FR2952438A1

FR2952438A1 - MAGNETOMETER

Info

Publication number: FR2952438A1
Application number: FR1059189A
Authority: FR
Inventors: Axel Franke; Po-Jui Chen; Daniel Christoph Meisel; Alexander Buhmann; Ando Feyh; Martin Eckardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2011-05-13
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: CN102073022A; FR2952438B1; DE102009046515A1; CN102073022B

Abstract

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 une conduite 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).Magnetometer comprising: a substrate (1), a point bearing (2) on the substrate (1), an oscillating structure (3) movably tilting on the point bearing (2), the oscillating structure (3) having an electrical conduit (4) making at least one turn around the fulcrum (P) of the oscillating structure (3), and a detector (5) for determining the tilting of the oscillating structure (3) relative to the substrate (1).

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un magnétomètre et un procédé de mesure des densités de flux magnétique avec un tel magnétomètre. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a magnetometer and a method for measuring magnetic flux densities with such a magnetometer.

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- State of the art Magnetometers act as a sensor for capturing magnetic fields. For example, magnetometers are used in compasses to capture the Earth's magnetic field. Micromechanical magnetometers are known which transform by the force of the place, the applied magnetic field into a displacement which is then read capacitively. Magnetic sensors, however, generally use a separate, cumbersome detection structure for each component of the field. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to develop an effective, sensitive and compact magnetometer. DESCRIPTION AND ADVANTAGES OF THE INVENTION The present invention relates to a magnetometer comprising: a substrate, a point bearing on the substrate, an oscillating structure mounted to pivot on the point bearing, the oscillating structure having an electrical conduct at least one turn around the fulcrum of the oscillating structure, and - a detector for determining the tilting of the oscillating structure with respect to the substrate. Such a magnetometer advantageously measures the components of an external magnetic field (BX and By) parallel to the surface of the substrate. The magnetometer has the advantage of allowing the measurement of two components of a magnetic field by a detection structure. Such a magnetometer is less bulky than other magnetometers. In addition to the compact construction, this magnetometer also has the advantage of a sensitivity that matches the

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 2 cilating which allows its use for applications to compasses. According to one characteristic, the electrical conductor comes into contact with a point bearing which advantageously simplifies the bringing into contact of the electrical conductor. The oscillating structure may preferably tilt around at least one first axis and at least one second axis. The first and second axes preferably pass through the one-point bearing and are perpendicular to each other. The loop or turn of the electrical conductor may consist of four linear, orthogonally combined conductor segments and two of the conductor segments are parallel to the first axis and two of the conductor segments are parallel to the second axis or two conductor segments are perpendicular to the first axis and two of the conductor segments are perpendicular to the second axis. The electrical conductor rotates around the point bearing of the oscillating structure with at least two and in particular at least three turns or turns. The detector can be made to determine the direction of tilt and / or the degree of tilt. According to another characteristic, the detector determines the tilting in particular the direction of tilting and / or the degree of tilting capacitively and / or by piezoresistance and / or piezoelectric manner and / or with a field effect transistor having a mobile door or mobile channel area (con-version with mobile door (IG-FET)). In particular, the detector may be a capacitive detector. According to another embodiment, the detector comprises at least two and in particular four electrodes made on the substrate and which form differential operating detection capabilities with the electrical conductor. In particular, the electrodes can be made under the four dials of the oscillating structure, on the substrate, these dials being formed by the first and the second axis. According to another development, the point plateau presents a depreciation. Depreciation may have for example a

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. 3 quality? 0.5 to 1 (critical damping) or a quality significantly greater than unity, for example a quality higher than 10 and in particular a quality greater than 500. A quality significantly greater than unity is obtained for example in installing the oscillating structure in a low gas pressure volume, for example at a pressure of the order of 100 Pa. According to another development, the substrate, the point bearing, the oscillating structure and the detector are micro structures -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. According to another development, the micro-electromechanical structures and the operating circuit are monolithically integrated in a chip. This can be done by a manufacturing process allowing monolithic integration of micro-electromechanical structures and an operating circuit on the same chip. In particular, such a manufacturing method can use a semiconductor process for manufacturing microelectronic circuits, in particular a CMOS process, the CMOS process comprises at least one semiconductor process step and at least one method step of wiring, the micro-electromechanical structures of the magnetometer being done as part of the cabling method step and a subsequent step of structuring process. In particular the magnetometer can be the main component of a compass, including an electronic compass. The present invention thus relates to a compass, in particular an electronic compass having a magnetometer according to the invention. In addition to the magnetometer according to the invention, the compass comprises a position compensation device for example in the form of a tilt or acceleration sensor. According to another development, the invention relates to a method for measuring magnetic flux densities with a magneto-meter according to the invention as defined above, this method comprising the following steps: a) application of an electric current to driver, and b) determination of the tilt including the direction of tilting and / or the degree of tilting with the aid of the detector.

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 By applying an electric current in the conductor, a magnetic field component can be produced along the first axis (x) with a torque and thus produce the tilting around the second axis (y) and a magnetic field component along the second axis (y) with a torque and thus produce a tilt around the first axis (x). In the context of one embodiment of the method, the detector comprises at least two and in particular at least four electrodes formed on the substrate and which form detection capacitors differentially exploitable with the electrical conductor and in the step of Method b), the tilting, in particular the tilting around the first and the second axis, is determined by a differential exploitation of the detection capacities. For example, the following graders can be used alternatively: Cita + Crib C21a C21b and 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. According to another embodiment of the method, the point pad of the magnetometer has a damping with a quality 30, in particular? 0.5 to 1 (critical damping) and in process step a), a DC or AC current is applied. By applying an alternating current, it is advantageous to eliminate the noise and / or to improve the offset stability in the subsequent conversion steps. The magnetometer can however also work in resonance. For this purpose, in the context of another development of the method, the one-point bearing of the magnetometer has a damping with a quality significantly greater than unity, for example a quality greater than 10, such as a quality greater than 500. and in process step a), an AC voltage is applied and the resulting signal is demodulated. This solution has the advantage of increasing the measurement signal. In resonant mode, the magnetometer can advantageously operate with position control. The expression mode of operation with position control means in particular that a suitable control circuit applies antagonistic couples to the structure so that it remains substantially stationary (a closed loop mode of operation). This makes it possible to have a sufficient measurement bandwidth, which is advantageous, despite the narrow resonance peak linked to the high quality (electronic damping), and a high signal / noise ratio (SNR) is maintained.

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. According to another development of the method, the magnetometer is operated with position control. Drawings The present invention will be described in more detail below with the aid of an exemplary embodiment shown schematically in the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic section of an embodiment of a magnetometer according to the invention, - Figure 2 is a schematic top view of the embodiment of the magnetometer according to the invention shown in 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 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION FIGS. 1 and 2 show an embodiment of a magnetometer according to the invention. The magnetometer comprises a substrate 1, a point bearing 2 on the substrate 1, an oscillating structure 3 mounted to tilt on the point bearing 2 and a detector 5 to determine the tilting of the oscillating structure 3 with respect to the substrate 1. The oscillating structure 3 is mounted in the middle on the point bearing 2. The oscillating structure 3 tilts in particular around a first axis x and a second axis y; the first axis x and the second axis y pass through the bearing point P of the oscillating structure 3 and are perpendicular to each other. Under the effect of a torque along the first axis x parallel to the surface of the substrate 1 may tilt around the first axis x and under the effect of a torque along the second axis y parallel to the surface of the substrate 1 , the rocking-ment will be around the second axis y. FIG. 2 shows that this can be ensured by two spacers 7 made in the form of spokes in the oscillating structure 3 by means of recesses 6. FIGS. 1 and 2 further show that the bone-shaped structure 3 in the form of a plate comprises an electrical conductor 4 made to jump three turns (three turns) around the bearing point P of the oscillating structure 3. The electrical conductor may in particular have the shape of a rectangular spiral around the bearing point P of the oscillating structure 3. A turn of the electrical conductor 4 is thus formed by four linear segments of conductor, orthogonally combined; two of the conductor segments are parallel to both sides of the first axis x and two of the conductor segments are parallel to both sides of the second axis y or two conductor segments are perpendicular to the first axis x and two conductor segments are perpendicular to the second y axis. The electrical conductor 4 is electrically connected to one side via the point bearing 2. The embodiment of FIGS. 1 and 2 comprises in particular a capacitive detector. In particular, the detector 5 has four electrodes 11a, 1b; 21a, 21b made on the substrate 1; these 20 electrodes form Ce, Cllb detection capabilities; C21a, C21b differentially exploitable with the electrical conductor 4. The four electrodes are made under the four dials of the oscillating structure 3 on the substrate 1, the dials being formed by the first axis x and the second axis 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 1. Substrate 2. Spot bearing 3. Oscillating structure 4. Electrical conductor 5. Detector 11 a, 11 b Electrodes 21a, 21b Lo electrodes

Claims

CLAIMS1 °) Magnetometer comprising: - a substrate (1), - a point bearing (2) on the substrate (1), - an oscillating structure (3) mounted movably in tilting on the point bearing (2), the oscillating structure ( 3) having an electrical conductor (4) making at least one turn around the fulcrum (P) of the oscillating structure (3), and - a detector (5) for determining the tilting of the oscillating structure (3) by relative to the substrate (1). 2) A magnetometer according to claim 1, characterized in that the electrical conductor (4) is in electrical contact via the point bearing (2). 3) magnetometer according to claim 1, characterized in that - the detector (5) determines the tilting, - capacitively, and / or - piezoresistive manner, and / or - piezoelectric manner, and / or - with a field effect transistor having a movable gate electrode or a movable channel region. 4 °) A magnetometer according to claim 1, characterized in that the detector (5) comprises at least two electrodes (11a, 11b, 21a, 21b) formed on the substrate (1), these electrodes forming detection capacitors ( This, C1b, C21a, C21b) can be differentially used with the power line (4). Magnetometer according to Claim 1, characterized in that the substrate (1), the point bearing (2), the oscillating structure (3) and the detector (5) are in the form of a micromechanical structure, the structures micromechanical devices and an operating circuit being monolithically integrated in a chip. 6 °) method for measuring magnetic flux densities using a magnetometer according to one of claims 1 to 5, characterized by the following steps: c) applying an electric current to the conductor (4), and d) determining the tilt by the detector (5). 7 °) measuring method according to claim 6, characterized in that the detector (5) comprises at least two electrodes (11a, 11b, 21a, 21b) formed on the substrate (1) and these electrodes forming capacitors of detection (That, C1b, C21a, C21b) differentially operable with the electrical conductor (4), and in the process step b) the switchover is de-terminated by the differential operation of the detection capabilities (This Clib, C21a, C21b). 8 °) Measuring method according to claim 6, characterized in that the point bearing (2) of the magnetometer has a quality damping at 30 and in the method step a) applying a direct current or an alternating current . 9) Measuring method according to claim 6, characterized in that the point bearing (2) of the magnetometer has a damping of a quali-tee significantly greater than the unit and in the process step a) is applied an alternating voltage and the resulting signal is demodulated. 10 °) Measuring method according to claim 9, characterized in that the magnetometer operates with a regulation of the support.