Brevet FR2929397A1 — publié le 20091002

La présente invention concerne le domaine des capteurs de déplacement magnétiques destinés à détecter la position d'un objet de mesure. De tels capteurs sont connus par exemple du document de brevet EP 0 693 673, qui concerne un capteur magnétique de position linéaire sans contact fonctionnant selon le principe de la détection de variation de flux dans au moins une bobine primaire, dite d'excitation, par au moins une bobine secondaire, dite de détection. Plus précisément, en référence à la figure 1 illustrant un capteur de ce type, la partie sensible du capteur, classiquement enfermé dans un boîtier, comporte un noyau magnétique 3 à haute perméabilité. De manière classique, le noyau magnétique 3 est réalisé avec un matériau magnétique doux et à faible valeur de champ de saturation. Il est constitué selon l'exemple de la figure 1 d'une bande allongée 4 en matériau cristallin à magnétisme doux et d'au moins une bande 5 en matériau amorphe ou nanocristallin. Le noyau 3 est magnétisé par une bobine d'excitation 2, enroulée autour du noyau et permettant ainsi de maintenir ensemble les bandes de matériau 4 et 5 constituant le noyau. La bobine d'excitation 2 est alimentée en courant alternatif par une source de courant alternatif 1. Cette partie sensible du capteur comprend également deux bobines de détection 6, 7 couplées au noyau magnétique et enroulées dans l'exemple illustré aux extrémités du noyau. Une autre partie du capteur magnétique comporte un aimant 9, pouvant être 20 déplacé sans contact le long du noyau magnétique 3 et délimitant ainsi un entrefer virtuel dans le noyau magnétique à l'endroit où il est placé. Enfin, un circuit de mesure 8 est connecté aux première et seconde bobine de détection, pour mesurer une tension différentielle induite entre les deux bobines de détection. 25 Le fonctionnement d'un tel capteur magnétique de position sans contact est alors le suivant. La bobine d'excitation 2, qui est alimentée par un courant alternatif, crée un champ magnétique alternatif dans le noyau magnétique 3. Une partie des lignes de flux magnétique se propage dans le noyau magnétique 3 pour traverser les bobines de détection 6, 7, qui délivrent chacune une tension électrique alternative. Une autre partie 30 des lignes de flux, dites lignes de fuite, sort du noyau magnétique 3 sans traverser les bobines de détection 6, 7. En l'absence de l'aimant 9, la répartition de ce flux magnétique de fuite est symétrique par rapport au centre du noyau magnétique 3 et les tensions induites dans les deux bobines de détection 6, 7 sont identiques. En présence de l'aimant 9 situé à proximité du noyau magnétique 3, le champ magnétique passant à l'intérieur du noyau magnétique crée alors une zone de saturation ayant un effet comparable à un entrefer virtuel. Il apparaît donc de nombreuses lignes de fuite au niveau de la position de l'aimant 9 de sorte qu'il peut être considéré que le circuit magnétique est divisé en deux parties. Ainsi, l'une des bobines de détection 6 voit le champ magnétique créé par les spires de la bobine d'excitation 2 situées entre cette bobine de détection 6 et l'aimant 9, tandis que l'autre bobine de détection 7 voit les lignes de champ créées par les spires de la bobine d'excitation 2 situées entre cette autre bobine de détection 7 et l'aimant 9. La tension induite dans chaque bobine de détection 6, 7 dépend donc de la position de l'aimant 9 et varie ainsi de manière linéaire avec son déplacement. Ainsi, la position de l'aimant se déduit de la mesure de la tension différentielle induite entre les deux bobines de détection 6, 7. La présente invention vise à proposer une amélioration à ce type de capteur, en 15 termes de fiabilité et d'encombrement notamment. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un capteur de déplacement magnétique comprenant une première partie comportant d'une part, un noyau magnétique magnétisé par au moins une bobine d'excitation alimentée en courant alternatif et, d'autre part, au moins une bobine de détection couplée au noyau magnétique, le capteur étant 20 remarquable en ce que le noyau magnétique comprend au moins une couche en matériau magnétique incorporée dans l'épaisseur d'un substrat, et en ce que lesdites bobines d'excitation et de détection comprennent chacune une pluralité de pistes métalliques sur les surfaces inférieure et supérieure du substrat, reliées entre elles par des trous d'interconnexion disposées au sein du substrat, de manière à entourer la ou les couches 25 en matériau magnétique déposées dans le substrat formant le noyau magnétique. Selon un premier mode de réalisation, les ouvertures des trous d'interconnexion sont disposées de manière alignée sur le substrat. Selon un second mode de réalisation, les ouvertures des trous d'interconnexion sont disposées en quinconce sur le substrat. 30 Une variante de l'invention prévoit que les bobines d'excitation et de détection sont disposées sur le substrat à côté l'une de l'autre. De manière alternative, les bobines d'excitation et de détection peuvent être disposées sur le substrat de manière au moins partiellement chevauchante. Avantageusement, le capteur comprend deux bobines de détection disposées aux 35 extrémités du noyau magnétique. Le capteur peut en outre comprendre une couche d'isolation en matériau isolant recouvrant la surface supérieure et/ou inférieure du substrat et une couche de fermeture en matériau magnétique recouvrant ladite couche d'isolation. Avantageusement, la ou les couches en matériau magnétique formant le noyau 5 magnétique sont réalisées en matériau amorphe ou nanocristallin. Dans un mode de réalisation préféré, le capteur comprend une seconde partie comportant un aimant pouvant être déplacé le long du noyau magnétique et créant un entrefer virtuel dans le noyau magnétique. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un capteur de 10 déplacement magnétique, comprenant une première partie comportant d'une part, un noyau magnétique magnétisé par au moins une bobine d'excitation alimentée en courant alternatif et, d'autre part, au moins une bobine de détection couplée au noyau magnétique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - réalisation du noyau magnétique par incorporation d'au moins une couche en 15 matériau magnétique dans l'épaisseur d'un substrat, réalisation de chacune des bobines d'excitation et de détection par gravure sur les surfaces inférieure et supérieure dudit substrat d'une pluralité de pistes métalliques, reliées entre elles par des trous d'interconnexion disposées au sein du substrat, de manière à ce qu'elles entourent la ou les couches en matériau 20 magnétique déposées dans le substrat formant le noyau magnétique. Avantageusement, le procédé comprend une étape de fermeture de la première partie du capteur consistant à déposer sur la surface supérieure et/ou inférieure du substrat une couche d'isolation en matériau isolant et une couche de fermeture en matériau magnétique. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement un capteur de l'état de la technique ; 30 -la figure 2 est une vue en coupe illustrant schématiquement une première partie du capteur selon l'invention ; -la figure 3 est une vue de dessus de la partie de capteur de la figure 2, illustrant la disposition des bobines d'excitation et de détection du capteur sur le substrat, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue de dessus de la partie de capteur de la figure 2, illustrant la disposition des bobines d'excitation et de détection du capteur sur le substrat, selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue de dessus illustrant une variante de réalisation de l'invention, et - la figure 6 est une vue en coupe illustrant un mode de réalisation particulier de l'invention. Selon l'invention, la partie du capteur comprenant le noyau magnétique et les bobines d'excitation et de détection, est réalisée sur un substrat PCB (acronyme anglais pour " Printed Circuit Board", c'est à dire un circuit imprimé). Ce substrat 20 est un substrat de type classique, généralement réalisé en résine époxy, ou équivalent. Selon l'exemple de la figure 2, le substrat 20 est un substrat multicouche incorporant dans son épaisseur deux couches 10, 11 en matériau magnétique, de type amorphe ou nanocristallin, formant ainsi le noyau magnétique 3. Plus généralement, ce dernier est constitué par au moins une couche de matériau amorphe ou nanocristallin déposé dans le substrat 20. Sur la surface supérieure 21 et inférieure 22 du substrat 20, sont gravées, de manière connue en soi, une pluralité de pistes métalliques 30, par exemple des pistes en cuivre, reliées entre elles par des trous d'interconnexion (ou "vias" en anglais) 40, disposés au sein du substrat, de manière à former des spires de bobine entourant les couches magnétiques 10 et 11 déposées dans le substrat. Cette structure permet ainsi de remplacer l'usage d'une bobine enroulée par une bobine gravée sur un substrat PCB. Elle va être davantage précisée en regard des figures 3 et 4 illustrant, en vue de dessus, deux modes de réalisation pour la disposition des bobines du circuit sur le substrat. En référence à ces figures, le circuit comprend une bobine d'excitation 2, qui s'étend le long d'une couche 10 formant le noyau magnétique et deux bobines de détection 6, 7, disposées sur le substrat aux extrémités de la couche 10 formant le noyau magnétique. Chaque pluralité de pistes métalliques 30 déposées sur les surfaces supérieure et inférieure du substrat 20, formant respectivement chacune de ces bobines 2, 6 et 7, est gravée de manière à former des pistes sensiblement parallèles entre elles, qui s'étendent sur chaque surface supérieure et inférieure du substrat, jusqu'à pouvoir entourer la couche 10 déposée dans le substrat, lorsqu'elles sont reliées entre elles. Pour ce faire, les pistes métalliques gravées sur les surfaces supérieure et inférieure sont, comme on l'a vu en référence à la figure 2 en coupe, reliées ensemble par des trous d'interconnexion 40 du substrat, définissant ainsi les spires de la bobine. Selon le mode de réalisation de la figure 3, les pistes magnétiques 30 formant les spires de chacune des bobines 6, 7 entourant la couche 10, sont disposées sur le 5 substrat à côté des pistes magnétiques 30 formant les spires de la bobine d'excitation 2. Selon l'autre mode de réalisation de la figure 4, les pistes magnétiques 30 formant les spires de chacune des bobines 6, 7 entourant la couche 10, sont disposées sur le substrat, de manière à chevaucher au moins partiellement les pistes magnétiques 30 formant les spires de la bobine d'excitation 2. 10 Comme illustré en référence aux figures 3 et 4, les ouvertures 41 des trous d'interconnexion 40 sont disposées de manière alignée sur le substrat 20. L'écartement entre chaque piste métallique est alors imposé par la taille des ouvertures, laquelle est fixée de manière standard. Cette configuration en ligne limite donc la faculté d'adapter le nombre de pistes métallique pour chaque bobine. 15 En variante, comme illustré à la figure 5, ces ouvertures 41 sont disposées en quinconce sur le substrat. Cette configuration en quinconce plutôt qu'en ligne assure un gain de place sur le substrat. Elle permet en effet de resserrer l'écartement entre chaque piste, permettant ainsi d'augmenter le nombre de pistes métalliques formant les spires de chaque bobine. 20 La figure 6 illustre un mode de réalisation particulier pouvant être mis en oeuvre pour fermer le circuit magnétique qui vient d'être décrit en référence aux figures précédentes. Selon ce mode de réalisation, on prévoit de fermer le circuit magnétique à l'aide d'une couche 60 en matériau magnétique ajoutée sur la surface supérieure et/ou inférieure du substrat. La fermeture du circuit magnétique permet ainsi de reboucler le flux 25 magnétique créé vers le circuit magnétique, plutôt que dans l'air. La couche 60 de fermeture du circuit en matériau magnétique ne peut cependant pas être déposée directement sur la surface supérieure et/ou inférieure du substrat, au risque de créer des courts-circuits avec les pistes métalliques gravées dessus. Aussi, pour éviter ces courts-circuits, on dépose une couche d'isolation 50 en matériau isolant, par exemple une 30 couche de vernis ou d'adhésif, sur la surface supérieure et/ou inférieure du substrat avant de déposer la couche 60 de fermeture en matériau magnétique. La présente invention permet donc de proposer un capteur de déplacement magnétique, dans lequel, concernant sa partie sensible, on remplace l'usage d'une bobine enroulée par une bobine gravée sur un substrat PCB, le noyau de cette bobine 35 étant constitué par une ou plusieurs couches de matériau amorphe ou nanocristallin déposée dans le substrat. Cette solution présente de multiples avantages, notamment en regard de la solution précédente décrite dans le préambule. Ainsi, les bobines d'excitation et de détection du circuit étant gravées sur un substrat PCB, leurs dimensions, et donc leurs propriétés, sont plus facilement reproductibles. En outre, la partie sensible du capteur ainsi que l'électronique associée peuvent être implantées sur le même PCB, ce qui simplifie la connexion entre les deux éléments. Du fait de cette plus simple connexion, la fiabilité de l'assemblage se trouve améliorée. Enfin, la partie sensible du capteur ayant l'épaisseur d'un PCB, l'encombrement est donc très faible. De même, comme on l'a vu en référence à la figure 6, le circuit magnétique formant la partie sensible du capteur peut être facilement fermé avec un encombrement minimum. REVENDICATIONS1. Capteur de déplacement magnétique comprenant une première partie comportant d'une part, un noyau magnétique (3) magnétisé par au moins une bobine d'excitation (2) alimentée en courant alternatif et, d'autre part, au moins une bobine de détection (6, 7) couplée au noyau magnétique, caractérisé en ce que le noyau magnétique comprend au moins une couche (10, 11) en matériau magnétique incorporée dans l'épaisseur d'un substrat (20), et en ce que lesdites bobines d'excitation et de détection comprennent chacune une pluralité de pistes métalliques (30) sur les surfaces inférieure et supérieure du substrat, reliées entre elles par des trous d'interconnexion (40) disposées au sein du substrat, de manière à entourer la ou les couches en matériau magnétique déposées dans le substrat formant le noyau magnétique. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures (41) des trous d'interconnexion sont disposées de manière alignée sur le substrat. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures (41) des trous d'interconnexion sont disposées en quinconce sur le substrat. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bobines d'excitation et de détection sont disposées sur le substrat à côté l'une de l'autre. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bobines d'excitation et de détection sont disposées sur le substrat de manière au 20 moins partiellement chevauchante. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux bobines de détection disposées aux extrémités du noyau magnétique. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce qu'il comprend une couche d'isolation (50) en matériau isolant recouvrant la surface supérieure et/ou inférieure du substrat et une couche de fermeture (60) en matériau magnétique recouvrant ladite couche d'isolation. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les couches en matériau magnétique formant le noyau 30 magnétique sont réalisées en matériau amorphe ou nanocristallin. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde partie comportant un aimant (9) pouvantêtre déplacé le long du noyau magnétique et créant un entrefer virtuel dans le noyau magnétique. 10. Procédé de fabrication d'un capteur de déplacement magnétique, comprenant une première partie comportant d'une part, un noyau magnétique (3) magnétisé par au moins une bobine d'excitation (2) alimentée en courant alternatif et, d'autre part, au moins une bobine de détection (6, 7) couplée au noyau magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - réalisation du noyau magnétique par incorporation d'au moins une couche (10, 11) en matériau magnétique dans l'épaisseur d'un substrat (20), - réalisation de chacune des bobines d'excitation et de détection par gravure sur les surfaces inférieure et supérieure dudit substrat (20) d'une pluralité de pistes métalliques (30), reliées entre elles par des trous d'interconnexion (40) disposées au sein du substrat, de manière à ce qu'elles entourent la ou les couches en matériau magnétique déposées dans le substrat formant le noyau magnétique. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fermeture de la première partie du capteur consistant à déposer sur la surface supérieure et/ou inférieure du substrat une couche d'isolation (50) en matériau isolant et une couche de fermeture (60) en matériau magnétique.