Brevet FR2952438A1 — publié le 20110513

Domaine de l'invention La présente invention concerne un magnétomètre et un procédé de mesure des densités de flux magnétique avec un tel magnétomètre. Etat de la technique Les magnétomètres servent de capteur pour saisir des champs magnétiques. On utilise par exemple des magnétomètres dans les compas pour saisir le champ magnétique terrestre. On connaît des magnétomètres micromécaniques qui transforment par la force de la place, le champ magnétique appliqué en un débattement qui est ensuite lu de manière capacitive. Les capteurs magnétiques utilisent toutefois en général une structure de détection distincte, encombrante pour chaque composante du champ. But de l'invention L'invention a pour but de développer un magnétomètre efficace, sensible et peu encombrant. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un magnétomètre com-prenant : - un substrat, - un palier ponctuel sur le substrat, - une structure oscillante montée mobile en basculement sur le palier ponctuel, la structure oscillante ayant une conduite électrique faisant au moins une spire autour du point d'appui de la structure oscillante, et - un détecteur pour déterminer le basculement de la structure oscillante par rapport au substrat. Un tel magnétomètre permet de mesurer avantageuse-ment les composants d'un champ magnétique extérieur (BX et By) parai- lèles à la surface du substrat. Le magnétomètre a l'avantage de permettre la mesure de deux composantes d'un champ magnétique par une structure de détection. Un tel magnétomètre est moins encombrant que d'autres magnétomètres. En plus de la construction compacte, ce magnétomètre a également l'avantage d'une sensibilité qui s'accorde fa- 2 cilement ce qui permet son utilisation pour des applications à des compas. Selon une caractéristique, le conducteur électrique vient en contact par un palier ponctuel ce qui permet de simplifier avanta- geusement la mise en contact du conducteur électrique. La structure oscillante peut de préférence basculer au-tour d'au moins un premier axe et d'au moins un second axe. Le premier et le second axe passent de préférence par le palier ponctuel et sont perpendiculaires l'un à l'autre. La boucle ou spire du conducteur électrique peut être constituée par quatre segments de conducteur, linéaires, combinés de manière orthogonale et deux des segments de conducteur sont parallèles au premier axe et deux des segments de conducteur sont parallèles au second axe ou encore deux segments de conducteur sont perpendiculaires au premier axe et deux des segments de conducteur sont perpendiculaires au second axe. Le conducteur électrique tourne autour du palier ponctuel de la structure oscillante avec au moins deux et notamment au moins trois spires ou tours. Le détecteur peut être réalisé pour déterminer la direction de basculement et/ou le degré de basculement. Suivant une autre caractéristique, le détecteur détermine le basculement notamment la direction de basculement et/ou le degré de basculement de manière capacitive et/ou par piézorésistance et/ou de manière piézoélectrique et/ou avec un transistor à effet de champ ayant une électrode de porte mobile ou une zone de canal mobile (con-version à porte mobile (IG-FET)). En particulier, le détecteur peut être un détecteur capacitif. Suivant un autre mode de réalisation, le détecteur comporte au moins deux et notamment quatre électrodes réalisées sur le substrat et qui forment des capacités de détection à exploitation différentielle avec le conducteur électrique. En particulier, les électrodes peuvent être réalisées sous les quatre cadrans de la structure oscillante, sur le substrat, ces cadrans étant formés par le premier et le second axe. Suivant un autre développement, le palier ponctuel pré- sente un amortissement. L'amortissement peut avoir par exemple une 3 qualité ? 0,5 jusqu'à 1 (amortissement critique) ou une qualité significativement supérieure à l'unité, par exemple une qualité supérieure à 10 et notamment une qualité supérieure à 500. Une qualité significativement supérieure à l'unité s'obtient par exemple en installant la struc- ture oscillante dans un volume à faible pression de gaz, par exemple à une pression de l'ordre de 100 Pa. Suivant un autre développement, le substrat, le palier ponctuel, la structure oscillante et le détecteur sont des structures micro-électromécaniques. Suivant un autre développement, les structures micro-électromécaniques et le circuit d'exploitation sont intégrés de manière monolithique dans une puce. Cela peut se faire par un procédé de fabrication permettant l'intégration monolithique des structures micro-électromécaniques et d'un circuit d'exploitation sur une même puce. En particulier, un tel procédé de fabrication peut utiliser un procédé de semi conducteur de fabrication de circuits micro-électroniques, en particulier un procédé CMOS, le procédé CMOS comprend au moins une étape de procédé de semi conducteur et au moins une étape de procédé de câblage, les structures micro-électromécaniques du magnétomètre se faisant dans le cadre de l'étape de procédé de câblage et d'une étape suivante de procédé de mise en structure. En particulier le magnétomètre peut être le composant principal d'un compas, notamment d'un compas électronique. La présente invention concerne ainsi un compas, no- tamment un compas électronique ayant un magnétomètre selon l'invention. En plus du magnétomètre selon l'invention, le compas comporte un dispositif de compensation de position par exemple sous la forme d'un capteur d'inclinaison ou d'accélération. Suivant un autre développement, l'invention concerne un procédé de mesure des densités de flux magnétique avec un magnéto-mètre selon l'invention tel que défini ci-dessus, ce procédé comprenant les étapes suivantes : a) application d'un courant électrique au conducteur, et b) détermination du basculement notamment la direction de bascu- lement et/ ou du degré de basculement à l'aide du détecteur. 4 En appliquant un courant électrique dans le conducteur, on peut produire une composante de champ magnétique suivant le premier axe (x) avec un couple et ainsi produire le basculement autour du second axe (y) et une composante de champ magnétique suivant le deuxième axe (y) avec un couple et produire ainsi un basculement au-tour du premier axe (x). Dans le cadre d'un mode de réalisation du procédé, le détecteur comporte au moins deux et en particulier au moins quatre électrodes réalisées sur le substrat et qui forment des capacités de détection exploitables de manière différentielle avec le conducteur électrique et dans l'étape de procédé b), on détermine le basculement notamment le basculement autour du premier et du second axe par une exploitation différentielle des capacités de détection. On peut par exemple exploiter alternativement les gra- deurs suivantes : Cita+Crib C21a C21b et Cita Crib+C21a C21b Cita+Crib+C21a+C21b Cita+Crib+C21a+C21b Suivant un autre mode de réalisation du procédé, le pa- lier ponctuel du magnétomètre a un amortissement avec une qualité 30, notamment ? 0,5 jusqu'à 1 (amortissement critique) et dans l'étape de procédé a), on applique un courant continu ou un courant alternatif. En appliquant un courant alternatif, on peut avantageuse-ment éliminer le bruit et/ou améliorer la stabilité de décalage dans les étapes de conversion ultérieures. Le magnétomètre peut toutefois également fonctionner en résonance. Pour cela, dans le cadre d'un autre développement du procédé, le palier ponctuel du magnétomètre a un amortissement avec une qualité significativement supérieure à l'unité, par exemple une qua-lité supérieure à 10, telle qu'une qualité supérieure à 500 et dans l'étape de procédé a), on applique une tension alternative et on démodule le signal résultant. Cette solution a l'avantage d'augmenter le signal de mesure. En mode résonant, le magnétomètre peut avantageuse-ment fonctionner avec une régulation de position. L'expression mode de fonctionnement avec une régulation de position signifie notamment qu'un circuit de régulation approprié applique des couples antagonistes 5 à la structure de façon que celle-ci reste pratiquement immobile (un mode de fonctionnement en boucle fermée). Cela permet d'avoir une largeur de bande de mesure suffisante, avantageuse, malgré le pic de résonance étroit lié à la qualité élevée (amortissement électronique) et on conserve un rapport de signal/bruit (SNR) important. Suivant un autre développement du procédé, on fait fonctionner le magnétomètre avec une régulation de position. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schémati- quement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une section schématique d'un mode de réalisation d'un magnétomètre selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus schématique du mode de réalisation du magnétomètre selon l'invention représenté à la figure 1. Description de modes de réalisation de l'invention Les figures 1 et 2 montrent un mode de réalisation d'un magnétomètre selon l'invention. Le magnétomètre comporte un substrat 1, un palier ponctuel 2 sur le substrat 1, une structure oscillante 3 montée mobile en basculement sur le palier ponctuel 2 ainsi qu'un dé- tecteur 5 pour déterminer le basculement de la structure oscillante 3 par rapport au substrat 1. La structure oscillante 3 est montée en son milieu sur le palier ponctuel 2. La structure oscillante 3 bascule notamment autour d'un premier axe x et d'un second axe y ; le premier axe x et le second axe y passent par le point de palier P de la structure oscillante 3 et sont perpendiculaires l'un à l'autre. Sous l'effet d'un couple le long du premier axe x parallèle à la surface du substrat 1 pourra basculer autour du premier axe x et sous l'effet d'un couple le long du second axe y parallèle à la surface du substrat 1, le bascule-ment se fera autour du second axe y. La figure 2 montre que cela peut 6 être assuré par deux entretoises 7 réalisées sous la forme de rayons dans la structure oscillante 3 grâce à des évidements 6. Les figures 1 et 2 montrent en outre que la structure os-cillante 3 en forme de plaque comporte un conducteur électrique 4 fai- s saut trois tours (trois spires) autour du point de palier P de la structure oscillante 3. Le conducteur électrique peut avoir notamment la forme d'une spirale rectangulaire autour du point de palier P de la structure oscillante 3. Une spire du conducteur électrique 4 est ainsi formée par quatre segments linéaires de conducteur, combinés de manière orthogonale ; deux des segments de conducteur sont parallèles aux deux cotés du premier axe x et deux des segments de conducteur sont parallèles aux deux côtés du second axe y ou encore deux segments de conducteur sont perpendiculaires au premier axe x et deux segments de conducteur sont perpendiculaires au second axe y. Le conducteur élec- 15 trique 4 est relié électriquement d'un côté par l'intermédiaire du palier ponctuel 2. Le mode de réalisation des figures 1 et 2 comporte notamment un détecteur capacitif. En particulier, le détecteur 5 comporte quatre électrodes 11a, 1 lb ; 21a, 21b réalisées sur le substrat 1 ; ces 20 électrodes forment des capacités de détection Cela, Cllb ; C21a, C21b ex- ploitables de manière différentielle avec le conducteur électrique 4. Les quatre électrodes sont réalisées sous les quatre cadrans de la structure oscillante 3 sur le substrat 1, les cadrans étant formés par le premier axe x et le second axe y. 25 NOMENCLATURE 1. Substrat 2. Palier ponctuel 3. Structure oscillante 4. Conducteur électrique 5. Détecteur 11 a, 11 b Electrodes 21a, 21b Electrodes lo REVENDICATIONS1 °) Magnétomètre comprenant : - un substrat (1), - un palier ponctuel (2) sur le substrat (1), - une structure oscillante (3) montée mobile en basculement sur le palier ponctuel (2), la structure oscillante (3) ayant un conducteur électrique (4) faisant au moins une spire autour du point d'appui (P) de la structure oscillante (3), et - un détecteur (5) pour déterminer le basculement de la structure oscillante (3) par rapport au substrat (1). 2°) Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur électrique (4) est en contact électrique par l'intermédiaire du palier ponctuel (2). 3°) Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le détecteur (5) détermine le basculement, - de manière capacitive, et/ou - de manière piézorésistive, et/ou - de manière piézoélectrique, et/ou - avec un transistor à effet de champ ayant une électrode de porte, mobile ou une zone de canal mobile. 4°) Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (5) comporte au moins deux électrodes (11 a, 11 b ; 21a, 21b) réalisées sur le substrat (1), ces électrodes formant des capacités de détection (Cela, Cl lb ; C21a, C21b) exploitables de manière différentielle avec la ligne électrique (4). 5°) Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que 9 le substrat (1), le palier ponctuel (2), la structure oscillante (3) et le détecteur (5) sont réalisés sous la forme de structure micromécanique, les structures micromécaniques et un circuit d'exploitation étant intégrés de manière monolithique dans une puce. 6°) Procédé de mesure des densités de flux magnétique à l'aide d'un magnétomètre selon l'une des revendications 1 à 5, procédé caractérisé par les étapes suivantes : c) application d'un courant électrique au conducteur (4), et 10 d) détermination du basculement par le détecteur (5). 7°) Procédé de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que le détecteur (5) comporte au moins deux électrodes (11 a, 11 b ; 21a, 15 21b) réalisées sur le substrat (1) et ces électrodes formant des capacités de détection (Cela, Cl lb ; C21a, C21b) exploitables de manière différentielle avec le conducteur électrique (4), et dans l'étape de procédé b) on dé-termine le basculement par l'exploitation différentielle des capacités de détection (Cela, Clib ; C21a, C21b). 20 8°) Procédé de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que le palier ponctuel (2) du magnétomètre a un amortissement de qualité à 30 et dans l'étape de procédé a) on applique un courant continu ou 25 un courant alternatif. 9°) Procédé de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que le palier ponctuel (2) du magnétomètre a un amortissement d'une quali-30 té significativement supérieure à l'unité et dans l'étape de procédé a) on applique une tension alternative et on démodule le signal résultant. 10°) Procédé de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que 35 le magnétomètre fonctionne avec un régulation de l'appui.