Brevet FR2930042A1 — publié le 20091016

Capteur de champ magnétique La présente invention concerne un capteur de champ magnétique comprenant un conducteur électrique et un élément composé d'un matériau magnétique présentant un effet de magnéto-impédance géante. Plus particulièrement, l'invention se rapporte aux capteurs de champ magnétique utilisant l'effet de magnéto-impédance géante dit effet GMI (� Giant Magneto-Impedance �). Classiquement, les capteurs magnétiques utilisant l'effet GMI sont constitués soit d'un matériau magnétique généralement nano-cristallin en fil ou en ruban ou bien d'un conducteur pris en sandwich entre deux rubans magnétiques. Actuellement, les capteurs à effet GMI, bien que de faible consommation, ne permettent pas de répondre aux exigences de certaines applications en magnétométrie nécessitant la mesure de champs magnétiques faibles. En effet, les capteurs GMI actuels ont des performances en terme de sensibilité inférieures aux capteurs à vanne de flux (� Fluxgate �) privilégiant de ce fait l'utilisation de ces derniers dans les applications de magnétométrie exigeant la mesure de champs magnétiques faibles. Cependant, la sensibilité des capteurs à vanne de flux est conditionnée par leur taille. Ainsi, pour des capteurs à vannes de flux de quelques dizaines de grammes, la sensibilité atteinte est de l'ordre de 10 pTJ. De plus, cette technologie est arrivée à un degré de maturité qui ne laisse pas espérer une évolution importante des performances de ce type de capteur. Par conséquent, l'utilisation de capteurs à vanne de flux dans des applications de magnétométrie nécessitant la mesure de champs magnétiques faibles implique des instruments très encombrants, ce qui rend leur utilisation difficile dans des applications ayant des contraintes d'encombrement. Des exemples de telles applications concernent le domaine spatial, la détection de véhicules, le contrôle non destructif, l'exploration géophysique des sols et le domaine médical, etc. Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes. Plus particulièrement, l'invention vise à fournir un capteur magnétique sensible et de faible encombrement. L'invention vise également à fournir un capteur magnétique à effet GMI de meilleures performances en termes de sensibilité, de masse et de coût par rapport aux capteurs magnétiques à effet GMI existants. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de champ magnétique comprenant un conducteur électrique et un élément composé d'un matériau magnétique présentant un effet de magnéto-impédance géante, caractérisé en ce que le conducteur électrique est organisé sous forme d'un bobinage de détection enroulé autour de l'élément de matériau magnétique. Suivant d'autres modes de réalisation, le capteur comporte une ou plusieurs des caractéristique(s) suivante(s), prise(s) isolément ou suivant toute(s) les combinaison(s) techniquement possible(s) : - l'axe du bobinage de détection est perpendiculaire à un axe de symétrie de l'élément de matériau magnétique ; - l'axe du bobinage de détection est parallèle à un axe de symétrie de l'élément de matériau magnétique ; - ce capteur comprend un bobinage de polarisation du matériau magnétique ; - le bobinage de polarisation du matériau magnétique est le bobinage de détection ; - le matériau magnétique est un matériau magnétique nanocristallin ; - l'élément de matériau magnétique comprend un premier ruban de matériau magnétique nanocristallin ; - le premier ruban est de forme plane et le capteur comprend en outre un deuxième ruban de matériau magnétique nanocristallin de forme plane disposé parallèlement au premier ruban ; - le premier et le deuxième rubans sont organisés en un circuit magnétique fermé ; - le premier ruban est enroulé à la manière d'un tore ; - le matériau magnétique est un ferrite ; - l'élément de matériau magnétique comprend un noyau de ferrite ; et - ce capteur comprend un manchon enveloppant le noyau de ferrite et le bobinage de détection et un bobinage externe enroulé autour du manchon. Ainsi, l'invention permet de pallier les inconvénients des capteurs GMI actuels en termes de sensibilité et d'encombrement en proposant de nouvelles structures de capteurs GMI. L'invention est fondée sur l'utilisation d'un bobinage de détection à effet GMI, ce même bobinage pouvant par ailleurs servir comme bobinage de polarisation du matériau magnétique. De plus, l'invention propose l'utilisation d'une géométrie torique et une nouvelle structure de magnétométrie associant un capteur à effet GMI à un fluxmètre. Ainsi, l'invention fournit de nouvelles structures de capteurs magnétiques à effet GMI très sensibles, peu coûteuses, faciles à mettre en oeuvre et légères qui peuvent être utilisées dans toutes les applications nécessitant la mesure de champs magnétiques faibles et ayant des contraintes d'encombrement. On va maintenant décrire des modes de réalisation de l'invention de façon plus précise mais non limitative en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure d'un capteur magnétique à effet GMI de l'état de la technique ; - la figure 2 est un schéma synoptique illustrant la structure d'un capteur magnétique à effet GMI selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma synoptique illustrant la structure d'un capteur magnétique à effet GMI selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est un schéma synoptique illustrant la structure d'un capteur magnétique à effet GMI selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est un schéma synoptique illustrant la structure d'un capteur magnétique à effet GMI selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est un schéma synoptique illustrant la structure d'un capteur magnétique à effet GMI selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 7 est vue en coupe d'un magnétomètre utilisant un capteur magnétique à effet GMI selon l'invention associé à un fluxmètre. On a illustré sur la figure 1 la structure d'un capteur magnétique à effet GMI de l'état de la technique. Sur cette figure 1, le capteur magnétique est désigné par la référence générale 2. Le capteur magnétique 2 comprend un conducteur électrique 4 (par exemple un ruban de cuivre) en sandwich entre deux rubans ferromagnétiques 6 et 8 de forme plane présentant un effet de magnéto-impédance géante. Généralement, les rubans 6 et 8 sont composés d'un matériau nanocristallin mais d'autres matériaux magnétiques sont également utilisés dans l'état de la technique. Un courant alternatif dit d'excitation lem 10 est injecté à travers le capteur 2. On parle d'effet GMI ou de magnéto-impédance géante dans ce capteur 2 étant donné que lorsqu'un champ magnétique Hext 12 est appliqué à proximité du capteur 2, il y a modification de la variation d'impédance du capteur pouvant être mesurée. Dans les applications nécessitant la mesure de champs magnétiques 12 faibles, il est indispensable de polariser magnétiquement le capteur 2 avec un champ de polarisation Hbias 14. Le champ de polarisation est classiquement créé par un bobinage dit de polarisation ou par le champ de fuite d'un aimant. Le signal de mesure du champ magnétique 12 est une tension U 16 de la forme U = Zgmi-o(Hbias) X lexc+dZgmi/dH (Hbias) X lexc• La partie utile du signal mesuré 16 est contenue dans dZgmi / dH(Hbias) x lem tandis que la partie Zgmio X lem est un décalage qui a pour effet de réduire la dynamique de mesure sans apporter d'informations sur le champ magnétique 12. La structure du capteur à effet GMI 2 de l'état de la technique permet d'obtenir une sensibilité intrinsèque de ce capteur d'au maximum 2,5e-3 0 /A/m pour une polarisation en champ magnétique de 200A/m et une fréquence de 500 kHz. Avec un courant lexc 10 de 14mA, le gain du capteur 2 est de 28T/V soit 2000 O/T. Cette sensibilité est insuffisante dans les applications nécessitant la mesure de champs magnétiques très faibles. L'invention permet d'améliorer cette sensibilité des capteurs à effet GMI existants en proposant de nouvelles structures de ces capteurs. Ces structures sont décrites de manière détaille dans la suite de la description en référence aux figures 2 à 7 et permettent d'optimiser le terme dZgmi /dH (Hbias) X lexc afin d'améliorer la sensibilité du capteur. Les figures 2 et 3 illustrent la structure d'un capteur magnétique 102 à effet GMI selon l'invention. Le capteur 102 comprend un conducteur électrique organisé sous forme d'un bobinage de détection 104 enroulé autour d'un ruban de matériau magnétique nanocristallin 106. A titre d'exemple, le bobinage de détection 104 est un bobinage de fil de cuivre dans lequel l'augmentation du nombre de tours permet d'augmenter proportionnellement l'effet GMI. Dans le premier mode de réalisation illustré dans la figure 2, l'axe du bobinage 104 de fil de cuivre est perpendiculaire à l'axe du ruban 106 considéré parallèle à la longueur de ce dernier. Dans un deuxième mode de réalisation illustré dans la figure 3, le bobinage 104 de fil de cuivre est parallèle à l'axe du ruban 106. Le capteur 102 comprend également un deuxième ruban 108 de matériau magnétique nanocristallin. Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, les rubans 106 et 108 ont une forme plane comme dans le capteur 2 de l'état de la technique. Par ailleurs, il convient de noter que le bobinage 104 est utilisé à la fois pour polariser le matériau magnétique et pour la détection du champ magnétique et la mesure de l'impédance. Ainsi, l'invention permet une réutilisation du bobinage 104 pour la détection et la polarisation. Ceci permet une réduction d'encombrement par rapport à la structure du capteur à effet GMI de l'état de la technique dans laquelle le champ de polarisation était créé à l'aide d'un élément externe au capteur Hbias 14 tel un bobinage ou formé par le champ de fuite d'un aimant. Dans un autre mode de réalisation non illustré, le champ de polarisation Hbias 14 est créé à l'aide d'un bobinage différent du bobinage 104. Les figures 4 et 5 représentent d'autres modes de réalisation de l'invention. Les modes de réalisation des figures 4 et 5 correspondent à ceux des figures 2 et 3 respectivement à la différence que les circuits magnétiques comprenant les deux rubans 106 et 108 sont fermés, ce qui a pour effet de canaliser le flux du champ magnétique dû au courant d'excitation. Dans la figure 4, la fermeture du circuit magnétique est obtenue grâce à l'ajout de deux rubans 110 et 112 perpendiculaires aux rubans 106 et 108. Dans la figure 5, la fermeture du circuit magnétique est obtenue grâce à l'ajout de trois rubans 114, 116 et 118. La figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le ruban 106 est enroulé à la manière d'un tore par exemple en enroulant le ruban 106 autour d'un cylindre. Ce mode de réalisation permet également d'avoir un circuit magnétique fermé. Il convient par ailleurs de noter que dans d'autres modes de réalisation, le ruban 106 est remplacé par un noyau de ferrite. En effet, il est connu dans l'état de la technique qu'un effet GMI peut être obtenu dans les matériaux ferrite. Cependant, son utilisation dans les capteurs GMI classiques aboutit à des conclusions décevantes en raison de la nécessité de champs de polarisation très élevés. L'invention permet grâce à l'utilisation du bobinage 104 et aux formes géométriques adaptées du capteur d'utiliser un champ de polarisation plus faible. Ainsi, l'invention présente l'avantage de permettre l'utilisation de noyaux ferrite dans les capteurs magnétiques à effet GMI. Il est ainsi possible de réaliser un capteur magnétique 102 à effet GMI en utilisant des noyaux de ferrite cylindrique ou d'un autre volume et un bobinage 104 autour du noyau dont l'axe est parallèle ou perpendiculaire à l'axe du noyau de ferrite. La figure 7 est une vue en coupe illustrant un magnétomètre associant le capteur à effet GMI 102 à un fluxmètre. Le fluxmètre comprend un bobinage externe 120 (� search coil �) et un manchon externe 122. Ce fluxmètre permet de mesurer les composantes alternatives du champ magnétique Hext 12 et le bobinage interne 104 du capteur à effet GMI permet de mesurer les composantes quasi-continues et lentement variables du champ magnétique Hext 12. Ainsi, le magnétomètre obtenu dans ce mode de réalisation permet de séparer les flux de conditionnement de l'effet GMI des flux à mesurer par un effet d'induction. Ceci est dû à la géométrie fermée du circuit magnétique qui permet de canaliser l'excitation produite par le bobinage interne 104 de sorte qu'elle ne perturbe pas la mesure effectuée grâce au bobinage externe 120. Par conséquent, ce magnétomètre permet de mesurer des champs magnétiques à différentes gammes de fréquences. Enfin, il convient de noter que le capteur magnétique à effet GMI selon l'invention présente, selon les résultats obtenus lors d'expériences, un gain quarante sept fois supérieur à la structure classique. Ces résultats ont été obtenus avec un capteur présentant la structure du mode de réalisation de la figure 2. Les modes de réalisation des figures 4, 5, 6 et 7 permettent grâce à la fermeture du circuit magnétique d'obtenir des gains encore plus élevés du capteur. REVENDICATIONS1.- Capteur de champ magnétique (102) comprenant un conducteur électrique et un élément (106) composé d'un matériau magnétique présentant un effet de magnéto-impédance géante, caractérisé en ce que le conducteur électrique est organisé sous forme d'un bobinage de détection (104) enroulé autour de l'élément (106) de matériau magnétique. 2.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du bobinage de détection (104) est perpendiculaire à un axe de symétrie de l'élément (106) de matériau magnétique. 3.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du bobinage de détection (104) est parallèle à un axe de symétrie de l'élément (106) de matériau magnétique. 4.- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un bobinage de polarisation du matériau magnétique. 5.- Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bobinage de polarisation du matériau magnétique est le bobinage de détection (104). 6.- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un matériau magnétique nanocristallin. 7.- Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément (106) de matériau magnétique comprend un premier ruban de matériau magnétique nanocristallin. 8.- Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier ruban est de forme plane et en ce que le capteur (102) comprend en outre un deuxième ruban (108) de matériau magnétique nanocristallin de forme plane disposé parallèlement au premier ruban. 9.- Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier et le deuxième rubans sont organisés en un circuit magnétique fermé. 10.- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier ruban est enroulé à la manière d'un tore. 11.- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un ferrite. 12.- Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément (106) de matériau magnétique comprend un noyau de ferrite. 13.- Capteur selon la revendication 12, caractérisé en qu'il comprend un manchon enveloppant le noyau de ferrite et le bobinage de détection (104) et un bobinage externe (120) enroulé autour du manchon (122).