Brevet FR3021752A1 — publié le 20151204

Capteur magnétométrique L'invention a pour domaine celui des capteurs magnétométriques, et plus particulièrement celui des capteurs magnétométriques différentiels pour la mesure de champs magnétiques alternatifs ou, plus généralement, de champs magnétiques qui varient au cours du temps. Un capteur magnétométrique comporte un composant sensible au champ magnétique, dénommé senseur magnétique dans le présent document, qui est propre à délivrer, sous la forme d'une tension ou d'un courant, un signal de mesure correspondant au champ magnétique externe Bert dans lequel il est plongé. Les capteurs magnétométriques actuels possèdent une plage d'utilisation en fréquence, ou bande passante, limitée. Ceci est dû à l'impédance du circuit de mesure placé en aval du senseur magnétique. L'élargissement de la bande passante des capteurs magnétométriques est un problème général de ce domaine technique. Pour contourner ce problème, on considère que la zone utile d'un capteur magnétométrique est par principe limitée et on cherche simplement à optimiser sa bande passante en jouant sur la valeur de l'impédance du circuit de mesure. Par ailleurs, les senseurs magnétiques connus possèdent un signal de réponse qui n'est pas linéaire avec le champ magnétique à mesurer. Parmi les senseurs magnétiques, on connaît les senseurs magnétiques optiques, tels que les senseurs à centres N-V diamant, dans lesquels la transition entre deux niveaux énergétiques des électrons d'un atome constituant une impureté dans un cristal est modifiée lorsque ce cristal est plongé dans un champ magnétique externe Bert. La modification de la transition modifie la réponse du cristal éclairé par une lumière laser adapté. Un tel senseur magnétique fonctionne à température ambiante. La réponse du cristal est linéaire mais sur une plage de fréquences réduite autour d'une fréquence caractéristique de la transition utilisée. Parmi les senseurs magnétiques, on connait également les senseurs magnétiques supraconducteurs, qui sont particulièrement intéressants, puisqu'ils offrent les plus hautes sensibilités physiquement atteignables. Un tel senseur magnétique, mettant en oeuvre des matériaux supraconducteur, fonctionne à des températures basses, autour de 80 K environ, pour les matériaux supraconducteurs dits à haute température critique, ou ultra-basses, autour du milli-Kelvin environ pour les matériaux supraconducteurs dits à basse température critique. 3021752 2 Un senseur magnétique supraconducteur est un composant SQUID (« Superconducting QUantuminterference Device » en anglais) ou un composant SQIF (« Superconducting Quantum Interference Filter » en anglais). Un composant SQIF est constitué d'une matrice de composants SQUID, connectés en série, en parallèle ou les 5 deux. Du fait de leurs principes de fonctionnement, les composants SQUID et SQIF ont une réponse non linéaire, c'est-à-dire que la tension V(.1)) induite par le flux (I) du champ magnétique externe Bext traversant une surface S du composant, n'est pas une fonction linéaire du flux (I)'t, et par conséquent du champ magnétique externe Bert. 10 Dans le cas d'un composant SQUID, cette réponse est sinusoïdale. Dans la région du point d'inflexion de la sinusoïde, le comportement est, au premier ordre, linéaire. Cependant, cette région correspond à une plage de flux relativement étroite. Dans le cas d'un composant SOIF, la réponse est uniforme, V(4) = cste, sauf autour de certains points caractéristiques, disposés périodiquement, pour lesquels le flux 15 4ext du champ magnétique externe Bext est égal à un nombre entier de fois un flux caractéristique cl)°, dit « fluxon ». Ainsi, la réponse d'un composant SQIF prend la forme d'un « peigne inversé ». Dans un composant SQIF modifié, présentant une configuration particulière, la réponse est uniforme sauf dans une région autour de l'origine, cpext = 0, où cette réponse 20 s'annule. Dans cette région, la réponse, symétrique autour de l'origine, est quasi-linéaire. Cependant, cette région correspond à une plage de flux relativement étroite. Pour exploiter la sensibilité d'un senseur magnétique supraconducteur, il faut se placer dans le domaine linéaire, qui est cependant réduit à des régions étroites. Ainsi, même si les senseurs magnétiques sont très sensibles, leur défaut principal 25 reste donc leur très faible bande passante. L'invention a donc pour but de pallier ces problèmes. L'invention est notamment relative à un capteur magnétométrique présentant à la fois une plage de sensibilité étendue et une réponse linéaire. A cette fin, l'invention a pour objet un capteur magnétométrique comportant un 30 senseur magnétique ayant une surface et générant un signal de réponse lorsqu'il est plongé dans un champ magnétique externe créant un flux externe à travers ladite surface, caractérisé en ce qu'il comporte : un circuit de contrôle prenant en entrée le signal de réponse du senseur magnétique et générant en sortie un courant de contre réaction ; et un fil conducteur disposé au voisinage du senseur magnétique et connecté en sortie du 35 circuit de contrôle, le fil étant traversé par le courant de contre réaction, le circuit et le fil conducteur étant tels qu'un champ magnétique de contre réaction est créé dont le flux de 3021752 3 contre réaction à travers la surface du senseur magnétique compense substantiellement, à chaque instant, le flux externe, un signal de sortie du capteur magnétométrique étant constitué par le courant de contre réaction. Suivant des modes particuliers de réalisation, le capteur magnétométrique 5 comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le magnétomètre est un magnétomètre supraconducteur. - le champ magnétique externe étant variable au cours du temps, le signal de sortie du capteur magnétométrique constitue une mesure du champ magnétique externe. 10 - le signal de sortie du capteur magnétométrique constitue une mesure linéaire du champ magnétique externe. - la surface du senseur magnétique est plane et dans lequel le fil conducteur est placé sensiblement dans le plan de la surface. - le circuit de contrôle comporte un moyen de comparaison du signal de réponse 15 du senseur magnétique par rapport à un signal de référence propre à générer un signal de comparaison, et une source de courant commandée par le signal de comparaison et propre à générer le courant de contre réaction. - le senseur magnétique est constitué d'une pluralité de senseurs magnétiques élémentaires connectés en série entre deux bornes d'entrée du circuit de contrôle. 20 - le fil conducteur est configuré pour former au moins une boucle. - la boucle comporte une pluralité de spires. - le fil conducteur est configuré pour former au moins un méandre entre deux magnétomètres élémentaires voisins. -le capteur comporte un boîtier délimitant une cavité isolée des perturbations 25 magnétiques parasites et à l'intérieur de laquelle est logé le senseur magnétique et le fil conducteur. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et d'utilisation, donnés uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : 30 La figure 1 est une représentation de principe d'un capteur magnétométrique selon l'invention ; La figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation dit en boucle du capteur de la figure 1 ; et, La figure 3 est une représentation schématique d'un mode de 35 réalisation dit en méandres du capteur de la figure 1 ; Le capteur magnétométrique selon l'invention est représenté sur la figure 1 3021752 4 Il a pour fonction de permettre une mesure instantanée d'un champ magnétique externe Bext(t), qui varie au cours du temps t. Le capteur magnétométrique 10 comporte un senseur magnétique 12, un circuit de contrôle 14 et un fil conducteur 16. 5 Avantageusement, le capteur magnétométrique 10 comporte un boîtier délimitant intérieurement une cavité dans laquelle sont logés au moins le senseur magnétique 12 et le fil conducteur 16, et éventuellement le circuit de contrôle 14. La cavité, référencée de manière générale par le chiffre 18 sur la figure 1, correspond au volume dans lequel règne le champ magnétique à mesurer, ce volume étant isolé, par le boitier de toute autre 10 influence ou perturbation magnétique parasite. Le matériau dont est constitué le boîtier est donc adapté pour isoler la cavité des champs magnétiques parasites. Le senseur magnétique 12 est de préférence un senseur magnétique supraconducteur. Le senseur magnétique 12 est de forme parallélépipédique rectangle. Il présente 15 une faible épaisseur et une surface active S, sensiblement plane et présentant une normale dans le sens de l'épaisseur du senseur magnétique. Le senseur magnétique 12 est propre à générer, entre ses deux bornes de sortie, un signal de réponse, qui est ici une tension V. La tension V est une fonction du flux magnétique total instantané (I)(t) à travers la surface S. 20 Le circuit de contrôle 14 reçoit entre ses deux bornes d'entrée El et E2 le signal de réponse V(4(t)) produit par le senseur magnétique 12, et génère un courant de contre réaction icR(t) entre ses deux bornes de sortie S1 et S2. Plus précisément, le circuit de contrôle 14 comporte un moyen de comparaison 22 comportant deux bornes d'entrée, connectées aux bornes de sortie du senseur 25 magnétique 12, et propre à comparer le signal de réponse V(1)(0) à un signal de référence Vc, et à générer un signal de comparaison. Le circuit de contrôle 14 comporte une source de courant 24 commandée par le signal de comparaison et propre à générer, entre deux bornes de sortie, le courant de contre réaction icR(t). 30 Le fil conducteur 16 est connecté entre les bornes de sortie du circuit de contrôle 14. Il est conformé pour circuler au voisinage du senseur magnétique 12. Le fil conducteur 16 est traversé par le courant de contre réaction icR(t). De ce fait il crée autour de lui un champ magnétique de contre réaction BcR(t). Le champ BcR(t) est linéaire par rapport au courant icR(t). Il crée un flux de contre réaction (pecR(t) à travers la surface S du senseur 35 magnétique : cput(t) = BcR(t). S 3021752 5 A chaque instant, le signal de réponse V(t) que délivre le senseur magnétique 12 dépend du flux magnétique total (1:e(t) traversant la surface S. Ce flux total j(t) est la somme d'un flux externe (1)'t(t), qui résulte du champ magnétique externe Bext(t) à mesurer selon la relation cl)'t(t) = Bext(t). S, et du flux de 5 contre réaction cpcR(t). Le capteur 10 est à l'équilibre lorsque le flux total 4(t) reçu par le senseur magnétique 12 est constant. Dans ce régime, forcé en permanence par la contre réaction instantanée, le courant de contre réaction kR(t) représente une mesure linéaire du champ magnétique externe Bext(t) 10 Pour que cet équilibre existe, les paramètres géométriques et physiques du capteur 10 sont choisis de telle sorte que le flux de contre réaction soit opposé au flux externe et que la réponse V(t) du senseur magnétique 12 puisse être instantanément ramenée au niveau de la tension de référence Vo. Dit autrement, le circuit de contrôle 14 et le fil conducteur 16 sont tels qu'un champ magnétique de contre réaction est créé, dont 15 le flux à travers la surface active du senseur magnétique compense substantiellement, à chaque instant, le flux du champ magnétique externe. Il est à noter que si le champ magnétique externe B't possède une composante continue, le point de stabilisation sera la tension de référence Vo décalée d'une constante. Cette constante peut être annulée par le courant de contre réaction icR, en appliquant un 20 biais sur la tension de référence Vo. Par le choix adapté de la tension de référence Vo, la sensibilité maximale du capteur 10 est obtenue pour la zone de réponse du senseur magnétique où la dérivée -.9V est maximale. acp Il est à souligner que dans le capteur magnétométrique 10, le signal de réponse du 25 senseur magnétique n'est pas considéré comme un signal de mesure, mais comme un signal de régulation d'une boucle de contre réaction. C'est le signal de contre réaction qui constitue le signal de mesure. A la figure 2 est représenté un capteur 110 qui constitue un premier mode de réalisation préféré du capteur présenté ci-dessus de manière générique. 30 Dans le capteur 110, le fil conducteur 116 est configuré de manière à former une boucle autour du senseur magnétique 112. Le fil 116 se situe sensiblement dans le plan P de la surface S du senseur magnétique 112. La boucle peut comporter N spires, ce qui permet d'augmenter le flux de contre réaction pour une même amplitude du courant de contre réaction. 35 Cette configuration en boucle présente une réponse large-bande. 3021752 6 La bande passante est limitée aux fréquences hautes principalement par un effet de résistance radiative, Rrad, qui est proportionnelle à f4, où f est la fréquence du courant de contre réaction icR. La résistance radiative domine ici sur une autre limitation qui est due à l'inductance de la boucle formée par le fil 116, cette inductance étant 5 proportionnelle à f. En diminuant les dimensions du circuit formé par le fil conducteur 116, la résistance radiative Rrad peut être réduite de façon à repousser au maximum la fréquence de coupure haute du capteur 110. Cette configuration en boucle autorise une intégration dense à une ou deux 10 dimensions dans le plan P. Cette configuration en boucle permet la réalisation d'un capteur magnétique aux dimensions réduites. A la figure 3 est représenté un capteur 210 qui constitue un second mode de réalisation préféré du capteur présenté à la figure 1 de manière générique. 15 Dans ce second mode de réalisation, dite configuration en méandres, le senseur magnétique 212 est constitué d'une pluralité de senseur magnétiques élémentaires 212-i, qui sont disposés selon une rangée, de manière à ce que leurs surfaces Si soient dans le même plan P, et qui sont connectés en série entre les bornes d'entrée El et E2 du circuit de contrôle 14. 20 Le fil conducteur 216 est configuré de manière à circuler entre deux senseurs magnétiques élémentaires 212-i de manière à former une pluralité de méandres. Les senseurs élémentaires 212-i sont placés dans un méandre sur deux pour que le flux du champ magnétique de contre-réaction crée par le fil 216 ait toujours le même signe et puisse compenser le champ magnétique externe à mesurer. 25 Dans ce mode de réalisation, les senseurs magnétiques élémentaires 212-i sont asymétriques (leur réponse étant telle que : V(-.1)) = -V(cp)), ou symétriques (leur réponse étant telle que : V(-c1)) = V(cI))). La configuration en méandres est caractérisée par une inductance et une résistance radiative qui sont intrinsèquement plus faibles que celle de la configuration en 30 boucle, ce qui permet de repousser davantage la fréquence de coupure haute de la bande passante du capteur 210. Là encore, par le choix de très petites dimensions pour le circuit formé par le fil 216, la résistance radiative peut être réduite de façon à repousser au maximum la fréquence de coupure haute du capteur. 35 De plus, il est possible d'optimiser les paramètres géométriques. Par exemple, la distance x entre le fil 216 et l'axe des senseurs magnétiques peut être augmentée. Le 3021752 7 champ magnétique créé par un fil diminuant en 1/x, pour obtenir le même flux de contre réaction il faut augmenter le courant de contre réaction. Ceci présente l'avantage de permettre la détection de champs magnétiques externes de très faible amplitude (selon la normale à la surface Si des senseurs magnétiques), grâce à l'utilisation de courant de 5 contre réaction d'intensité élevée. Cette configuration en méandres autorise une intégration dense à une ou deux dimensions dans le plan P. En effet, en utilisant des senseurs magnétiques élémentaires symétriques (tels que par exemple des senseurs magnétiques supraconducteurs du type SQIF), dont la réponse est indépendante du sens du champ magnétique, il est possible 10 de placer des senseurs magnétiques élémentaires 212-i dans chacun des méandres définis par le fil 216. La densité surfacique de senseurs magnétiques élémentaires peut ainsi être augmentée, ce qui, à surface constante du composant, permet d'augmenter la sensibilité du magnétomètre de celui-ci. Cette configuration en boucle permet la réalisation d'un capteur magnétique aux 15 dimensions réduites. La configuration en méandres est d'ailleurs plus avantageuse que la configuration en boucle, car plus simple à optimiser et à intégrer à grande échelle. Le capteur magnétométrique présenté ci-dessus possède une large bande 20 passante sur laquelle, lorsque le senseur magnétique est du type supraconducteur, il possède une très haute sensibilité magnétométrique. Par une conception appropriée du capteur magnétométrique, il est possible d'envisager une bande passante s'étalant de la très basse fréquence VLF (« Very Low Frequency » en anglais), à l'ultra-haute fréquence UHF (« Ultra High Fraquency » en anglais), c'est-à-dire entre environ quelques kHz et 25 environ 1 000 MHz. Le capteur magnétométrique présenté ci-dessus présente également une réponse linéaire par rapport à l'amplitude du champ magnétique externe à mesurer, qui est uniforme sur toute la bande passante. En termes d'intensité du champ magnétique externe mesurable, le capteur 30 magnétométrique peut être adapté : segmentation en domaines de courant de contre réaction du circuit de contrôle, dimensionnement optimisé du circuit en boucle/méandres, intégration multi-échelle, etc. Eventuellement, des filtres passe-bas peuvent être introduits dans le circuit de contrôle, pour permettre de spécifier un certain nombre de plages d'utilisation en 35 fréquence, soit par ordre de grandeur fréquentiel du champ magnétique externe à mesurer, soit par domaines fréquentiels d'intérêt. 3021752 8 Le capteur magnétométrique offre enfin la possibilité d'une intégration planaire haute-densité. REVENDICATIONS1.- Capteur magnétométrique (10) comportant un senseur magnétique (12) ayant une surface (S) et générant un signal de réponse (V) lorsqu'il est plongé dans un champ magnétique externe (Bext) créant un flux externe à travers ladite surface, caractérisé en ce qu'il comporte : - un circuit de contrôle (14) prenant en entrée le signal de réponse du senseur magnétique et générant en sortie un courant de contre réaction (iCR) ; et, - un fil conducteur (16) disposé au voisinage du senseur magnétique (12) et connecté en sortie du circuit de contrôle (14), le fil étant traversé par le courant de contre réaction, le circuit et le fil conducteur étant tels qu'un champ magnétique de contre réaction (BcR) est créé dont le flux de contre réaction à travers la surface du senseur magnétique (12) compense substantiellement, à chaque instant, le flux externe, un signal de sortie du capteur magnétométrique étant constitué par le courant de contre réaction. 2.- Capteur magnétométrique (10) selon la revendication 1, dans lequel le magnétomètre (12) est un magnétomètre supraconducteur. 3.- Capteur magnétométrique (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le champ magnétique externe (Bext) étant variable au cours du temps, le signal de sortie du capteur magnétométrique (10) constitue une mesure du champ magnétique externe. 4.- Capteur magnétométrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le signal de sortie du capteur magnétométrique (10) constitue une mesure linéaire du champ magnétique externe (Bext). 30 5.- Capteur magnétométrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface du senseur magnétique est plane et dans lequel le fil conducteur est placé sensiblement dans le plan de ladite surface. 6.- Capteur magnétométrique (10) selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, dans lequel le circuit de contrôle (14) comporte un moyen (22) de comparaison du signal de réponse (V) du senseur magnétique (12) par rapport à un signal 25 3021752 10 de référence (V0) propre à générer un signal de comparaison, et une source de courant (24) commandée par le signal de comparaison et propre à générer le courant de contre réaction (iCR). 5 7.- Capteur magnétométrique (210) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le senseur magnétique (212) est constitué d'une pluralité de senseurs magnétiques élémentaires (212-i) connectés en série entre deux bornes d'entrée du circuit de contrôle (214). 10 8.- Capteur magnétométrique (110) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fil conducteur (116) est configuré pour former au moins une boucle. 9.- Capteur magnétométrique (110) selon la revendication 8, dans lequel la 15 boucle comporte une pluralité de spires (N). 10.- Capteur magnétométrique (210) selon la revendication 7, dans lequel le fil conducteur (216) est configuré pour former au moins un méandre entre deux magnétomètres élémentaires (212-i) voisins. 11.- Capteur magnétométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un boîtier délimitant une cavité (18, 118, 218) isolée des perturbations magnétiques parasites et à l'intérieur de laquelle est logé le senseur magnétique et le fil conducteur. 2025