Brevet FR2857455A1 — publié le 20050114

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de détection de la vitesse de rotation et/ou de la position d'une pièce rotative comprenant au moins un élément générateur magnétique relié solidairement à la pièce rotative et un capteur de champ magnétique coopérant avec l'élément générateur et conçu pour détecter la variation d'un champ magnétique ainsi que d'un circuit d'exploitation. Etat de la technique On connaît un tel dispositif par exemple selon le document DE 196 47 420 Al qui sert à détecter la vitesse de rotation d'une pièce rotative ou en rotation d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Le dispositif connu est conçu comme installation magnétorésistive et constitue un capteur GMR (capteur à magnétorésistance géante) composé d'une succession de couches minces ferromagnétiques et non magnétiques coopérant avec une roue génératrice réalisée sous la forme d'une roue polaire magnétique. Le capteur est construit suivant le principe d'un montage en pont de Wheatstone et les quatre résistances séparées du montage en pont sont formées chacune par un élément de capteur GMR. La roue génératrice et le capteur sont associés pour que les deux moitiés du montage en pont soient exposées à des champs magnétiques différents de sorte qu'une différence de tension apparaît à la sortie du pont. Lorsque la roue génératrice tourne, les champs magnétiques associés aux deux moitiés de pont changent et il en est de même de la diffé- rence de tension à la sortie du montage en pont. Dans un capteur GMR on rencontre la difficulté que l'application de la suite de couches minces nécessite la mise en oeuvre d'appareillages importants. Les capteurs de champ magnétique pour la saisie de la vi- tesse de rotation et de la position d'une pièce en rotation sont utilisés actuellement dans le domaine de la technique automobile et des automatismes industriels dans de nombreuses applications. On utilise par exemple des capteurs de champ magnétique pour détecter la vitesse de rotation dans des systèmes de freinage ABS ou de dynamique de châssis, pour déterminer la vitesse de rotation de pièces en rotation de boîtes de vitesses mais aussi pour déterminer la vitesse de rotation et/ou la position du vilebrequin ou d'un arbre à cames de moteurs à combustion interne. Dans ces applications on détecte et on exploite en général la variation ou la distorsion du champ magnétique des aimants générateurs sur le capteur. L'aimant générateur est par exemple un composant ferromagnétique mobile tel qu'une roue dentée ou encore une échelle de mesure magnétique telle qu'une roue multipolaire, déterminée, passant devant le capteur. De tels éléments de capteur magnétique fonctionnent en général selon le principe de l'induction magnétique, de l'effet Hall ou avec des mécanismes à effet magnétorésistant dans lesquels le champ engendré et qui varie avec la rotation de la pièce produit une variation d'une résistance électrique de l'élément de capteur. Pour de tels éléments convertisseurs on distingue entre les plaques de champ dans lesquelles la résistance magnétique d'un semi-conducteur est modifiée par l'action de la force de Lorenz [encore appelée capteur AMR (capteur à magnétorésistance anisotropique)] et les capteurs GMR déjà évoqués. On utilise en outre des éléments convertisseurs fonctionnant selon le principe de l'effet TMR (effet de magnétorésistance tunnel). Ce principe est appliqué en particulier aux têtes de lecture de supports de mémoire. Il est souhaitable que les capteurs de champ magnétique puissent être fabriqués de manière économique et en appliquant une technique de construction et de liaison simple, ainsi qu'une électronique d'exploitation simple et une grande stabilité en température jusqu'à une température ambiante de 200 C. Il est en outre souhaitable que les champs parasites présentent une influence aussi faible que possible et en aucun cas irréversible sur les signaux de mesure. De plus, il faut une sensibilité élevée et une grande excursion de signal ou un grand rapport signal/bruit. Ces différents éléments sont les propriétés clés des futures techniques de capteurs dans lesquelles on recherche entre autre de grands entrefers magnétiques et une précision de commutation élevée. Pour cela la technique GMR utilisée jusqu'alors offre les meilleures possibilités. Toutefois l'effet GMR de même que l'effet TMR est un effet extrinsèque des surfaces limites nécessitant un élément de capteur obtenu par une technique complexe de couches car l'élément de capteur est formé de plusieurs couches ultra minces ayant seulement une épaisseur de quelques nanomètres et qui peuvent en partie être formées d'un alliage de métaux précieux tels que du platine. L'effet GMR se trouve dans les systèmes à couches multiples composées, dans le cas le plus simple, de deux couches magnétiques par exemple de cobalt séparées par une couche intermédiaire non magné- tique par exemple en cuivre. Si les deux couches de cobalt sont couplées de manière ferromagnétique par la couche de cuivre, la résistance électrique du système de couches sera faible car les électrons peuvent passer sans modification de leur spin dans la seconde couche de cobalt. Dans le cas du couplage antiferromagnétique des deux couches de cobalt, la résistance électrique du système de couches sera en revanche importante. En appliquant un champ magnétique externe, on peut diminuer la résistance électrique, car le champ magnétique force les spins des électrons dans une direction ferromagnétique parallèle. Des grandeurs caractéristi- i0 ques d'effet se situent suivant le principe de l'empilage des couches et le choix de l'épaisseur des couches entre 4 % et plus de 30 %. L'effet TMR se rencontre également dans un système de couches multiples dans lequel deux couches magnétiques sont séparées par une couche intermédiaire non conductrice, par exemple en oxyde d'aluminium. Si la couche intermédiaire non conductrice est choisie suffisamment mince, les électrons travaillent par effet de tunnel dans les couches magnétiques pour les traverser. Or, la probabilité de l'effet tunnel dépend du spin. On connaît également comme effet intrinsèque, l'effet CMR (effet de magnétorésistance colossale). Dans un système de matière pré- sentant cet effet, lorsqu'on applique un champ magnétique on déclenche une très forte variation de résistance qui repose sur la suppression de la transition métal-isolant à la température de Curie TC. La température de Curie est la température au-dessous de laquelle dans les matières ferro- magnétiques on a un alignement parallèle spontané des spins des électrons donnant le ferromagnétisme. Dans les matières antiferromagnétiques avec un alignement antiparallèle correspondant, cette température critique est la température Néel TN. Les matières pré-sentant l'effet CMR sont des isolants ou des semi-conducteurs au-dessus de la température de Curie et en dessous de cette température ils sont des métaux ferromagnétiques. L'effet CMR a été prouvé en premier lieu sur les oxydes de manganèse à valence mélangée tels que LaSrMnO3. Le flux de courant dans l'oxyde est porté par le saut, c'est-à-dire l'effet Hopping, des électrons entre les emplacements Mn3+ et Mn4+. Le saut se produit seule- ment si les moments magnétiques des atomes correspondants sont parallèles, c'est-à-dire sont ferromagnétiques. Un champ magnétique externe permet d'atteindre cet état également en dessous de la température de Curie ce qui abaisse la résistance électrique de la matière. Le problème de l'utilisation technique de matières présentant l'effet CMR était celui des températures de Curie trop faibles, inférieures ou proches de la température ambiante. De plus, seuls des champs extérieurs intenses pouvaient produire des effets de dimensions importantes. La sensibilité était ainsi d'autant plus faible. Des combinaisons à effet CMR présentent en outre dans les échantillons polycristallins, l'effet PMR (effet de poudre magnétorésistante). Loin audessus de la température de Curie, ces combinaisons pré-sentent une polarisation élevée des électrons à l'énergie de Fermi. Cela donne des magnétorésistances importantes dans les échantillons avec des limites de grain. Les électrons à polarisation complète de spin ne peuvent avoir que partiellement un effet tunnel pour des états de grain voisins ayant des électrons alignés différemment. On suppose qu'une couche d'oxyde isolante forme alors la barrière du tunnel. L'application d'un champ magnétique dirige tous les spins de l'échantillon polycristallin et abaisse la résistance électrique de l'échantillon. Avantages de l'invention L'invention concerne un dispositif de détection du type défi-ni ci-dessus, caractérisé en ce que le capteur de champ magnétique com- prend au moins un élément de capteur fabriqué dans une matière de capteur présentant un effet CMR (magnétorésistance colossale). Ce dispositif a l'avantage de pouvoir fabriquer la matière du capteur de façon simple, sans réaliser un système multicouches, c'est-à-dire par exemple sous la forme d'une couche unique d'une matière polycristalline ou granulaire, ce qui se traduit par une réduction de coût par rapport à un capteur de champ magnétique ayant un élément de capteur à effet GMR. Cela provient du fait que l'effet CMR est un effet intrinsèque. Le système de mesure du dispositif selon l'invention repose sur le fait qu'une variation du champ magnétique, que l'élément généra- teur applique au capteur de champ magnétique, conduit à une variation de la résistance électrique de l'élément capteur. Une variation par exemple périodique de la résistance électrique de l'élément capteur permet de dé- terminer la vitesse de rotation de la pièce en rotation. Dans un cas différent, un champ magnétique sera caractéristique d'une certaine position angulaire de la pièce en rotation et ainsi la résistance électrique qui en résulte, pour l'élément de capteur, permet de conclure à la position de la pièce rotative. L'effet CMR ne repose que sur une variation de l'amplitude du champ magnétique appliqué et non pas sur un changement de direction du champ magnétique. Si la matière de capteur qui présente l'effet CMR est appli-5 quée sur la matière de support sous forme polycristalline, elle présente en outre l'effet PMR. Le dispositif selon l'invention convient notamment pour dé-terminer la vitesse de rotation d'un vilebrequin de moteur à combustion interne de véhicule ou encore pour déterminer la vitesse de rotation d'une to roue du véhicule, informations qui sont souvent nécessaires dans les pro- grammes de stabilisation ou d'assistance au freinage. Selon un mode de réalisation préférentiel du dispositif de l'invention, la matière du capteur présente une combinaison intermétallique de phases de Heusler, en pouvant utiliser une combinaison simple ou aussi un élément composite. Les combinaisons intermétalliques particulièrement intéressantes qui présentent un effet CMR pour une plage de température que l'on rencontre dans les véhicules automobiles et allant jusqu'à 200 C peu-vent être par exemple Co2Cro,6Feo,4A1, Co2Cro,2Feo,4Ga et/ou Co2Cro,2Mno,8A1. En particulier, ces compositions peuvent également s'utiliser à des températures supérieures à la température ambiante. La composition Co2Cro, 6Feo,4A1 montre par exemple à la température ambiante, un effet de magnétorésistance d'environ 30 % pour des champs magnétiques allant jusqu'à 100 mT. Une composition composite de Co2Cro,6Feo,4A1 et adjonction d'oxyde d'aluminium comme matière isolante donne des variations de magnétorésistance à la température ambiante allant jusqu'à environ 700 % pour des sensibilités de l'ordre de 2,5 %/mT. A cause de la température de Curie élevée de ces matières, température supérieure à 300 C, une telle composition composite convient tout particu- lièrement comme capteur de champ magnétique utilisable dans un véhicule automobile. Pour déterminer simplement une variation de la résistance électrique de l'élément de capteur, celui-ci peut être intégré dans un montage en pont de Wheatstone. L'élément capteur est alors l'une des quatre demi-branches du montage en pont. En principe, on peut également envisager de n'associer un élément capteur qu'à l'une des quatre demi-branches du montage en pont de Wheatstone, élément de capteur fabriqué dans une matière de capteur à effet CMR. Toutefois, il est avantageux pour le signal de mesure d'avoir au moins deux et de préférence toutes les quatre demi-branches du montage en pont de Wheatstone fabriquées dans une matière de capteur présentant l'effet CMR. Les différentes résistances du montage en pont de Wheatstone peuvent être combinées latéralement ou verticalement de manière monolithique à un circuit d'exploitation. Pour adapter la résistance totale, il est en outre intéressant le cas échéant de réaliser l'élément de capteur et de préférence les quatre éléments de capteur sous la forme de méandres sur le capteur de champ magnétique de façon que le champ magnétique généré par l'élément magnétique agisse chaque fois sur une surface importante de l'élément capteur respectif. La mesure est effectuée avantageusement avec le dispositif selon l'invention en déterminant la variation de résistance de l'élément de capteur engendrée par un champ magnétique extérieur. Dès que l'on atteint un seuil défini, un circuit d'exploitation fournit un signal de commutation. On peut choisir un fonctionnement incrémental ou numérique si le dispositif est utilisé comme capteur de vitesse de rotation ou comme générateur de phase. Le dispositif peut également fonctionner en mode analogique s'il est utilisé pour mesurer la position ou directement le champ, par exemple pour mesurer un courant. La matière du capteur est appliquée de préférence sur une matière de support telle qu'une plaquette de silicium ou un substrat de céramique et l'élément de capteur constitue une couche. La couche est soit une couche mince obtenue par un procédé de pulvérisation, soit par un autre procédé de fabrication de couche mince tel que la croissance épitaxiale avec faisceau moléculaire MBE, le dépôt chimique à la vapeur CVD ou des procédés analogues; la couche peut également être une cou- che épaisse appliquée sur la matière de support. Pour arriver à une sensibilité maximale de la matière du capteur, c'est-àdire le champ magnétique dans une zone de la caractéristique de magnétorésistance offrant la sensibilité la plus élevée et/ou la courbe de température la plus avantageuse, on peut faire agir un champ magnétique auxiliaire sur l'élément de capteur. Ce champ auxiliaire peut être généré par un aimant auxiliaire associé au capteur de champ magné- tique qui se compose par exemple d'une couche mince déposée sur l'élément de capteur, cette couche étant en une matière ferromagnétique. Pour minimiser l'influence des champs parasites sur le capteur de champ magnétique, on peut réaliser celui-ci sous la forme d'un gradiomètre de sorte qu'il présente deux emplacements de mesure. On élimine ainsi les champs parasites. Pour arriver à de plus fortes amplitudes du signal ou de plus fortes sensibilités, on peut déposer la matière du capteur sous la forme d'une pile de couches sur la matière de support. L'élément générateur magnétique est par exemple une roue polaire magnétique, une répartition ferromagnétique dans une roue en acier ou dans le mode de réalisation beaucoup plus simple, un aimant qui balaye une fois le capteur de champ magnétique pour chaque rotation du composant rotatif. Le champ magnétique généré par l'élément générateur magnétique est par exemple dans une zone comprise entre 1 T et 50 mT. 15 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un dispositif représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre une roue de véhicule automobile équipée d'un dispo- sitif selon l'invention selon une vue en perspective fortement simplifiée, - la figure 2 montre un capteur de champ magnétique et une roue po- laire du dispositif de la figure 1 selon une vue fortement schématisée, - la figure 3 montre le schéma équivalent du capteur de champ magnéti- que du dispositif des figures 1 et 2 selon un montage en pont de Wheatstone, - la figure 4 est une vue d'un capteur de champ magnétique sous la forme d'un gradiomètre. Description du mode de réalisation La figure 1 montre la roue 1 d'un véhicule de tourisme par 30 ailleurs non détaillée. Cette roue est associée à un axe 2 passant dans un palier de roue 3. Au niveau du palier de roue 3 on a une roue polaire magnétique 4 concentrique à l'axe 2 ou à la roue 1 et coopérant avec un capteur de champ magnétique 5. Ce capteur est relié par une ligne 6 à une unité de com- mande non représentée en détail. Selon la figure 2, la roue polaire 4, qui constitue un élément générateur magnétique, est formée d'une alternance de pôles nord N et de pôles sud S magnétiques. Dans la zone 7 on a tracé les lignes de champ entre les pôles nord et les pôles sud voisins, représentation qui s'applique également aux autres parties de la roue polaire 4. Le capteur de champ magnétique 5 coopérant avec la roue s polaire 4 est décalé dans la direction radiale de l'axe 2 par rapport à la roue polaire 4 et peut être distant de celle-ci en pratique par exemple d'environ 10 mm. Le capteur de champ magnétique 5 comprend quatre éléments de capteur 51, 52, 53, 54 fonctionnant comme des résistances électriques; ces éléments de capteur sont associés en regard de la roue polaire 4 à la tête de mesure du capteur de champ magnétique 5. Les éléments de capteur 51, 52 forment une première paire de résistances, les éléments de capteur 53, 54 forment une seconde paire de résistances, l'ensemble appartenant à un montage en pont de Wheatstone 30; ce pont est représenté de manière plus détaillée aux figures 3 et 4. Le pont de Wheatstone 30 du capteur de champ magnétique 5 est construit comme gradiomètre et les différentes résistances 51-54 sont prévues suivant un tracé en méandres sur la tête de mesure du capteur de champ magnétique 5. Les unités de capteur 51, 54 ainsi que les éléments de cap- teur 52, 53 sont associés chaque fois à une branche du montage en pont 30 et les deux branches se croisent comme cela apparaît notamment à la figure 3. La mesure de la résistance électrique des éléments de capteur 51-54 est faite à l'aide des éléments de branchement 55A, 55B, 55C, 55D apparaissant à la figure 4. Les éléments de capteur 51-54 sont principalement formés d'une combinaison intermétallique des phases de Heusler et cela à partir de Co2Cro,sFeo,4A1, sous la forme d'une poudre polycristalline ou encore de boulettes traitées en température et comprimées contre la tête de mesure du capteur de champ magnétique 5. La variation de résistance des différentes résistances 51-54 obtenue à l'aide du montage en pont de Wheatstone 30 permet de déterminer la vitesse de rotation de la roue 1. Ces valeurs sont appliquées ici par exemple à un programme de stabilisation de conduite et à un pro-gramme d'assistance au freinage et aux systèmes associés. La magnétorésistance MR de la matière utilisée, à savoir Co2Cro,sFeo,4A1, dans le cas présent, à la température ambiante, peut se représenter en fonction d'un champ magnétique externe pH. L'échantillon polycristallin a l'état de poudre, présente un effet CMR beaucoup plus im- portant que les boulettes comprimées, ayant subi un traitement thermique. De plus la résistance électrique R de Co2Cro,sFeo,4A1 peut se représenter en fonction de la température T et cela d'un côté en l'absence de champ magnétique et de l'autre en appliquant un champ magnétique externe égal à 8T. Il apparaît que la résistance électrique diminue lors-qu'on applique un champ magnétique mais que le tracé de principe des deux courbes qui en résulte dans la plage de température comprise entre 0 K et 300 K se correspond très largement. Io 2857455 io REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de détection de la vitesse de rotation et/ou de la position d'une pièce rotative (1) comprenant au moins un élément générateur magnétique (4) relié solidairement à la pièce rotative (1) et un capteur de champ magnétique (5) coopérant avec l'élément générateur (4) et conçu pour détecter la variation d'un champ magnétique ainsi que d'un circuit d'exploitation, caractérisé en ce que le capteur de champ magnétique (5) comprend au moins un élément de I o capteur (51...54) fabriqué dans une matière de capteur présentant un effet CMR (magnétorésistance colossale). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur est une combinaison intermétallique des phases Heusler telle que Co2Cro,6Feo,4A1, Co2Cro,2Feo,4Ga et/ou Co2Cro,2Mno,sA1. 3 ) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière du capteur est un composé électriquement isolant tel que Al2O3. 4 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de capteur (51...54) fait partie d'un montage en pont de 25 Wheatstone (30). 5 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le montage en pont de Wheatstone (30) comporte quatre éléments de cap-30 teur (51-54) fabriqués dans la matière du capteur. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un élément de capteur (51-54) a une forme de méandre sur le 35 capteur de champ magnétique (5). 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur (51-54) est installé sur un matériau de support et forme une couche ou un empilage de couches. 8 ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matière de support est une plaquette de silicium ou un substrat de céramique. 9 ) Dispositif selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce que l'élément de capteur produit un champ magnétique auxiliaire. 10 ) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le champ magnétique auxiliaire est généré par un aimant auxiliaire prévu sur le capteur de champ magnétique. 11 ) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'aimant auxiliaire est formé d'une couche mince déposée sur l'élément de capteur.