ainsi, l'écart entre les potentiels V12, et Vg est égal au potentiel V délivré par la source 23'. Dans ce cas, 20 le courant de polarisation Ipol est maintenu constant grâce à une source de courant stabilisée 25 en température et connectée au contact de polarisation 12b. Dans le cas o la mesure de la température utilise un amplificateur 21, 22 selon le montage des figures 3B, 3C, 5B, la tension de grille Vg est quasiment invariable. Il 25 suffit de connecter le contact de polarisation 12a à une source d'alimentation 23" en tension positive VDD et le contact de polarisation 12b à une source de courant stabilisée 25. Il apparaît clairement que le capteur dual 1 qui vient d'être décrit permet de réaliser un capteur combinant un capteur magnétique et un capteur thermique pouvant être réalisé selon les technologies submicroniques des semi-conducteurs. Le résultat obtenu est un capteur double intégrant son électronique de conditionnement, ayant un 5 cot très réduit et pouvant simplanter très facilement sur tout type de machines, d'équipements, de composants de machines, etc. Le grand intérêt de cette solution réside dans le fait que la mesure de la température est simultanément utilisable en externe pour donner une image thermique d'un équipement ou d'un environnement et en interne pour compenser, en temps réel et sans aucun gradient thermique, les 10 dérives de température du capteur magnétique, des systèmes électroniques de polarisation et des systèmes de traitement des signaux. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en 15 restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Revendications 1. Capteur dual (1) magnétique et thermique obtenu selon la technologie des semiconducteurs, ce capteur comportant au moins un capteur magnétique à effet Hall de 5 type CMOS pourvu d'au moins deux contacts de polarisation (12a, 12b) connectés à un circuit de polarisation et d'au moins deux contacts de mesure (13a, 13b) connectés à un circuit de mesure de la tension de Hall (Vh), caractérisé en ce qu'il comporte une jonction de type MOS à effet tunnel formant une grille (16) superposée audit capteur magnétique entre ses contacts de polarisation (12a, 12b) et de mesure (13a, 13b), 10 cette grille (16) étant agencée pour générer un courant de grille (Ig) proportionnel à la température dudit capteur dual (1), et en ce quil comporte au moins un circuit de mesure (19) du courant de grille (1g) agencé pour fournir un signal de sortie (Vth, Ith) représentatif de ladite température. 2. Capteur dual selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite grille (16) comporte au moins une fine couche d'oxyde de silicium (14) recouverte d'une couche de silicium poly-cristallin (15). 3. Capteur dual selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche d'oxyde de 20 silicium (14) a une épaisseur de quelques nanomètres. 4. Capteur dual selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de mesure (19) du courant de grille (Ig) est agencé pour mesurer la tension de grille (Vg) et délivrer un signal de sortie en tension (Vth) et comporte au moins une capacité (18) 25 associée à un module d'initialisation (20). 5. Capteur dual selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de mesure (19) du courant de grille (Ig) est agencé pour mesurer le courant de grille (1g) et il délivrer un signal de sortie en courant (Ith), ce circuit de mesure (19) comportant au moins un amplificateur de courant (21, 22). 6. Capteur dual selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit amplificateur de 5 courant est choisi parmi le groupe comprenant au moins un transistor bipolaire (22), deux transistors (21) montés en miroir. 7. Capteur dual selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de polarisation comporte au moins une source de tension (23) agencée pour délivrer 10 entre les contacts de polarisation (12a, 12b) du capteur dual (1) une tension de polarisation (Vpol). 8. Capteur dual selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite source de tension (23) est asservie par ledit circuit de mesure (19) du courant de grille (Ig) de 15 manière à ajuster ladite tension de polarisation (Vpol) en fonction de la température dudit capteur dual (1). 9. Capteur dual selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de polarisation comporte au moins une source de courant stabilisée (25) agencée pour 20 faire circuler entre les contacts de polarisation (12a, 12b) du capteur dual (1) un courant de polarisation (Ipol) constant. 10. Capteur dual selon les revendications 4 et 9, caractérisé en ce que ledit circuit de polarisation comporte au moins un amplificateur sommateur (26) dont la sortie est 25 connectée à un des contacts de polarisation (12a) et les entrées sont connectées à une source de tension (23) et à ladite capacité (18) et en ce que ladite source de courant stabilisée (25) est connectée à l'autre contact de polarisation (12b). 11. Capteur dual selon les revendications 5 et 9, caractérisé en ce que ledit circuit de polarisation comporte une alimentation (23") en tension positive VDD connectée à un des contacts de polarisation (12a) et en ce que ladite source de courant stabilisée (25) est connectée à l'autre contact de polarisation (12b).