WO1998001764A1 - Capteur de champ magnetique en couche mince - Google Patents

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WO1998001764A1
WO1998001764A1 PCT/FR1997/001205 FR9701205W WO9801764A1 WO 1998001764 A1 WO1998001764 A1 WO 1998001764A1 FR 9701205 W FR9701205 W FR 9701205W WO 9801764 A1 WO9801764 A1 WO 9801764A1
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magnetization
axis
parallel
sensor
easy
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PCT/FR1997/001205
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English (en)
Inventor
Frédéric NGUYEN VAN DAU
Alain Schuhl
François MONTAIGNE
Original Assignee
Thomson-Csf
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Priority to EP97931872A priority patent/EP0909391A1/fr
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to a thin-film magnetic field sensor.
  • magnetotransport phenomena have the advantage of being able to be easily integrated with reading electronics.
  • two types of effects are used: on the one hand the magnetoresistance of magnetic materials, and on the other hand the Hall effect.
  • French patent application No. 93 15551 describes a weak magnetic field sensor based on a photosensitive element with planar Hall effect. Such a sensor is based on the transverse measurement of the anisotropic magnetoresistance effect in a thin ferromagnetic film.
  • the voltage measured along the axis YY ' varies as a function of the angle ⁇ between the magnetization of the film and the measurement current, by following the relationship below:
  • V l— SIN5 (2 ⁇ ) where ⁇ R is the resistivity anisotropy which essentially depends on the material and the thickness of the active part of the sensor.
  • planar Hall effect sensors compared to magnetoresistive sensors with longitudinal measurement are on the one hand a great simplification of the associated technology, on the other hand a reduction of approximately four orders of magnitude of the thermal drift, the main component of noise at low frequency (around 1 Hz).
  • this sensor can be made sensitive only to the component of the magnetic field perpendicular to its direction of supply. Its size can be reduced to dimensions smaller than those of the magnetic domains, which makes it possible to eliminate the source of noise associated with wall movements. Measurements on prototypes of such sensors have shown a linear response of these sensors on four orders of magnitude (see document A. Schuhl, F. Nguyen-Van-Dau and JR Childress, Applied Physics Letters, 66, 15 May 1995 ).
  • the invention therefore relates to a magnetic field sensor comprising a first planar element in a thin layer of crystalline magnetoresistive material with anisotropy of resistivity in the plane, having a first and a second easy magnetization axes, this element having means of electrical connections.
  • the two easy axes of magnetizations are substantially equivalent, and in that it comprises a first electrical conductor arranged parallel to an easy axis of magnetization, isolated from the magnetoresistive material and allowing the circulation of an electric current of the control inducing in the element a field magnetic which imposes, when the sensor is at rest s, an orientation of the magnetization direction of the element parallel to the second easy magnetization axis.
  • planar Hall effect sensors experimentally exhibit a non-zero resistance at zero field.
  • This offset can have two origins: - faults in the definition of the geometry of the sensor making it asymmetrical; - poor alignment of the pattern with respect to the crystal axes of the active layer.
  • the invention also relates to a sensor characterized in that it comprises:
  • a second element made of magnetoresistive material similar to the first element, the two easy magnetization axes of which are parallel to those of the first element;
  • each of the two detectors is then sensitive to a component of the magnetic field. It can be seen that the precision of such a biaxial sensor will certainly be limited by the precision of the assembly of the two detectors.
  • the two components of the magnetic field are measured by two detectors which have been assembled. The measurement accuracy is then limited by the difference in sensitivity between the two sensors. In case of mass production, large diameter substrates will be used. We can then expect significant differences between the sensitivities of the different sensors. To solve this problem, you must either locate the sensors to assemble two neighboring sensors, or measure the sensitivity of each sensor. In all cases, this requires significant operations and therefore the cost of the sensor will be affected. According to the invention, it is therefore provided that the two sensors are produced in the same magnetoresistive layer and are at a short distance from each other.
  • a substrate 5 carries an element 1, preferably square but possibly rectangular, in a thin layer of a magnetoresistive material making it possible to obtain a planar Hall effect.
  • This material has an anisotropy oriented in the plane of the layer such that there are two easy axes of magnetization. These two magnetization axes are identical and are oriented along the perpendicular axes XX "and YY '.
  • the thickness of the layer is between 0.01 and 1 ⁇ m (0.02 ⁇ m by example) and the width and length of element 1 are between 10 and 50 ⁇ m (20 ⁇ m for example).
  • the element 1 has at its two ends connection pads 2, 2 ′ allowing the connection of a current supply device and allowing the flow of a measurement current i in the element 1 This current i is preferably continuous and constant.
  • connection elements 3 and 3 ′ are connected on either side of the element 1 along the YY axis.
  • connection elements allow the connection of a voltage or resistivity measurement device.
  • the connection areas 2, 2 'and 3, 3' are at least the width of one side of the element 1.
  • These connections can be made in a material other than that of element 1.
  • this conductor is parallel to the axis XX '. It is separated from the element 1 by an insulating layer 4.
  • Element 1 is produced in the form of a thin layer of ferromagnetic material having a cubic crystal structure and causing a quadratic magneto-crystalline anisotropy in the plane of the layers.
  • a thin film produced in such a material thus has in its plane two easy axes of magnetizations equivalent and perpendicular to each other. Current techniques allow such a film to be produced.
  • the active area is such that it has the shape of a square whose characteristic size (of the order of ten microns) is sufficiently small so that the element or practically a magnetic monodomain. So in the absence of magnetic field applied, the magnetization is oriented in the square along one of the equivalent directions of easy magnetization.
  • conductor 6 is provided and provision is made for the circulation of an electric current (direct or alternating) in this conductor. This current generates a transverse magnetic field in element 1.
  • the conductor is arranged above the sensor for example parallel to the direction XX '.
  • the dimensions of the wire and its distance from the sensor must be such as to enable a magnetic field on the sensor to be sufficient to saturate the magnetization in the direction parallel to the current leads.
  • the direction of the magnetization is controlled by the direction of the current flowing in the wire. After circulating an electric control current + 1 in the conductor 6, the direction and the direction of the magnetization are controlled and the sensor delivered a voltage V +:
  • V + V 0 + S * i * H (1)
  • Vo the offset voltage
  • S the sensitivity of the sensor
  • V / T.A i is the measuring electrical current of the sensor
  • H is the component of the external field parallel to the voltage taps.
  • Field measurement can be done either after pulse I which places the magnetization of the sensors in the right direction, or if necessary during the pulse. In the latter case, the sensitivity of the sensor will depend on the intensity of the current flowing in the conductor 6.
  • V- V 0 - S * i * H (2)
  • FIG. 3 represents an application of the sensor of FIG. 2 to the production of a biaxial compass.
  • At least two sensors are produced on the same substrate making it possible to measure different components of the magnetic field.
  • these are two orthogonal components. Control of the direction of the magnetization and therefore of the direction sensitive to the field in each sensor is ensured by a control conductor such as the conductor 6 of FIG. 2.
  • FIG. 3 represents on the same substrate two magnetoresistive elements 1 and 10.
  • the electrodes 2 and 2 'of the element 1 are aligned in a direction XX' of an easy magnetization axis XX 'of the element 1.
  • the electrodes 3 and 3' are aligned along the other axis YY 'd easy magnetization.
  • the electrodes 12, 12 ' are aligned along the axis YY and the electrodes 13, 13' are aligned along the axis XX '.
  • Voltage measuring devices are connected to the electrodes 3, 3 'on the one hand and 13, 13' on the other hand.
  • the two sensors 1 and 10 To operate as a magnetic field direction detector (compass for example), it measures two components of a magnetic field.
  • the two sensors 1 and 10 must be controlled by currents traversing orthogonal conductors 6 and 16 so that under the effect of the control current I the magnetizations of the two sensors are orthogonal.
  • the two sensors are therefore sensitive to two orthogonal components of the magnetic field.
  • Elements 1 and 10 are produced on a substrate S by photolithography and / or ion etching. An insulating layer 4 is then deposited on the two sensors.
  • connection wire F1 made of a good electrical conductor material, preferably not magnetic (gold, silver, copper, aluminum, etc.) produced during a lithography step.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the sensor of the invention.
  • the two magnetoresistive elements 1, 10 are supplied with current in the same direction YY '. According to FIG. 4, they are connected in series by the connection F1 and are traversed by the same current i of the same direction.
  • the voltage measurements at connections 3, 3 'and 13, 13' are made in directions parallel to XX '.
  • the conductors 6 and 16, above the elements 1 and 10 are parallel l 'one at XX' and the other at YY '(that is to say perpendicular to each other). Recall that it was mentioned at the start of the description that these directions XX ′ and YY are parallel to the easy axes of magnetization of the elements 1 to 10.
  • the substrate is semiconductor (for example Si), it is possible to monolithically integrate all or part of the compass reading electronics on the same substrate.
  • the positioning of the conductors 6 and 16 relative to the sensors makes it possible to use the offset suppression method described in relation to FIG. 2.
  • the production method described above where the two sensors are produced during the same masking step makes it possible to substantially improve the precision as regards their relative positions. This improves the angular resolution of the biaxial compass compared to a hybrid integration.
  • any misalignment of the patterns with respect to the crystallographic axes of the magnetoresistive material can be compensated for by the offset removal procedure by reducing the extent of this misalignment by at least an order of magnitude.
  • the invention therefore makes it possible to produce a set of planar Hall effect sensors in order to obtain a biaxial compass making it possible to determine the direction of the magnetic field without a priori knowing the sensitivity of the individual elements 1 and 10.
  • the two elements make it possible to measure two orthogonal components of the magnetic field. They are produced at the same time on the same substrate. As they are close to each other the manufacturing parameters are identical. Both elements have the same sensitivity. To determine the direction of the magnetic field, it suffices to make the relationship between the two measurements. The result is then independent of the individual sensitivity of the elements.
  • the invention is perfectly suited to the manufacturing processes of low cost and large series of compasses, on large surface substrates for which very high uniformity of deposition is difficult to obtain.
  • the invention requires the introduction of an additional current line to place the magnetization of the material. sensitive of the two sensors in two directions perpendicular to each other. This same current line is used in the invention to achieve elimination of the offset and therefore obtain better angular resolution.
  • the invention is also applicable to a three-axis magnetic field direction sensor.
  • FIG. 5 schematically represents such a sensor. It comprises in a XY plane a first bi-axis sensor as described above and having two detectors (1, 10) each measuring a component of the magnetic field in a direction (X, Y) in the YX plane. Each detector is represented in this figure by its magnetoresistive sensitive element 1, 10. This first sensor therefore measures the direction of the component of the magnetic field in the XY plane.
  • a second bi-axis sensor also having two detectors (1 ′, 10 ′) is arranged in an XZ plane perpendicular to the XY plane.
  • This sensor measures the direction of the magnetic field in the XZ plane. It follows that the assembly of the two sensors makes it possible to obtain the direction of the magnetic field in space.
  • Such a sensor is easier to produce because it only requires the assembly of two sensors only (preferably in perpendicular planes) instead of three sensors in traditional techniques.
  • Figures 6a and 6b show an alternative embodiment of a tri-axis sensor comprising a bi-axis sensor such as that of Figure 3 and a conventional Hall effect sensor both integrated on the same substrate.
  • the Hall effect sensor comprises a layer 20 of material with high electronic mobility located on the substrate 7.
  • This layer 20 is for example a layer of doped semiconductor material. It is covered with an insulating layer 21 on which the magnetoresistive elements 1 and 10 and their connection means are produced which are not shown in FIGS. 6a, 6b.
  • An insulating layer 4 covers at least elements 1 and 10. We also find the conductor (6, 16) located above elements 1 and 10. Finally connections 22, 22 ', 23, 23' allow taking the contacts on the Hall 20 effect element. To simplify the figures, the contact points to the connections to elements 1 and 10 have not been shown.
  • the sensor constituted by elements 1 and 10 operate as described above and make it possible to measure the component of the magnetic field in the XY plane.
  • the conventional Hall effect sensor comprising the layer 20 makes it possible to measure the component of the magnetic field along the Z axis. It follows from this that the assembly of the two sensors makes it possible to determine the direction of a magnetic field in space.
  • switching means can be associated with each conductor 6, 16 to allow the direction of flow of the control currents in these conductors to be reversed.
  • Voltage measurement means are associated with each magnetoresistive element and a difference circuit makes it possible to make the difference in the voltage measurements made for the two directions of flow of the control currents.

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Abstract

Ce capteur de champ magnétique comprend un élément plan en couche mince (1) en matériau magnétorésistif cristallin à anisotropie de résistivité dans le plan, possédant un premier et un deuxième axes faciles d'aimantations (XX', YY'). Cet élément possède des moyens de connexions électriques (2, 2') permettant la circulation d'un premier courant électrique de mesure dans l'élément selon un première direction, ainsi que deux connexions électriques (3, 3') permettant une mesure de tension selon une deuxième direction transverse par rapport à la première direction. Les deux axes faciles d'aimantations sont sensiblement équivalents. Le dispositif comporte un conducteur électrique (6) disposé parallèlement au premier axe facile d'aimantation isolé du matériau magnétorésistif et permettant la circulation d'un courant électrique de commande induisant dans l'élément un champ magnétique qui impose, lorsque le capteur est au repos, une orientation de la direction d'aimantation de l'élément parallèle au deuxième axe facile d'aimantation.

Description

CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE EN COUCHE MINCE
L'invention concerne un capteur de champ magnétique en couche mince.
La réalisation d'un capteur magnétique fiable dans la gamme de champs magnétiques 10~6-10~'l Oersted reste un objectif stratégique, tant pour la détection d'anomalies magnétiques, que pour la réalisation de têtes de lecture de supports magnétiques à haute densité d'informations.
Parmi les effets physiques sensibles au champ magnétique, les phénomènes de magnétotransport présentent l'avantage de pouvoir être aisément intégrés avec l'électronique de lecture. Actuellement, deux types d'effets sont utilisés : d'une part la magnétorésistance des matériaux magnétiques, et d'autre part l'effet Hall.
La demande de brevet français n° 93 15551 décrit un senseur de champ magnétique faible à base d'un élément photosensible à effet Hall planaire. Un tel senseur repose sur la mesure transverse de l'effet de magnétorésistance anisotrope dans un film mince ferromagnétique. La figure 1 représente la couche magnétosensible. Un courant I circule selon une direction XX' de la couche et on mesure la résistivité selon la direction YY'. Cette résistivité varie en fonction de l'aimantation M appliquée au senseur. De plus, elle est fonction de l'angle θ entre l'aimantation et la direction XX' du courant : = ^sin2θ μ 2
La tension mesurée selon l'axe YY' varie en fonction de l'angle θ entre l'aimantation du film et le courant de mesure, en suivant la relation ci- dessous :
A D
V = l— SIN5(2Θ) où ΔR est l'anisotropie de résistivité qui dépend essentiellement du matériau et de l'épaisseur de la partie active du capteur.
Les deux principaux avantages des capteurs à effet Hall planaire par rapport aux capteurs magnétorésistifs à mesure longitudinale sont d'une part une grande simplification de la technologie associée, d'autre part une réduction d'environ quatre ordres de grandeur de la dérive thermique, principale composante de bruit à faible fréquence (autour de 1 Hz). Par construction, ce capteur peut être rendu sensible uniquement à la composante du champ magnétique perpendiculaire à sa direction d'alimentation. Sa taille peut être réduite jusqu'à des dimensions inférieures à celles des domaines magnétiques, ce qui permet d'éliminer la source de bruit associée aux mouvements de parois. Des mesures sur des prototypes de tels capteurs ont mis en évidence une réponse linéaire de ces capteurs sur quatre ordres de grandeur (voir document A. Schuhl, F. Nguyen-Van- Dau and J.R. Childress, Applied Physics Letters, 66, 15 Mai 1995).
Cependant, dans les cas où les deux axes faciles d'aimantation de la couche magnétorésistive du capteur sont équivalents il se pose un problème pour déterminer la situation au repos du capteur. L'invention permet de lever ce doute. L'invention concerne donc un capteur de champ magnétique comprenant un premier élément plan en couche mince en matériau magnétorésistif cristallin à anisotropie de résistivité dans le plan, possédant un premier et un deuxième axes faciles d'aimantations, cet élément possédant des moyens de connexions électriques permettant la circulation d'un premier courant électrique de mesure dans l'élément selon une première direction, ainsi que deux connexions électriques permettant une mesure de tension selon une deuxième direction transverse par rapport à la première direction, caractérisé en ce que les deux axes faciles d'aimantations sont sensiblement équivalents, et en ce qu'il comporte un premier conducteur électrique disposé parallèlement à un axe facile d'aimantation, isolé du matériau magnétorésistif et permettant la circulation d'un courant électrique de cjommande induisant dans l'élément un champ magnétique qui impose, lorsque le capteur est au repos, une orientation de la direction d'aimantation de l'élément parallèle au deuxième axe facile d'aimantation.
De plus, de tels capteurs à effet Hall planaire présentent expérimentalement une résistance non nulle à champ nul. Cet offset peut avoir deux origines : - des défauts dans la définition de la géométrie du capteur rendant celui-ci dissymétrique ; - un mauvais alignement du motif par rapport aux axes cristallins de la couche active.
La présence de cet offset introduit une composante isotrope dans la résistivité transverse qui dérive en température, ce qui réduit un des avantages essentiels de la géométrie transverse. Par ailleurs, le signal de sortie est alors élevé, ce qui limite les performances du capteur en particulier pour une lecture en mode détection synchrone. L'invention proposée résout ce problème.
Un autre problème est la réalisation de boussoles biaxes. Pour cela on prévoit d'assembler dans le même plan deux capteurs à effet Hall planaire. Mais cet assemblage doit répondre à des conditions particulières.
C'est pourquoi, l'invention concerne également un capteur caractérisé en ce qu'il comprend :
- un deuxième élément en matériau magnétorésistif similaire au premier élément dont les deux axes faciles d'aimantation sont parallèles à ceux du premier élément ;
- des moyens de connexions électriques permettant la circulation d'un deuxième courant électrique de mesure dans cet élément selon une direction parallèle à la première ou à la deuxième direction ;
- deux connexions électriques permettant une mesure de tension selon une direction transverse à la direction de circulation du deuxième courant et parallèle à la deuxième ou la première direction ; - un deuxième conducteur électrique disposé parallèlement au deuxième axe facile d'aimantation et permettant la circulation d'un courant électrique de commande induisant dans ce deuxième élément un champ magnétique qui impose, lorsque le capteur est au repos, une orientation de la direction d'aimantation de l'élément parallèle au premier axe facile d'aimantation.
Chacun des deux détecteurs est alors sensible à une composante du champ magnétique. On voit que la précision d'un tel capteur biaxe sera certainement limitée par la précision de l'assemblage des deux détecteurs. Par ailleurs, les deux composantes du champ magnétique sont mesurées par deux détecteurs qui ont été assemblés. La précision de mesure est alors limitée par la différence de sensibilité entre les deux capteurs. En cas de fabrication massive, des substrats de large diamètre seront utilisés. On peut alors s'attendre à des différences importantes entre les sensibilités des différents capteurs. Pour résoudre ce problème, il faut soit repérer les capteurs pour assembler deux capteurs voisins, soit mesurer la sensibilité de chaque capteur. Dans tous les cas, cela demande des opérations importantes et donc le coût du capteur s'en ressentira. Selon l'invention on prévoit donc que les deux capteurs sont réalisés dans une même couche magnétorésistive et sont à une distance faible l'un de l'autre.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :
- la figure 1 , un capteur magnétorésistif à effet Hall planaire déjà décrit précédemment ;
- la figure 2, un schéma de réalisation simplifié d'un capteur selon l'invention ; - la figure 3, une boussole biaxe selon l'invention.
- la figure 4, une variante de réalisation d'un capteur selon l'invention ;
- la figure 5, un capteur tri-axes combinant deux capteurs bi-axes selon l'invention ; - les figures 6a et 6b, un capteur tri-axes combinant un capteur bi-axe et un capteur à effet Hall classique. En se reportant à la figure 2, on va décrire un exemple de réalisation simplifié d'un capteur selon l'invention.
Un substrat 5 porte un élément 1, de préférence carré mais pouvant être rectangulaire, en couche mince d'un matériau magnétorésistif permettant d'obtenir un effet Hall planaire. Ce matériau présente une anisotropie orientée dans le plan de la couche telle qu'il existe deux axes faciles d'aimantation. Ces deux axes d'aimantation sont identiques et sont orientées selon les axes perpendiculaires XX" et YY'. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche est comprise entre 0,01 et 1 μm (0,02 μm par exemple) et la largeur et la longueur de l'élément 1 sont comprises entre 10 et 50 μm (20 μm par exemple). Selon l'axe XX", l'élément 1 possède à ses deux extrémités des plages de connexion 2, 2' permettant de connecter un appareil d'alimentation en courant et permettant la circulation d'un courant de mesure i dans l'élément 1. Ce courant i est de préférence continu et constant.
Deux éléments de connexion 3 et 3' sont connectés de part et d'autre de l'élément 1 selon l'axe YY.
Ces éléments de connexion permettent de connecter un appareil de mesure de tension ou de résistivité. Les plages de connexions 2, 2' et 3, 3' font au moins la largeur d'un côté de l'élément 1. De plus, on prévoit une augmentation rapide de la largeur de ces plages de connexion pour diminuer les limitations liées au bruit de Johnson ainsi que la dissipation électrique. Ces connexions peuvent être réalisées dans un autre matériau que celui de l'élément 1.
Au-dessus de l'élément 1 est prévu un conducteur 6. Par exemple, ce conducteur est parallèle à l'axe XX'. Il est séparé de l'élément 1 par une couche d'isolant 4.
La circulation d'un courant électrique dans le conducteur 6 (continu ou alternatif) génère un champ magnétique transverse au niveau de l'élément 1.
Il est aussi possible de contrôler la direction et le sens de l'aimantation perpendiculairement au fil. Le champ nécessaire pour obtenir ce contrôle est bien inférieur au champ d'anisotropie et bien supérieur à la plage de champ que l'on souhaite détecter.
L'élément 1 est réalisé sous forme d'une couche mince d'un matériau ferromagnétique présentant une structure cristalline cubique et entraînant une anisotropie magnéto-cristalline quadratique dans le plan des couches. Un film mince réalisé dans un tel matériau possède ainsi dans son plan deux axes faciles d'aimantations équivalentes et perpendiculaires l'une à l'autre. Les techniques actuelles permettent de réaliser un tel film.
Dans un capteur à effet Hall planaire selon l'invention, la zone active est telle qu'elle a la forme d'un carré dont la taille caractéristique (de l'ordre de la dizaine de microns) est suffisamment faible pour que l'élément soit pratiquement un monodomaine magnétique. Ainsi, en l'absence de champ magnétique appliqué, l'aimantation est orientée dans le carré le long d'une des directions équivalentes de facile aimantation. Lorsque le capteur est soumis à un champ magnétique sensiblement inférieur à son anisotropie, il est uniquement sensible à la composante de ce champ dans son plan perpendiculaire à la direction de l'aimantation. Pour contrôler la direction du champ appliqué à laquelle le capteur sera sensible, il convient donc de contrôler la direction de l'aimantation dans l'élément sensible. C'est pourquoi, selon l'invention on prévoit le conducteur 6 et on prévoit la circulation d'un courant électrique (continu ou alternatif) dans ce conducteur. Ce courant génère un champ magnétique transversal dans l'élément 1.
Il est avantageux de se placer dans les conditions où le conducteur est large vis-à-vis de la distance le séparant du capteur, le champ magnétique induit ne dépendant plus alors de cette distance. Selon l'exemple de réalisation de la figure 2, le conducteur est disposé au-dessus du capteur par exemple parallèlement à la direction XX' . Les dimensions du fil et sa distance au capteur doivent être telles qu'elles permettent d'induire un champ magnétique sur le capteur suffisant pour saturer l'aimantation dans la direction parallèle aux amenées de courant. Le sens de l'aimantation est contrôlé par le sens du courant circulant dans le fil. Après avoir fait circuler un courant électrique de commande +l dans le conducteur 6, la direction et le sens de l'aimantation sont contrôlés et le capteur délivré une tension V+ :
V+ = V0 + S*i*H (1 ) où Vo est la tension d'offset, S est la sensibilité du capteur (en
V/T.A), i est le courant électrique de mesure du capteur, H est la composante du champ extérieur parallèle aux prises de tension.
Il n'est alors pas nécessaire de disposer d'un matériau actif possédant une anisotropie uni-axiale planaire. A partir de couches actives ne possédant que leur anisotropie quadratique intrinsèque, et donc deux directions de facile aimantation équivalentes et perpendiculaires l'une à l'autre, il est alors possible de fabriquer sur le même substrat des capteurs à effet Hall planaire mesurant des composantes différentes du champ magnétique. Le contrôle de la direction sensible de chaque élément magnétorésistif est assurée par l'intermédiaire du conducteur de commande (6) et la circulation d'un courant adéquat dans celui-ci.
La mesure du champ peut se faire soit après l'impulsion I qui place l'aimantation des capteurs dans la bonne direction, soit si cela est nécessaire pendant l'impulsion. Dans ce dernier cas, la sensibilité du capteur dépendra de l'intensité du courant circulant dans le conducteur 6.
Sur un tel type de capteur, il convient alors d'éliminer toute source possible d'anisotropie uni-axiale. En particulier, le motif du capteur doit respecter la symétrie du cristal. Si maintenant on applique un courant -I, on sature l'aimantation dans le sens opposé au précédent. Le capteur délivre ensuite le signal :
V- = V0 - S*i*H (2)
Une simple opération de soustraction -V+ - V- = 2*S*i*H - permet alors d'éliminer l'offset et d'extraire la partie utile du signal. La figure 3 représente une application du capteur de la figure 2 à la réalisation d'une boussole biaxe.
Selon l'invention on réalise sur un même substrat au moins deux capteurs permettant de mesurer des composantes différentes du champ magnétique. De préférence, il s'agit de deux composantes orthogonales. Le contrôle de la direction de l'aimantation et donc de la direction sensible au champ dans chaque capteur est assurée par un conducteur de commande tel que le conducteur 6 de la figure 2.
La figure 3 représente sur un même substrat deux éléments magnétorésistifs 1 et 10.
Les électrodes 2 et 2' de l'élément 1 sont alignées selon une direction XX' d'un axe d'aimantation facile XX' de l'élément 1. Les électrodes 3 et 3' sont alignées selon l'autre axe YY' d'aimantation facile.
Pour l'élément 10, les électrodes 12, 12' sont alignées selon l'axe YY et les électrodes 13, 13' sont alignées selon l'axe XX'.
Aux électrodes 3, 3' d'une part et 13, 13' d'autre part sont connectés des dispositifs de mesure de tension.
Un conducteur 6, parallèle à l'axe YY' est situé au-dessus de l'élément 1 et un conducteur 16, parallèle à l'axe XX' est situé au-dessus de l'élément 10. Ces conducteurs sont isolés des éléments 1 et 10. Ils sont alimentés par un courant de commande I. Selon l'exemple de la figure 1 , les conducteurs 6 et 16 sont un même conducteur alimenté par un courant I.
Pour fonctionner en détecteur de direction de champ magnétique (boussole par exemple), il permet de mesurer deux composantes d'un champ magnétique. Les deux capteurs 1 et 10 doivent être commandés par des courants parcourant des conducteurs 6 et 16 orthogonaux de façon que sous l'effet du courant de commande I les aimantations des deux capteurs soient orthogonales. Les deux capteurs sont donc sensibles à deux composantes orthogonales du champ magnétique. La réalisation des éléments 1 et 10 sur un substrat S se fera par photolithographie et/ou gravure ionique. Une couche d'isolant 4 est ensuite déposée sur les deux capteurs.
L'implémentation des fils métalliques bons conducteurs (or, argent, cuivre, aluminium, etc..) qui permettent le contrôle de la direction et du sens de l'aimantation dans chaque capteur peut se faire soit sur la couche d'isolant soit en face arrière du substrat. Comme on le voit sur la figure 3, les conducteurs 6 et 16 correspondant à chacun des deux capteurs sont orthogonaux l'un par rapport à l'autre. Ainsi, les aimantations de chacun des deux capteurs sont orthogonales. Dans l'exemple présenté sur la figure 3, les capteurs sont parcourus par le même courant i. La liaison peut se faire par un fil de connexion F1 en matériau bon conducteur électrique de préférence non magnétique (or, argent, cuivre, aluminium, etc..) réalisé lors d'une étape de lithographie. La figure 4, représente une autre forme de réalisation du capteur de l'invention. Les deux éléments magnétorésistifs 1 , 10 sont alimentés en courant selon une même direction YY'. Selon la figure 4, ils sont connectés en série par la connexion F1 et sont parcourus par un même courant i de même direction. Les mesures de tension aux connexions 3, 3' et 13, 13' se font selon des directions parallèles à XX'. Par contre, ce qui importe dans le cadre de l'invention et qui est commun aux deux formes de réalisation des figures 3 et 4, c'est que les conducteurs 6 et 16, au-dessus des éléments 1 et 10, sont parallèles l'un à XX' et l'autre à YY' (c'est-à-dire perpendiculaire entre eux). Rappelons qu'on a mentionné en début de description que ces directions XX' et YY sont parallèles aux axes faciles d'aimantation des éléments 1 à 10.
Dans ces conditions les conducteurs 6 et 16 induiront dans les éléments 1 à 10 des champs perpendiculaires entre eux et parallèles chacun à un axe facile d'aimantation.
On a ainsi réalisé l'intégration monolithique d'une boussole biaxe. Si le substrat est semiconducteur (par exemple Si), il est possible d'intégrer de manière monolithique tout ou une partie de l'électronique de lecture de la boussole sur le même substrat.
Dans le dispositif de la figure 3, le positionnement des conducteurs 6 et 16 par rapport aux capteurs permet d'utiliser la méthode de suppression d'offset décrite en relation avec la figure 2. De plus, le procédé de réalisation décrit ci-dessus où les deux capteurs sont réalisés lors de la même étape de masquage permet d'améliorer substantiellement la précision quant à leurs positionnements relatifs. On améliore ainsi la résolution angulaire de la boussole biaxe par rapport à une intégration hybride.
Enfin, un désalignement éventuel des motifs par rapport aux axes cristallographiques du matériau magnétorésistif peut être compensé par la procédure de suppression d'offset en réduisant l'importance de ce désalignement par au moins un ordre de grandeur.
L'invention permet donc de réaliser un ensemble de capteurs à effet Hall planaire pour obtenir une boussole biaxe permettant de déterminer la direction du champ magnétique sans connaître à priori la sensibilité des éléments 1 et 10 individuels. Les deux éléments permettent de mesurer deux composantes orthogonales du champ magnétique. Ils sont réalisés en même temps sur le même substrat. Comme ils sont proches l'un de l'autre les paramètres de fabrications sont identiques. Les deux éléments ont la même sensibilité. Pour déterminer la direction du champ magnétique, il suffit de faire le rapport entre les deux mesures. Le résultat est alors indépendant de la sensibilité individuelle des éléments. L'invention est parfaitement adaptée aux processus de fabrication de boussole à bas coût et grande série, sur des substrats de grande surface pour lesquels une très grande homogénéité de dépôt est difficile à obtenir. Par ailleurs, l'invention impose l'introduction d'une ligne de courant supplémentaire pour placer l'aimantation du matériau sensible des deux capteurs dans deux directions perpendiculaires l'une de l'autre. Cette même ligne de courant est utilisée dans l'invention pour réaliser une suppression de l'offset et donc obtenir une meilleure résolution angulaire. L'invention est également applicable à un capteur tri-axes de direction de champ magnétique.
La figure 5 représente schématiquement un tel capteur. Il comporte dans un plan XY un premier capteur bi-axes tel que décrit précédemment et possédant deux détecteurs (1 , 10) mesurant chacun une composante du champ magnétique selon une direction (X, Y) dans le plan YX. Chaque détecteur est représenté sur cette figure par son élément sensible magnétorésistif 1 , 10. Ce premier capteur mesure donc la direction de la composante du champ magnétique dans le plan XY.
Un deuxième capteur bi-axes possédant également deux détecteurs (1', 10') est disposé dans un plan XZ perpendiculaire au plan XY.
Ce capteur mesure la direction du champ magnétique dans le plan XZ. Il s'ensuit que l'ensemble des deux capteurs permet d'obtenir la direction du champ magnétique dans l'espace.
Un tel capteur est plus facile à réaliser car il ne nécessite que l'assemblage de deux capteurs seulement (de préférence dans des plans perpendiculaires) au lieu de trois capteurs dans les techniques traditionnelles.
Les figures 6a et 6b représentent une variante de réalisation d'un capteur tri-axes comportant un capteur bi-axes tel que celui de la figure 3 et un capteur à effet Hall classique intégrés tous deux sur un même substrat.
Le capteur à effet Hall comporte une couche 20 en matériau à forte mobilité électronique située sur le substrat 7. Cette couche 20 est par exemple une couche de matériau semiconducteur dopé. Elle est recouverte d'une couche d'isolant 21 sur laquelle sont réalisés les éléments magnétorésistifs 1 et 10 et leurs moyens de connexion qui ne sont pas représentés sur les figure 6a, 6b. Une couche d'isolant 4 recouvre au moins les éléments 1 et 10. On retrouve également le conducteur (6, 16) situé au- dessus des éléments 1 et 10. Enfin des connexions 22, 22', 23, 23' permettent de prendre les contacts sur l'élément à effet Hall 20. Pour simplifier les figures, les prises de contact vers les connexions aux éléments 1 et 10 n'ont pas été représentées.
Le capteur constitué par les éléments 1 et 10 fonctionnent comme décrit précédemment et permettent de mesurer la composante du champ magnétique dans le plan XY. Le capteur à effet Hall classique comportant la couche 20 permet de mesurer la composante du champ magnétique selon l'axe Z. Il résulte de cela que l'ensemble des deux capteurs permet de déterminer la direction d'un champ magnétique dans l'espace.
H est à noter que dans les exemples de réalisation qui précèdent, des moyens de commutation peuvent être associés à chaque conducteur 6, 16 pour permettre d'inverser le sens de circulation des courants de commande dans ces conducteurs. Des moyens de mesure de tension sont associés à chaque élément magnétorésistif et un circuit de différence permet de réaliser la différence des mesures de tension faites pour les deux sens de circulation des courants de commande.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur de champ magnétique comprenant un premier élément plan en couche mince (1 ) en matériau magnétorésistif cristallin à anisotropie de résistivité dans le plan, possédant un premier et un deuxième axes faciles d'aimantations (XX', YY'), cet élément possédant des moyens de connexions électriques (2, 2') permettant la circulation d'un premier courant électrique de mesure dans l'élément selon une première direction, ainsi que deux connexions électriques (3, 3') permettant une mesure de tension selon une deuxième direction transverse par rapport à la première direction, caractérisé en ce que les deux axes faciles d'aimantations sont sensiblement équivalents, et en ce qu'il comporte un premier conducteur électrique (6) disposé parallèlement au premier axe facile d'aimantation isolé du matériau magnétorésistif et permettant la circulation d'un courant électrique de commande induisant dans l'élément un champ magnétique qui impose, lorsque le capteur est au repos, une orientation de la direction d'aimantation de l'élément parallèle au deuxième axe facile d'aimantation.
2. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première direction est parallèle avec un axe facile d'aimantation et la deuxième direction est parallèle avec l'autre axe facile d'aimantation.
3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un deuxième élément (10) en matériau magnétorésistif similaire au premier élément (1 ) dont les axes faciles d'aimantation sont parallèles à ceux du premier élément ;
- des moyens de -connexions électriques (12, 12') permettant la circulation d'un deuxième courant électrique de mesure dans cet élément selon une direction parallèle à la première ou à la deuxième direction ;
- deux connexions électriques (13, 13') permettant une mesure de tension selon une direction transverse à la direction de circulation du deuxième courant et parallèle à la deuxième ou à la première direction ; - un deuxième conducteur électrique (16) disposé parallèlement au deuxième axe facile d'aimantation et permettant la circulation d'un courant électrique de commande induisant dans ce deuxième élément un champ magnétique qui impose, lorsque le capteur est au repos, une orientation de la direction d'aimantation de l'élément parallèle au premier axe facile d'aimantation.
4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier axe facile d'aimantation est perpendiculaire au deuxième axe facile d'aimantation.
5. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier élément (1 ) et le deuxième élément (2) sont réalisés dans une même couche d'un matériau magnétorésistif cristallin.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier élément (1 ) et le deuxième élément (2) sont à une distance l'un de l'autre aussi faible que leur dimension caractéristique.
7. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commutation associés à chaque conducteur (6, 16) et permettant d'inverser le sens de circulation des courants de commande dans ces conducteurs.
8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de tension associés à chaque élément ainsi qu'un circuit de différence réalisant la différence des mesures de tension faite pour les deux sens de circulation des courants de commande.
9. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans le deuxième élément, le deuxième courant électrique de mesure circule parallèlement au premier axe facile d'aimantation et en ce que la mesure de tension se fait selon une direction parallèle au deuxième axe facile d'aimantation.
10. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans le deuxième élément, le deuxième courant électrique de mesure circule parallèlement au deuxième axe facile d'aimantation et en ce que la mesure de tension se fait selon une direction parallèle au premier axe facile d'aimantation.
11. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les éléments magnétorésistifs (1 , 10) ont la forme de rubans et sont alimentés en courant par un courant de mesure selon la plus grande longueur du ruban et que les mesures de connexions de tensions se font en des points situés sur les bords latéraux de chaque ruban, la largeur de chaque ruban étant de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres.
12. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier et le deuxième conducteurs sont connectés en série et sont alimentés par un même courant de commande (I).
13. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de connexion électriques (2, 2', 12, 12') du premier et du deuxième éléments permettent une alimentation en série des deux éléments par un même courant de mesure (i).
14. Capteur tri-axes selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un premier capteur bi-axes, comportant deux éléments (1 , 10) en matériau magnétorésistif, disposés selon un premier plan (XY) et possédant chacun leurs moyens de connexions électriques pour la circulation d'un courant de mesure et pour des mesures de tensions transverses, ainsi que leur conducteur parallèle à un axe facile d'aimantation de l'élément ;
- un deuxième capteur bi-axes, comportant également deux éléments (1', 10') en matériau magnétorésistif, disposés selon un deuxième plan (XZ) sensiblement perpendiculaire au premier plan
(XY) et possédant chacun leurs moyens de connexions électriques pour la circulation d'un courant de mesure et pour des mesures de tensions transverses ainsi que leur conducteur parallèle à un axe facile d'aimantation de l'élément.
15. Capteur tri-axe selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte sur une face d'un substrat (7) :
- un capteur à effet Hall (20) en matériau à semiconducteur permettant de mesurer un champ magnétique perpendiculaire à la face du substrat ; - un capteur comprenant deux éléments (1 , 10) réalisés dans une même couche de matériau magnétorésistif et leurs circuits associés, ainsi qu'un conducteur (6) situé au-dessus de ces éléments et permettant la circulation d'un courant de commande, pour mesurer une composante du champ magnétique selon un plan parallèle à la face du substrat.
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