Brevet FR2848672A1 — publié le 20040618

MAGNETOMETRE COMPRENANT UN CIRCUIT DE STABILISATION DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un magnétomètre comprenant un circuit de stabilisation. On s'intéresse aux magnétomètres souvent appelés "fluxgates" comprenant en particulier un noyau magnétique, au moins un bobinage actif fournissant un courant d'excitation et au moins un bobinage récepteur 10 chargé de la mesure. Ces éléments sont agencés pour fonctionner en collaboration, les bobinages étant normalement tous enroulés autour du noyau. Le noyau est fréquemment en forme de boucle continue et comprend alors deux branches parallèles sur lesquelles sont 15 montés deux bobinages récepteurs semblables en opposition au champ magnétique pour réaliser une mesure différentielle qui est souvent préférée comme plus facile à exploiter; il ne s'agit cependant que d'un cas particulier de construction du magnétomètre. Quand le champ magnétique d'excitation produit une saturation au moins partielle du noyau magnétique, le bobinage récepteur reçoit un flux magnétique dont les alternances en présence d'un champ magnétique ambiant à détecter sont altérées. Le signal 25 de détection parcourant le bobinage récepteur est la dérivée de ce flux. La dissymétrie de flux se traduit par l'apparition d'un signal d'harmonique de deuxième ordre de la fréquence d'excitation dans le signal de détection. Cette harmonique est une fonction du champ 30 magnétique ambiant, qui peut ainsi être mesuré. B 14209.3/JCI De tels magnétomètres, lorsqu'ils sont de taille micronique au millimétrique, trouvent emploi dans les sondes de mesure de très faibles variations du champ magnétique terrestre et doivent posséder une 5 sensibilité de quelques nanoteslas et une amplitude de mesure d'environ +/- 100 microteslas. On peut les construire par des techniques de couches minces, rencontrées aussi dans la construction des circuits intégrés, pour leur donner 10 une très petite taille qui serait bien compatible avec les applications souhaitées. On constate malheureusement que le signal de mesure est affecté par un bruit comparativement important, de quelques centaines de nanoteslas, et qui est instable et 15 susceptible de changer brusquement à basse fréquence ou très basse fréquence, parfois après des durées de quelques heures. Ce phénomène est probablement redevable à une hystérésis du matériau magnétique ou à des évolutions aléatoires et imprévisibles de la 20 situation magnétique entre les différents domaines magnétiques répartis dans les couches minces. Les inventeurs ont déjà constaté que l'application d'un champ magnétique supplémentaire alternatif permettait d'instaurer une polarisation 25 variable et de supprimer ces instabilités et de maintenir le bruit à une valeur stable et faible, qu'il était facile de corriger par une calibration préliminaire. Ce champ supplémentaire peut avoir une direction quelconque, mais il est évidemment plus 30 simple qu'il soit perpendiculaire à la direction de détection du magnétomètre, car il passe alors B 14209.3/JCI complètement inaperçu du bobinage récepteur. Sinon, il convient qu'il soit différent des fréquences d'excitation, de détection et de mesure afin de ne pas affecter celle-ci. La demande de brevet antérieure o 5 les inventeurs exposèrent d'abord ces considérations porte le numéro d'enregistrement 01 10853 en France. L'art antérieur comprend aussi divers magnétomètres combinés, comprenant des bobinages multiples adjacents pour réaliser des mesures de plusieurs composantes du 10 champ magnétique ambiant, sans que le phénomène remarqué par les inventeurs soit mentionné ni que ces magnétomètres permettent nécessairement d'y remédier. Le sujet de la présente invention est de fournir un magnétomètre du genre décrit et comportant 15 un tel moyen de stabilisation du bruit par une polarisation magnétique, et qui soit parfaitement intégré à la structure d'un magnétomètre construit en couches minces. Plusieurs modes de réalisation ont été 20 conçus. On parvient ainsi à réduire l'augmentation du cot de fabrication et de la consommation électrique qui sont induits par l'élément de stabilisation. Dans une de ses formes, l'invention consiste en un magnétomètre comprenant un noyau 25 magnétique, des bobinages dont au moins un bobinage actif et un bobinage récepteur, les bobinages étant agencés de façon que le bobinage actif crée un champ magnétique d'excitation dans le noyau qui sensibilise le bobinage récepteur, des moyens de passage d'un 30 courant alternatif à une fréquence d'excitation dans le bobinage actif et des moyens de mesure d'une tension B 14209.3/JCI induite à une fréquence double de la fréquence d'excitation dans le bobinage récepteur, le noyau et les bobinages étant construits en une structure intégrée composée d'un empilement de couches minces, 5 caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur parcouru par un courant créant un champ magnétique alternatif supplémentaire sensibilisant le bobinage récepteur mais pas les moyens de mesure, le conducteur étant filiforme, plat et construit dans une couche mince 10 adjacente au noyau, le noyau ayant une résistivité supérieure à dix fois au moins la résistivité du conducteur. Un conducteur filiforme désigne ici un conducteur allongé pouvant être parcouru par un courant créant la polarisation, à la façon d'un fil électrique. 15 Dans une forme voisine, plus compliquée mais de conception moins contraignante, une couche mince supplémentaire sépare le noyau de la couche contenant le conducteur filiforme et plat. La séparation électrique entre eux est évidemment plus 20 facile à assurer alors. Le conducteur filiforme plat peut aussi être remplacé par un solénode parcouru par un courant créant un champ magnétique alternatif supplémentaire sensibilisant le bobinage récepteur mais pas les moyens 25 de mesure, le solénode étant construit dans les mêmes couches que les bobinages et orienté perpendiculairement aux bobinages. L'intégration est encore plus manifeste si on ajoute au solénode un guide de flux magnétique 30 embrassé par celui-ci et construit dans la même couche que le noyau magnétique. B 14209.3/JCI Toutes ces réalisations ont en commun que l'élément de stabilisation est construit dans les couches de fabrication du magnétomètre, c'est-à-dire dans les couches mêmes qui contiennent ses étuits 5 fonctionnels ou dans des couches supplémentaires situées entre les précédentes c'est la caractéristique générale de l'invention. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures dont: - la figure 1 est une vue d'une première réalisation de l'invention, - la figure 2 est une coupe du magnétomètre, - la figure 3 est une variante du 15 magnétomètre de la figure 1, - la figure 4 est une vue d'une autre réalisation de l'invention, - et la figure 5 est une vue en coupe de cet autre magnétomètre. Se reportant à la figure 1, on a représenté un magnétomètre de l'invention issu d'un genre courant et comprenant un noyau 1 allongé de forme sensiblement rectangulaire, comprenant deux branches rectilignes et parallèles 2 et 3. Un circuit récepteur 4 comprend une 25 paire d'enroulements 5 et 6 respectivement enroulés autour des branches 2 et 3, connectés en série et aux bornes d'un moyen de mesure 7. Un circuit d'excitation 8 comprend un générateur 9 de courant alternatif et deux bobinages actifs dont chacun comprend deux 30 enroulements, eux aussi respectivement enroulés autour de chacune des branches 2 et 3 et notés 10 et 11 pour B 14209.3/JCI l'un, 12 et 13 pour l'autre; les enroulements 10 et Il sont connectés en série et aux bornes du générateur 9 il en va de même pour les enroulements 12 et 13. Les enroulements 10 et 12 des bobinages 5 actifs qui sont enroulés autour de la branche 2 le sont dans le même sens, mais en sens opposé des enroulements 11 et 13 enroulés autour de l'autre des branches 3: cette conception permet de créer des flux magnétiques opposés dans les branches 2 et 3, mais qui s'ajoutent 10 pour produire un flux de circulation autour du noyau 1 continu. Les enroulements 5 et 6 du bobinage récepteur sont enroulés dans le même sens et, soumis à des champs magnétiques opposés dans le noyau 1, ont un fonctionnement différentiel qui ne leur permet de 15 mesurer qu'un champ magnétique ambiant. De façon caractéristique, deux conducteurs filiformes plats 14 et 15 sont ajoutés le long des branches 2 et 3. Ils sont embrassés par les différents enroulements 5, 6 et 10 à 13. Dans une technique de 20 fabrication en couche mince, leur construction peut être conforme à la figure 2. Une couche inférieure 16 porte des portions inférieures 22 des différents enroulements, et on dépose sur elle successivement une couche 17 isolante pleine, une couche 18 contenant le 25 noyau 1, une couche 19 contenant les conducteurs filiformes 14 et 15, une autre couche 20 isolante pleine et une couche supérieure 21 contenant les portions supérieures 23 des enroulements. Des plots de connexion 24 sont établis sur cette couche supérieure 30 pour assurer les connexions des enroulements au générateur 9 et au moyen de mesure 7, et celles des B 14209.3/JCI conducteurs filiformes 14 et 15 à un générateur de tension 28 représenté à la figure 1. Les couches ont été perforées pour recevoir des portions verticales 25 des enroulements joignant les portions inférieures 22 5 aux supérieures 23 des enroulements. Les spires des enroulements sont donc rectangulaires. Ce circuit est construit par des techniques habituelles dans le domaine des circuits intégrés, et notamment de dépôt, de gravure et de "planarisation" des couches des 10 matières le composant. Les couches 16 et 21 sont toutes isolantes, en dioxyde de silicium par exemple et épaisses d'un micromètre environ. Un problème particulier à considérer est la contiguté du noyau 1 et des conducteurs 14 et 15. On 15 peut en effet craindre des interférences électromagnétiques entre elles. Elles sont pourtant maintenues à un faible niveau à condition de choisir une matière dont la résistivité soit supérieure à environ 10 fois celle des conducteurs 14 et 15 pour le 20 noyau 1. Une proportion inverse, donc du dixième au plus, de l'énergie électrique appliquée aux conducteurs 14 et 15 est dépensée dans le noyau 1. On peut proposer de construire les conducteurs 14 et 15 en cuivre, ayant une résistivité d'environ 2gohms.cm et un noyau en matière magnétique amorphe ayant une résistivité supérieure à 100lohms. cm, au lieu des matériaux magnétiques plus classiques dont la résistivité est d'environ 20gohms.cm. Les contraintes sont moins strictes si on 30 accepte de compliquer légèrement le circuit en ajoutant une nouvelle couche isolante 29, entre la couche 18 B 14209.3/JCI porteuse du noyau 1 et la couche 19 porteuse des conducteurs 14 et 15 d'après la figure 3. Seule une légère réduction du champ magnétique de stabilisation est observée. La couche isolante 29 peut aussi être en SiO2; elle peut être plus fixe que les autres et avoir 0,lgm d'expression par exemple. Il faut souligner, pour apprécier pleinement lTinvention, que placer les conducteurs 10 filiformes 14 et 15 (ou tout autre moyen de stabilisation magnétique) hors des enroulements, et notamment sur le magnétomètre existant, nuirait plus fortement à la stabilisation par la perte de couplage magnétique avec les éléments du magnétomètre redevable 15 à l'excentrement du moyen de stabilisation que par les pertes électriques acceptées dans le noyau 1. Une meilleure miniaturisation du magnétomètre est donc obtenue avec l'invention, puisqu'une moindre énergie électromagnétique de stabilisation est nécessaire. Les 20 conducteurs filiformes 14 et 15 pourraient aussi être placés sous le noyau 1, et leur superficie composée au noyau 1 n'est pas critique. Un autre mode de réalisation de l'invention sera maintenant décrit en liaison aux figures 4 et 5. 25 Il diffère de l'agencement précédent par les éléments du système de stabilisation, le reste du magnétomètre, comprenant notamment le noyau et les enroulements, restant inchangé. Le moyen stabilisateur est ici constitué par un solénode composé de deux moitiés 30 30 et 31 de part et d'autre du noyau 1 et respectivement adjacentes à ses branches 2 et 3. L'axe du solénode B 14209.3/JCI est avantageusement perpendiculaire à la direction d'allongement principale du noyau 1 (et aussi à l'axe des enroulements 5, 6 et 10 à 13), non seulement pour éviter le couplage avec les circuits excitateurs et de 5 mesure, mais aussi pour approcher le plus possible le solénode du noyau 1. Avantageusement, le solénode est construit en même temps que les enroulements du magnétomètre, c'est-à-dire qu'il comprend des portions inférieures 32 de spires qui sont exécutées dans la 10 même couche 16 que les portions inférieures 22 des spires des enroulements, des portions supérieures 33 de spires exécutées dans la même couche 20 que les portions supérieures 23 des spires des enroulements et des portions verticales de jonction exécutées à travers 15 les couches intermédiaires. Des guides de flux magnétique composés d'un matériau magnétique conductrice peuvent avantageusement être ajoutés; ils portent la référence 34 sur la figure 5, et on voit qu'on peut tirer parti de l'existence de la couche 18 20 dans laquelle les branches 2 et 3 du noyau 1 sont construites pour les y loger aussi. Une source de tension alternative 36, illustrée à la figure 4, alimente les moitiés 30 et 31 du solénode. L'invention est susceptible de certaines 25 généralisations: il est ainsi possible de l'appliquer à des noyaux magnétiques possédant d'autres formes, et notamment à branche unique. Si la configuration de la figure 1 est choisie pour le circuit stabilisateur, on disposera alors un conducteur plat filiforme unique 30 près de cette branche; si c'est celle de la figure de B 14209.3/JCI la figure 4 qui est choisie, le solénode pourra rester inchangé. B 14209.3/JCI REVENDI CATIONS 1) Magnétomètre comprenant un noyau magnétique (1), des bobinages dont au moins un bobinage 5 actif et un bobinage récepteur, les bobinages étant agencés de façon que le bobinage actif crée un champ magnétique d'excitation dans le noyau qui sensibilise le bobinage récepteur, des moyens de passage (9) d'un courant alternatif à une fréquence d'excitation dans le 10 bobinage actif et des moyens de mesure (7) d'une tension induite à une fréquence double de la fréquence d'excitation dans le bobinage récepteur, le noyau et les bobinages étant construits en une structure intégrée composée d'un empilement de couches minces, 15 caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur parcouru par un courant créant un champ magnétique alternatif supplémentaire sensibilisant le bobinage récepteur mais pas les moyens de mesure, et en ce que le conducteur est construit dans lesdites couches minces. 2) Magnétomètre selon la revendication 1, le conducteur étant filiforme, plat et construit dans une couche mince (19) adjacente au noyau, le noyau ayant une résistivité supérieure à dix fois au moins la résistivité du conducteur. 3) Magnétomètre selon la revendication 1, le conducteur étant filiforme, plat et construit dans une couche mince (19) séparée du noyau (1) par une couche mince (29) isolante unique. 4) Magnétomètre suivant l'une quelconques 30 des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le B 14209.3/JCI conducteur s'étend dans une direction identique à une direction d'extension principale du noyau. 5) Magnétomètre selon la revendication 1,. Caractérisé en ce que le conducteur est un solénode 5 (30, 31) construit dans les mêmes couches (16, 20) que les bobinages et orienté perpendiculairement aux bobinages. 6) Magnétomètre suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un guide de flux 10 magnétique (34) embrassé par le solénode et construit dans la même couche (18) que le noyau (1). B 14209.3/JCI