FR2557305A1 - Capteur de champ magnetique - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION A POUR OBJET UN CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE, CONSISTANT EN UNE MINCE COUCHE ACTIVE 12, APPROXIMATIVEMENT CIRCULAIRE, DE MATIERE FERROMAGNETIQUE ELECTRIQUEMENT CONDUCTRICE DEPOSEE SUR UN SUBSTRAT, ET EN QUATRE ELECTRODES 13-16 ESPACEES DE 90 AUTOUR DE LA CIRCONFERENCE DE LA COUCHE ACTIVE, CARACTERISE EN CE QUE LA MATIERE FERROMAGNETIQUE ELECTRIQUEMENT CONDUCTRICE EST UN METAL FERROMAGNETIQUE AMORPHE, ET EN CE QUE LA COUCHE ACTIVE 12 FAITE DE CETTE MATIERE EST MAGNETIQUEMENT ISOTROPE. APPLICATION NOTAMMENT A LA DETECTION DE LA POSITION ANGULAIRE D'UN ARBRE TOURNANT.
Description
La présente inventlor, concerne un capteur de champ magnétique, consistanz
en une mince couche active, approximativement circulaire, de matière ferromagnétique, électriquement conductrice, déposée sur un substrat, et en quatre électrodes espacées de 90 autour de la circonférence de la couche active. L'invention concerne en outre un capteur de
position construit avec un tel capteur de champ magnétique.
L'effet Hall est utilisé depuis longtemps pour mesurer des champs magnétiques. Lorsqu'un courant électrique passe dans un conducteur et qu'un champ magnétique traverse en même temps ce conducteur, dans une direction perpendiculaire au courant électrique, il y a production, perpendiculairement à ces deux directions, d'un champ dont l'intensité peut être captée, en tant que tension en travers de la surface du conducteur. Un fait moins connu est qu'un champ est également produit dans une direction perpendiculaire à celle du passage du courant, dans le plan déterminé par le champ magnétique et par la direction de passage
du courant. Cet effet est appelé "effet Hall planar".
Un capteur de champ magnétique utilisant cet effet consiste, par exemple, en un disque en feuille métallique circulaire présentant une anisotropie magnétique dont la direction préférée se trouve dans le disque et ayant quatre bornes qui sont également espacées sur le pourtour de sa circonférence et forment deux trajets de courant qui se croisent, l'un d'eux étant parallèle à la direction préférentielle de l'anisotropie magnétique. De tels capteurs de champ magnétique sont communément construits en utilisant des techniques de film mince; voir par exemple V. D.Ky, "Planar Hall Effect in Ferromagnetic Films", Phys. stat. Sol., vol. 26, page
565 (1968).
L'objet de l'invention est de perfectionner un capteur de champ magnétique du type mentionné au début, de façon qu'il
permette de déterminer la direction d'un champ magnétique.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la matière ferromagnétique conductrice est un métal ferrzmagnêtîque amorphe et que la couche active faire de cette
matière est magnétiquement isotrope.
L'invention repose sur la découverte suivante: lorsqu'un champ magnétique H est appliqué au travers d'un capteur de champ magnétique magnétiquement anisotrope, dans une direction perpendiculaire à la direction préférentielle de l'anisotropie magnétique, il y a une magnétisation dont la direction fait un angle > avec la direction préférentielle. Cet angle dépend du quotient de l'intensité du champ magnétique externe H et de l'intensité du champ d'anisotropie, Hk. La tension de Hall disponible aux électrodes du capteur en tant que résultante de l'effet Hall plan.ar dépend de l'intensité H du champ nacnétiue appliqué, exclusivement via l'angle t. La tensicn produite est ainsi une mesure directe de la direction de-la magnétisaro 5r.s le capteur. Si la direction de la magnétisation peut être rendLe égale à la direction du champ magnétique externe H, il est alors possible de déterminer la direction d'un champ magnétique. Cea peut être effectué avec un capteur de champ magnétique construit
selon l'invention.
Le capteur de position selon l'invention utilise un capteur de champ magnétique conforme à l'invention et se caractérise par le fait qu'à l'extrémité d'un arbre dont la position angulaire doit être déterminée, un aimant permanent est attaché normalement à l'axe de cet arbre, et par le fait que le capteur de champ magnétique est situé en vis-à-vis de ladite extrémité de l'arbre, d'une manière telle que la couche active du
capteur de champ magnétique soit concentrique à l'arbre.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention
seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre,
faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue de dessus et une vue en coupe d'un capteur de champ magnétique construit conformément à l'invention; - la figure 2, un graphique de la tension de sortie d'un capteur de champ magnétique conforme à l'invention, en fonction de la ^:reQt:on d'un champ magnétique appLa1cq; - la figure 3, un autre mode de réallsation d'un capteur de champ magnétique conforme à l'invention; et la figure 4, une vue en coupe d'un capteur de position avec capteur de champ magnétique conforme à l'invention. Une forme de réalisation du capteur de champ magnétique va maintenant être décrite de manière plus détaillée à l'aide de la figure 1 qui montre le capteur 10 dans une vue de dessus et une vue en coupe transversale. Quatre électrodes 13 à 16 sont déposées sur le côté supérieur d'un substrat 11 en forme de disque circulaire. Les électrodes 13 à 16 sont agencées radialement dans la région extérieure du disque circulaire et espacées à intervalles de 90 . Elles sont faites d'or, avec une couche de liaison en chrome. Une couche active circulaire 12 est déposée concentriquement sur le substrat et couvre des parties des électrodes 13 à 16. Elle est faite de Co75Fe5B20 et déposée par projection ionique sous la forme d'une couche épaisse de 100 à 500 nm. Son diamètre est approximativement 5 à 20 mm. La couche peut aussi être déposée par évaporation. Elle est magnétiquement isotrope. L'isotropie peut être obtenue par un recuit dans un
champ magnétique tournant (4 heures à 260 C, 400A/m).
Les électrodes opposées 13 et 14 de ce capteur 10 de champ magnétique sont connectées à une source de courant. Lorsque ce capteur porteur de courant est placé dans un champ magnétique externe H, une magnétisation parallèle est obtenue dans la couche active 12. Le champ magnétique H et la magnétisation font un angle r avec la direction d'écoulement du courant. Entre les deux électrodes 15 et 16 qui ne sont pas traversées par du courant est produite la tension de Hall UH - sin2 p Au lieu d'un substrat en quartz 11, on pourrait utiliser un substrat en verre, semiconducteur ou céramique. Les électrodes 13 à 16 pourraient aussi être faites de n'importe quelle autre
matière appropriée.
La couche active 12 peut aussi être faite d'autres métaux amorphes ferromagnéÉzques. Un alliage de CoxFeyBlOOxy, dans lequel 70 x ' 8C et Z ' y É 10 (x, y en % d'atomes!, s'est avéré particulièrement approprié à cette fin. Des expériences ont
été faites de préférence avec Co75Fe5B20 et Co80 B20.
Il est également possible d'utiliser d'autres métaux amorphes qui sont des alliages basés sur des éléments de transition du groupe du fer. Un tel alliage peut contenir un ou plusieurs métalloïdes (B, C, Si, Ge, P), tout aussi bien que du titane, zirconium, hafnium et/ou niobium. Jusqu'à cinq pour cent (% d'atomes) du métal amorphe peut consister en d'autres éléments. La figure 2 montre le résultat d'une mesure faite sur un capteur 10 de champ magnétique. Les ordonnées représentent la tension de Hall UH mesurée entre les électrodes 15 et 16. Les abcisses représentent l'angle entre la direction d'écoulement du courant et la direction du champ magnétique. Pendant la mesure, un courant continue de 100 mA s'écoulait entre les électrodes 13 et 14. L'intensité du champ magnétique H était de 3180 A/m. Dans l'exemple représenté, la tension de Hall est comprise
entre environ -120 /uV et + 100 /uV. -
L'équation et la courbe de la figure 2 montrent que le résultat de la mesure est ambigu. L'absence d'ambiguité n'est
obtenue que dans quatre plages angulaires,s'étendant chacune sur 90 .
En utilisant deux capteurs de champ magnétique identiques espacés de 45 , la direction d'un champ magnétique peut être déterminée sans ambiguité, mais pas le sens de ce champ. S'il faut aussi déterminer le sens sans ambiguité, deux capteurs de champ magnétique additionnels sont nécessaires. Pour déterminer la direction sans ambiguité, le substrat 11 qui est rev8tu de la première couche active 12 est revêtu d'une deuxième couche active du même genre. Les deux couches actives se recouvrent. Elles sont isolées l'une de l'autre, par exemple en étant déposées sur des c8tés différents du substrat 11. La deuxième couche active possède quatre électrodes-touches, elle aussi. Elles sont espacées de 45 de celles de la première couche active. Deux autres couches actives, qui ne diffèrent des deux premières couches que par leur câblage extérieur peuvent être déposées de
la même manière;ainsi le sens peut également être déterminé.
La figure 3 représente un mode de réalisation d'un capteur 10 de champ magnétique dont la couche active 12 est pourvue d'un total de huit électrodes 13 à 16 et 13' à 16' qui sont espacées à intervalles de 45 . Du courant est fourni au capteur par l'une des quatre paires d'électrodes opposées 13/14, 13'/14', 15/16, ou 15'/16. La tension de Hall est prélevée en dérivation de la paire d'électrodes perpendiculaire respective. En effectuant des mesures successives, la direction et le sens du champ magnétique extérieur peuvent ainsi être déterminées. Les mesures doivent bien entendu se succéder à intervalles suffisamment courts pour que la direction du champ magnétique ne change pas entre temps. En cas de changement de la direction du champ magnétique, c'est en fonction de l'application qu'un jeu complet de valeurs mesurées est utilisé pour déterminer de nouveau la direction, ou que la direction déterminée en
dernier est tout aussi bien évaluée.
La figure 4 représente un capteur de position 20 avec
lequel la position angulaire d'un arbre 21 peut être déterminée.
l'arbre 21 tourne dans un roulement à billes 23 monté dans une boite d'essieu 24. A une extrémité de l'arbre 21, un aimant permanent 22 est fixé normalement à l'axe de l'arbre. Un capteur 10 de champ magnétique est attaché à la boite d'essieu 24. Il est situé à l'opposé de l'extrémité de l'arbre 21, de sorte que sa couche active 12soit concentrique à l'arbre. Du capteur 10 de champ magnétique, on a représenté le substrat 11, la couche
active 12 et un bottier 17.
- Un tel capteur de position peut être avantageusement utilisé pour déterminer des mouvements de rotation d'un dispositif. Dans le cas d'une automobile, par exemple, le mouvement de rotation d'une roue motrice peut être évalué pour déterminer la vitesse de déplacement et le nombre de kilomètres parcourus. La vitesse du moteur peut aussi être déterminée de
cette manière.
On peut capter avec précision non seulement la vitesse de
rotation, mais aussi le déplacement angulaire respectif.
L'agencement qui vient d'être mentionné, ou un agencement correspondant, permet d'initialiser électriquement des procesus dépendant de l'angle de rotation, dans un moteur à combustion interne. De tels processus qui peuvent être initialisés électriquement sont l'allumage et l'ouverture et la fermeture de
valves actionnées électriquement.
Il est bien évident que la description qui précède n'a
été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour
autant du cadre de l'invention.
Claims (10)
1. Capteur de champ magnétique, consistant en une mince
couche active (12) approximativement circulaire, de matière ferro-
magnétique électriquement conductrice déposée sur un substrat, et en quatre électrodes (13-16) espacées de 90' autour de la circonférence de la couche active, caractérisé en ce que la matière ferromagnétique électriquement conductrice est un métal ferromagnétique amorphe, et en ce que la couche active (12) faite
de cette matière est magnétiquement isotrope.
2. Capteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal amorphe est un alliage basé sur
des éléments de transition du groupe du fer.
3. Capteur de champ magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal amorphe contient au moins un
métalloide (B, C, Si, Ge, P).
4. Capteur de champ magnétique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le métal amorphe contient du titane,
du zirconium, du hafnium, et/ou du niobium.
5. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des
revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'une proportion allant
jusqu'à 5 % (% d'atomes) du métal amorphe consiste en d'autres éléments.
6. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des
revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le métal amorphe est
un alliage à base de Co-Fe.
7. Capteur de champ magnétique selon les revendications 3
et 6, caractérisé en ce que le métal amorphe est Co xFe BlOOxy dans lequel 70 ' x 80 (x en % d'atomes)
et 4 c y < 10 (y en % d'atomes).
8. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une deuxième couche
active du même genre que la première couche active (12) est déposée sur le même substrat (11), en ce que les deux couches actives se recouvrent mutuellement, en ce que les deux couches actives sont électriquement isolées l'une de l'autre, et en ce que la deuxième couche active comporte qua:re eeczrodes (.13'-16') qui sont espacées de 45 o des électrodestouches (13...16} de la
première couche active.
9. Capteur de champ magnétique selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche active (12)
comporte quatre électrodes additionnelles (13'...16'), et en ce que les électrodes (13...16, 13'...16') sont
espacées à intervalles de 450.
10. Capteur de position, avec capteur de champ magnétique
tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à
9, caractérisé en ce qu'à l'extrémité d'un arbre (21) dont la position angulaire doit être déterminée, un aimant permanent (22) est attaché normalement à l'axe de cet arbre (21), et en ce que le capteur (10) de champ magnétique est situé en vis-à-vis de ladite extrémité de l'arbre (21), d'une manière telle que la couche active (12) du capteur (10) de champ magnétique soit
concentrique à l'arbre.
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