WO2007148028A2 - Procede et systeme pour ajuster la sensibilite d'un capteur magnetoresistif - Google Patents

Procede et systeme pour ajuster la sensibilite d'un capteur magnetoresistif Download PDF

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WO2007148028A2
WO2007148028A2 PCT/FR2007/051501 FR2007051501W WO2007148028A2 WO 2007148028 A2 WO2007148028 A2 WO 2007148028A2 FR 2007051501 W FR2007051501 W FR 2007051501W WO 2007148028 A2 WO2007148028 A2 WO 2007148028A2
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sensor
magnetoresistive sensor
magnetoresistive
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Claude Fermon
Myriam Pannetier-Lecoeur
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates

Definitions

  • the present invention provides a method and system for adjusting the sensitivity of a magnetoresistive sensor.
  • Magnetoresistive sensors such as anisotropic magnetoresistance (AMR) sensors, giant magnetoresistance sensors (GMR) or tunnel magnetoresistance sensors (TMR) are used very frequently to perform magnetic field measurements especially in reading.
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • GMR giant magnetoresistance sensors
  • TMR tunnel magnetoresistance sensors
  • magnetoresistive sensors are characterized by a large variation, which gives them a great sensitivity for these measurements of weak magnetic fields.
  • Hall effect sensors are generally used which have the advantage of being linear to very high field values (> 15 T). .
  • the sensitivity of Hall effect sensors remains low compared to that of magnetoresistive sensors in the field of weak magnetic fields.
  • Magnetoresistive systems are also known, such as systems with colossal magnetoresistivity (CMR sensors) which offer a significant resistance variation over a wide range of magnetic field values.
  • CMR sensors colossal magnetoresistivity
  • the linearity of these systems is however low and they lack stability in temperature.
  • the document DE 1011313A relates to magnetoresistive sensors whose linearity is improved thanks to the application of a known magnetic field created by permanent magnets.
  • magnetoresistive sensors whose response is modified so that their sensitivity is adjusted, in particular. particularly for the measurement of high magnetic fields, or currents of high intensity.
  • the present invention thus aims to overcome the drawbacks of known magnetic field measurement systems using magnetoresistive sensors and to remedy a limitation of these sensors with respect to their response with respect to an applied magnetic field.
  • a magnetoresistive sensor such as a sensor of the AMR, GMR or TMR type is limited in field response due to rapid saturation.
  • the aim of the invention is to make it possible to measure magnetic fields or high currents using magnetoresistive sensors.
  • a method for adjusting the sensitivity of a device comprising at least one magnetoresistive sensor and increasing the response range of this device with respect to an external magnetic field, characterized in that it consists in applying a field predetermined magnetic polarization magnet H b ⁇ as in a direction such that it has a non-zero field component perpendicular to a detection direction of said magnetoresistive sensor which also corresponds to a direction of anisotropy of a layer of said magnetoresistive sensor, so that the magnetic field to be measured can be determined by a monotonic function from the resistance variation of said magnetoresistive sensor.
  • the known predetermined bias magnetic field H b , a s intended to extend the response range of the device comprising at least one magnetoresistive sensor for measuring an external magnetic field H is determined, the response of said device is determined by dividing the external magnetic field value H to be measured by the square root of the sum of the square of the value of the external magnetic field H to be measured and the square of the value of the predetermined bias magnetic field Ht > , a s.
  • the known predetermined polarization magnetic field Ht " a s is applied in a direction such that it has a field component non-zero in a direction perpendicular to the flow direction of the current in said sensor.
  • the predetermined bias magnetic field is applied.
  • the known predetermined bias magnetic field H b ias is not homogeneous and has known variations between a minimum value Hbasmm and a maximum value H bia sma ⁇ .
  • the invention also relates to a system for measuring magnetic fields or high currents using at least one magnetoresistive sensor, characterized in that it comprises means for applying a known predetermined bias magnetic field H b , as in a direction such that it has a component of the non-zero field perpendicular to a detection direction of said magnetoresistive sensor which also corresponds to a direction of anisotropy of a layer of said magnetoresistive sensor, means for measuring the variation resistor of said magnetoresistive sensor and means for determining the external magnetic field to be measured H from said measured resistance variation, the resistance of the sensor being subjected to a monotonic variation function.
  • the magnetoresistive sensor is an anisotropic magnetoresistance and the means for applying a known predetermined bias magnetic field H b ias are adapted so that said field has a component of non-zero field perpendicular to the flow of current in said sensor.
  • the magnetoresistive sensor is a giant magnetoresistance sensor or a tunnel magnetoresistance sensor comprising a hard ferromagnetic layer trapped in a reference direction and the means for applying a known predetermined polarization magnetic field H b ⁇ as are adapted so that said field has a non-zero field component in a direction perpendicular to said reference direction of the hard ferromagnetic layer.
  • the system according to the invention can be made in such a way that the magnetoresistive sensor has a square-cornered C shape or a serpentine shape with short transverse arms and longer longitudinal arms, the latter being aligned according to the direction of the axis of easy magnetization of soft ferromagnetic layers contained in said sensor and in the direction of said known predetermined bias magnetic field
  • the means for applying a known predetermined bias magnetic field H b ias comprise at least one permanent magnet.
  • the permanent magnet is placed above or below said magnetoresistive sensor and has a planar magnetization.
  • the system comprises at least one permanent magnet placed next to said magnetoresistive sensor with a magnetization directed so as to create in said sensor a planar field.
  • the permanent magnet is adapted so that the thermal variations of the remanent magnetic field created by the permanent magnet compensate for the variation in sensitivity of the magnetoresistive sensors.
  • the permanent magnet (s) can be made by electroplating, screen printing or lithography of deposited magnetic layers.
  • the means for applying a known predetermined bias magnetic field H b ias comprise at least one electromagnet coil.
  • the system may comprise means for adjusting the current flowing in said solenoid coil to compensate for the thermal sensitivity variations of the magnetoresistive sensor.
  • the senor is placed close to a conducting wire through which a current whose intensity is to be determined
  • the system comprises means for determining the intensity of said current from the value of the current.
  • magnetic field produced by said current and detected by said magnetoresistive sensor, and the magnetoresistive sensor and said conductive wire are arranged such that said detected magnetic field is perpendicular to said known predetermined bias magnetic field H b ⁇ as -
  • FIG. 1 shows the components of the magnetic field applied in the context of the process according to the invention
  • FIG. 2a shows a schematic sectional view showing the stack of layers constituting a giant magnetoresistance sensor (GMR),
  • GMR giant magnetoresistance sensor
  • FIG. 2b is a view of an example of a square-corner C-shaped GMR sensor configuration
  • FIG. 2c is a view of another example of a serpentine-shaped GMR sensor configuration
  • FIG. 3 shows a schematic view of a set of GMR sensors associated with a permanent magnet integrated above these sensors
  • FIG. 4 shows a schematic view of a set of GMR sensors associated with permanent magnets arranged laterally with respect to these sensors, and
  • FIG. 5 shows a schematic view of an exemplary device according to the invention adapted to the current measurement in a conductive wire.
  • the magnetoresistive sensors comprise a soft ferromagnetic layer, which is generally composed of NiFe or NiFe / CoFe, and whose magnetization direction can rotate freely in a plane when an external magnetic field is applied.
  • the resistance varies as the angle ⁇ between the magnetization of the soft layer and the direction of the injected current.
  • the resistance varies as the angle ⁇ between the magnetization of this soft layer and the magnetization of a hard ferromagnetic layer which constitutes a reference layer.
  • the resistance R of the sensor as a function of the angle ⁇ can be expressed in the following way as a function of components Ro and R 1 :
  • the ratio Ri / R 0 can vary between 0.05 and 0.15 whereas, for TMR sensors, the ratio Ri / R 0 can reach values of the order of 4 at room temperature.
  • the measurement direction is generally given at ⁇ ⁇ 0.
  • the angle ⁇ is the angle formed between the reference direction
  • the magnetization of the soft ferromagnetic layer follows the external magnetic field.
  • a polarization magnetic field Hb i as having a known determined value, in the plane of the sensor is applied at an angle equal to ⁇ / 2 with respect to the detection direction of the magnetoresistive sensor sensitive to a magnetic field H (figure 1).
  • a direct calculation of the inverse of equation (2) can be done by processing the acquired data.
  • Magnetoresistive sensors can advantageously be used for GMR or TMR sensors. GMR sensors have a lower resistance variation than TMR sensors, but on the other hand they accept a higher current and have lower noise at low frequencies.
  • Figure 2 shows an example of stack of layers constituting a GMR sensor having a spin valve configuration with cross anisotropies. A free layer 62 or soft ferromagnetic layer has an axis of easy magnetization perpendicular to a reference layer 64 or hard ferromagnetic layer of the spin valve.
  • the free layer 62 usually consists of two layers of NiFe and CoFe. It is separated from the reference layer 64 by a thin layer of copper 63.
  • the reference layer 64 consists of an antiferromagnetic layer coupled to a ferromagnetic layer and may comprise, for example, a CoFe / IrMn stack. According to an alternative embodiment, the reference layer 64 may contain an anti-ferromagnetic assembly such as a set of three layers forming a CoFe / Ru / CoFe stack.
  • the bias magnetic field H b ⁇ as is applied in the direction of the easy magnetization axis of the free layer 62 while the external magnetic field to be measured is applied in the direction of the reference layer 64.
  • An artificial antiferromagnetic assembly has the advantage of being insensitive to the external fields applied and in particular to the polarization magnetic field H b as and thus to make it possible to obtain a very small error with respect to the formula (2) even in strong field .
  • a GMR sensor stack 60 is associated by microfabrication with a set of contacts for two or four measurement points.
  • a stack of GMR sensors may have the shape of a square-cornered C (stack 70 of FIG. 2b) with a longitudinal arm 71 and two shorter transverse arms 72, or the shape of a coil (stack 80 of FIG. 2c) with longitudinal arms 81 and shorter connecting transverse arms 82 short-circuited to reduce magnetic noise.
  • the longitudinal arms 71, 81 are aligned with the axis of easy magnetization of the free layer and therefore with the direction of the magnetic field of polarization H b , as-
  • a magnetic field H b , a S can be created in the plane of one or more GMR sensors 90 by means of one or more permanent magnets 110, 121, 122. It is thus possible to have a permanent magnet 110 above or below magnetoresistive sensors 90 with a planar magnetization (FIG. 3).
  • magnetoresistive sensors 90 It is also possible to have one or more permanent magnets 121, 122 next to magnetoresistive sensors 90, also with a planar magnetization, or with an orthogonal magnetization oriented so as to create a planar field in the sensors 90.
  • the permanent magnets 110, 121, 122 may be arranged to create a homogeneous H b ias magnetic field and their composition may be chosen depending on the magnetic properties required and the manufacturing techniques chosen.
  • Rare earth permanent magnets constituted for example by NbFeB or SmCo alloys have the advantage of having a very high remanent field and a very high coercivity.
  • One method of manufacturing permanent magnets compatible with the manufacture of microsensors on chips is to use screen printing techniques with inks containing hard magnet powders. It is thus possible to obtain coercivities of up to 2 T and residual fields of up to 1 T.
  • Another manufacturing process consists in using electroplating techniques. CoPt alloys can thus be easily deposited with this technique to obtain the desired final shape.
  • the Hbias polarization magnetic field can also be created by an electromagnet coil. In this case, it is easier to adjust the sensitivity and immunity to the applied external fields, but this embodiment involves some current consumption.
  • FIG. 5 shows an example of a current measuring device according to the invention, with a conductive line 130 for the circulation of the current to be measured, which is arranged in the vicinity of the magnetoresistive sensors 90.
  • the prediction of the distance between the conductive line and the magnetoresistive sensors is important.
  • the conductive line 130 is integrated in the vicinity of the sensors 90 during the course of the microfabrication thereof.
  • the conductive line 130 advantageously has the same width as the sensors 90 but may be slightly wider than these if necessary.
  • a sensor width 90 of 5 ⁇ m in width and an integrated conducting line 130 current intensities of up to 100 mA can be measured with an accuracy better than 0.1%.
  • the value of the magnetic field detected by the sensors 90 is about 50 Oe.
  • a conductive wire is placed on the wafer carrying the sensors 90 on the face of the wafer which is opposite to that carrying the sensors 90 and their connections. The distance between a sensor and the conductive wire is then given by the thickness of the wafer.
  • the value Ri decreases as a function of the temperature while the value R 0 increases as a function of the temperature.
  • the variation of the value R 0 as a function of the temperature can be suppressed by means of a half bridge or Wheatstone bridge configuration comprising a plurality of sensors allowing a differential measurement.
  • a small alternating field can be applied to detect the sensitivity of the sensor and with the aid of a feedback loop, the current in the coil can be adjusted to maintain the sensitivity at the same value.
  • This option makes it possible to correctly correct the variations of the value Ri as a function of the temperature.
  • the excitation can be carried out during the measurement of the external field H either by a constant current or by pulses stabilized at a constant value.
  • the polarization magnetic field H b as is applied with an angle ⁇ relative to the direction of magnetization of the free layer of the sensor.
  • the component of the polarization field along the axis of the hard layer makes it possible to center the response of the magnetoresistive sensor and thus to obtain a perfectly symmetrical sensor response.
  • This range can also be changed without contact by changing the distance between the application means of the bias magnetic field H ⁇ as and the sensor, to adjust the operating range to required values. This is particularly advantageous when the sensor is in an encapsulated environment and when the magnitude to be measured (magnetic field H or current) changes.

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Abstract

Le système pour mesurer des champs magnétiques ou des courants élevés à l'aide d'au moins un capteur magnétorésistif (80) comprend un dispositif d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias selon une direction telle qu'il présente une composante du champ non nulle perpendiculaire à une direction de détection du capteur magnétorésistif (80) qui correspond également à une direction d'anisotropie d'une couche du capteur magnétorésistif, un dispositif de mesure de la variation de résistance du capteur magnétorésistif (80) et une unité de détermination du champ magnétique extérieur à mesurer H à partir de la variation de résistance mesurée, la résistance du capteur étant soumise à une fonction monotone de variation.

Description

Procédé et système pour ajuster la sensibilité d'un capteur maqnétorésistif
La présente invention a pour objet un procédé et un système pour ajuster la sensibilité d'un capteur magnétorésistif.
Les capteurs magnétorésistifs tels que les capteurs à magnétorésistance anisotrope (AMR), les capteurs à magnétorésistance géante (GMR) ou les capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR) sont utilisés de façon très fréquente pour effectuer des mesures de champs magnétiques en particulier dans les têtes de lecture.
Dans un faible champ magnétique, les capteurs magnétorésistifs se caractérisent par une grande variation, ce qui leur confère une grande sensibilité pour ces mesures de faibles champs magnétiques.
Actuellement, lorsque l'on souhaite mesurer des champs magnétiques relativement élevés (>10 mT), on utilise généralement des capteurs à effet Hall qui présentent l'avantage d'être linéaires jusqu'à des valeurs de champs très élevées (> 15 T). Toutefois, la sensibilité des capteurs à effet Hall reste faible comparée à celle que présentent les capteurs magnétorésistifs dans le domaine des faibles champs magnétiques.
On connaît également des systèmes magnétorésistifs tels que les systèmes présentant une magnétorésistivité colossale (capteurs CMR) qui offrent une variation de résistance non négligeable sur une large plage de valeurs de champ magnétique. La linéarité de ces systèmes est cependant faible et ils manquent de stabilité en température.
On connaît encore l'utilisation de champs magnétiques produits par des aimants permanents pour accroître la sensibilité du comportement magnétorésistif et en particulier pour réduire le bruit électrique créé lors de la formation de domaines magnétiques de mesure (voir par exemple les documents GB 2 272 561 A ; WO 95/35508 et WO 96/28812).
Par ailleurs, le document DE 1011313A est relatif à des capteurs magnétorésistifs dont la linéarité est améliorée grâce à l'application d'un champ magnétique connu créé par des aimants permanents.
Il reste toutefois un besoin pour des capteurs magnétorésistifs dont la réponse soit modifiée afin que leur sensibilité soit ajustée, en particulier pour la mesure de champs magnétiques élevés, ou de courants d'intensité importante.
La présente invention vise ainsi à remédier aux inconvénients des systèmes connus de mesure de champ magnétique à l'aide de capteurs magnétorésistifs et à remédier à une limitation de ces capteurs en ce qui concerne leur réponse par rapport à un champ magnétique appliqué.
En particulier, un capteur magnétorésistif tel qu'un capteur du type AMR, GMR ou TMR est limité en réponse en champ du fait d'une saturation rapide.
L'invention vise à permettre de mesurer des champs magnétiques ou des courants élevés à l'aide de capteurs magnétorésistifs. Ces buts sont atteints grâce à un procédé pour ajuster la sensibilité d'un dispositif comprenant au moins un capteur magnétorésistif et augmenter la plage de réponse de ce dispositif par rapport à un champ magnétique extérieur, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbιas selon une direction telle qu'il présente une composante de champ non nulle perpendiculaire à une direction de détection dudit capteur magnétorésistif qui correspond également à une direction d'anisotropie d'une couche dudit capteur magnétorésistif, de telle sorte que le champ magnétique à mesurer puisse être déterminé par une fonction monotone à partir de la variation de résistance dudit capteur magnétorésistif.
De façon plus particulière, on applique le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hb,as destiné à étendre la plage de réponse du dispositif comprenant au moins un capteur magnétorésistif pour mesurer un champ magnétique extérieur H, on détermine la réponse dudit dispositif en divisant la valeur de champ magnétique extérieur H à mesurer par la racine carrée de la somme du carré de la valeur du champ magnétique extérieur H à mesurer et du carré de la valeur du champ magnétique de polarisation prédéterminé Ht>,as.
D'une façon générale, la conception d'un capteur magnétorésistif présentant une anisotropie bien définie combinée à l'application d'un champ magnétique de polarisation Hbias appliqué selon la direction de cette anisotropie permet d'obtenir une réponse du capteur magnétorésistif qui soit prévisible et précise même dans le cas de champs magnétiques externes de valeur élevée.
Dans le cas où le procédé est destiné à ajuster la sensibilité d'un dispositif comprenant au moins un capteur à magnétorésistance anisotrope, on applique le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Ht»as selon une direction telle qu'il présente une composante de champ non nulle selon une direction perpendiculaire à la direction de circulation du courant dans ledit capteur.
Dans le cas où le procédé est destiné à ajuster la sensibilité d'un dispositif comprenant au moins un capteur à magnétorésistance géante ou un capteur à magnétorésistance tunnel comportant une couche ferromagnétique dure piégée dans une direction de référence, on applique le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias selon une direction telle qu'il présente une composante de champ non nulle selon une direction perpendiculaire à ladite direction de référence de la couche ferromagnétique dure.
Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias n'est pas homogène et présente des variations connues entre une valeur minimale Hbasmm et une valeur maximale Hbiasmaχ.
L'invention concerne également un système pour mesurer des champs magnétiques ou des courants élevés à l'aide d'au moins un capteur magnétorésistif, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hb,as selon une direction telle qu'il présente une composante du champ non nulle perpendiculaire à une direction de détection dudit capteur magnétorésistif qui correspond également à une direction d'anisotropie d'une couche dudit capteur magnétorésistif, des moyens de mesure de la variation de résistance dudit capteur magnétorésistif et des moyens de détermination du champ magnétique extérieur à mesurer H à partir de ladite variation de résistance mesurée, la résistance du capteur étant soumise à une fonction monotone de variation.
Selon un mode particulier de réalisation, le capteur magnétorésistif est une magnétorésistance anisotrope et les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias sont adaptés pour que ledit champ présente une composante de champ non nulle perpendiculaire à la circulation de courant dans ledit capteur.
Selon un autre mode de réalisation particulier, le capteur magnétorésistif est un capteur à magnétorésistance géante ou un capteur à magnétorésistance tunnel comportant une couche ferromagnétique dure piégée dans une direction de référence et les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbιas sont adaptés pour que ledit champ présente une composante de champ non nulle selon une direction perpendiculaire à ladite direction de référence de la couche ferromagnétique dure.
Le système selon l'invention peut être réalisé de telle sorte que le capteur magnétorésistif présente une forme de C à coins carrés ou une forme de serpentin avec des bras transversaux de faible longueur et des bras longitudinaux de plus grande longueur, ces derniers étant alignés selon la direction de l'axe de facile aimantation de couches ferromagnétiques douces contenues dans ledit capteur et selon la direction dudit champ magnétique de polarisation prédéterminé connu
Hbias-
Selon un mode de réalisation possible, les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias comprennent au moins un aimant permanent.
Dans ce cas selon une première possibilité, l'aimant permanent est placé au-dessus ou au-dessous dudit capteur magnétorésistif et possède une aimantation planaire. Selon une autre possibilité, le système comprend au moins un aimant permanent placé à côté dudit capteur magnétorésistif avec une aimantation dirigée de manière à créer dans ledit capteur un champ planaire.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'aimant permanent est adapté pour que les variations thermiques du champ magnétique rémanent créé par l'aimant permanent compensent la variation de sensibilité des capteurs magnétorésistifs.
A titre d'exemple, le ou les aimants permanents peuvent être réalisés par électrodéposition, sérigraphie ou lithographie de couches magnétiques déposées. Selon un autre mode de réalisation possible, les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias comprennent au moins une bobine d'électroaimant.
Dans ce cas, le système peut comprendre des moyens d'ajustement du courant circulant dans ladite bobine d'électroaimant pour compenser les variations thermiques de sensibilité du capteur magnétorésistif.
Selon encore un autre mode de réalisation, le capteur est placé à proximité d'un fil conducteur traversé par un courant dont l'intensité est à déterminer, le système comprend des moyens de détermination de l'intensité dudit courant à partir de la valeur du champ magnétique produit par ledit courant et détecté par ledit capteur magnétorésistif, et le capteur magnétorésistif et ledit fil conducteur sont disposés de telle manière que ledit champ magnétique détecté soit perpendiculaire audit champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbιas-
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 montre les composantes du champ magnétique appliqué dans le cadre du procédé selon l'invention,
- la Figure 2a montre une vue schématique en coupe montrant l'empilement de couches constituant un capteur à magnétorésistance géante (GMR),
- la Figure 2b est une vue d'un exemple de configuration de capteur GMR en forme de C à coins carrés,
- la Figure 2c est une vue d'un autre exemple de configuration de capteur GMR en forme de serpentin,
- la Figure 3 montre une vue schématique d'un ensemble de capteurs GMR associés à un aimant permanent intégré au-dessus de ces capteurs,
- la Figure 4 montre une vue schématique d'un ensemble de capteurs GMR associés à des aimants permanents disposés latéralement par rapport à ces capteurs, et
- la Figure 5 montre une vue schématique d'un exemple de dispositif selon l'invention adapté à la mesure de courant dans un fil conducteur. On rappelle tout d'abord que les capteurs magnétorésistifs comprennent une couche ferromagnétique douce, qui est généralement composée de NiFe ou de NiFe/CoFe, et dont la direction d'aimantation peut tourner librement dans un plan lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué.
Dans le cas de capteurs à magnétorésistance anisotrope (AMR), la résistance varie comme l'angle θ entre l'aimantation de la couche douce et la direction du courant injecté.
Dans le cas de capteurs à magnétorésistance géante (GMR) ou de capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR), la résistance varie comme l'angle θ entre l'aimantation de cette couche douce et l'aimantation d'un couche ferromagnétique dure qui constitue une couche de référence.
La résistance R du capteur en fonction de l'angle θ peut s'exprimer de la façon suivante en fonction de composantes Ro et R1 :
Figure imgf000008_0001
Pour des capteurs GMR, le rapport Ri/R0 peut varier entre 0,05 et 0,15 tandis que, pour des capteurs TMR, le rapport Ri/R0 peut atteindre des valeurs de l'ordre de 4 à la température ambiante.
La direction de mesure est généralement donnée à θ ≈ 0. L'angle θ est l'angle formé entre la direction de référence
(couche de référence ou direction du courant) et l'aimantation de la couche ferromagnétique douce.
L'aimantation de la couche ferromagnétique douce suit le champ magnétique externe. Selon l'invention, on applique un champ magnétique de polarisation Hbias présentant une valeur déterminée connue, dans le plan du capteur, à un angle égal à π/2 par rapport à la direction de détection du capteur magnétorésistif sensible à un champ magnétique H (figure 1).
Si le champ magnétique de polarisation Hbias est constant, la variation de résistance du capteur en fonction du champ magnétique extérieur appliqué H est donné par la formule suivante :
R = R, + R1 cosθ ≈ R0 + R] -TJL≈ (2) Pour les champs magnétiques H de faible valeur, la variation de résistance est linéaire :
Figure imgf000009_0001
Le terme d'ordre suivant dans le développement de l'équation
(2) est donné par R1 — — .
2HL*
A partir de l'équation (2), on peut déduire la sensibilité qui s'exprime de la façon suivante :
Figure imgf000009_0002
On peut effectuer un calcul direct de l'inverse de l'équation (2) en traitant les données acquises.
Il s'ensuit que si une variation de résistance δR = Ri cos θ est observée, on peut en déduire le champ magnétique externe appliqué H de la façon suivante :
Figure imgf000009_0003
Lorsqu'il s'agit de mesurer l'intensité d'un courant circulant dans un fil conducteur, il suffit de mesurer le champ magnétique créé par ce courant à l'extérieur du conducteur. Si l'intensité du courant circulant dans le fil conducteur est I, la valeur du champ magnétique H créé à une distance r du conducteur est grossièrement donnée par la formule μ0 — où μo est la perméabilité magnétique du vide. On peut utiliser avantageusement en tant que capteurs magnétorésistifs des capteurs GMR ou TMR. Les capteurs GMR présentent une variation de résistance plus faible que les capteurs TMR, mais en revanche ils acceptent un courant plus élevé et présentent un bruit plus faible à faible fréquence. La Figure 2 montre un exemple d'empilement de couches constituant un capteur GMR présentant une configuration en vanne de spin avec des anisotropies croisées. Une couche libre 62 ou couche ferromagnétique douce présente un axe de facile aimantation perpendiculaire à une couche de référence 64 ou couche ferromagnétique dure de la vanne de spin.
La couche libre 62 est habituellement constituée de deux couches de NiFe et de CoFe. Elle est séparée de la couche de référence 64 par une mince couche de cuivre 63.
La couche de référence 64 est constituée d'une couche antiferromagnétique couplée à une couche ferromagnétique et peut comprendre par exemple un empilement CoFe/IrMn. Selon une variante de réalisation, la couche de référence 64 peut contenir un ensemble antiferromagnétique tel qu'un ensemble de trois couches formant un empilement CoFe/Ru/CoFe.
Le champ magnétique de polarisation Hbιas est appliqué dans la direction de l'axe de facile aimantation de la couche libre 62 tandis que le champ magnétique extérieur à mesurer est appliqué selon la direction de la couche de référence 64.
Un ensemble antiferromagnétique artificiel présente l'avantage d'être insensible aux champs externes appliqués et en particulier au champ magnétique de polarisation Hbas et donc de permettre d'obtenir une très faible erreur par rapport à la formule (2) même en champ fort. De façon classique, un empilement 60 de capteur GMR est associé par microfabrication à un ensemble de contacts pour deux ou quatre points de mesure.
Un empilement de capteurs GMR peut présenter la forme d'un C à coins carrés (empilement 70 de la Figure 2b) avec un bras longitudinal 71 et deux bras transversaux plus courts 72, ou la forme d'un serpentin (empilement 80 de la Figure 2c) avec des bras longitudinaux 81 et des bras transversaux de liaison 82 plus courts court-circuités pour diminuer le bruit magnétique.
Dans tous les cas, les bras longitudinaux 71, 81 sont alignés avec l'axe de facile aimantation de la couche libre et donc avec la direction du champ magnétique de polarisation Hb,as-
Un champ magnétique Hb,aS peut être créé dans le plan d'un ou plusieurs capteurs GMR 90 à l'aide d'un ou plusieurs aimants permanents 110, 121, 122. On peut ainsi disposer un aimant permanent 110 au-dessus ou au-dessous de capteurs magnétorésistifs 90 avec une aimantation planaire (Figure 3).
On peut également disposer un ou plusieurs aimants permanents 121, 122 à côté de capteurs magnétorésistifs 90, également avec une aimantation planaire, ou avec une aimantation orthogonale orientée de manière à créer un champ planaire dans les capteurs 90.
Les aimants permanents 110, 121, 122 peuvent être agencés de manière à créer un champ magnétique Hbias homogène et leur composition peut être choisie en fonction des propriétés magnétiques requises et des techniques de fabrication choisies. Des aimants permanents à base de terres rares constitués par exemple par des alliages NbFeB ou SmCo présentent l'avantage d'avoir un champ rémanent très élevé et une très grande coercivité. Un procédé de fabrication des aimants permanents compatible avec la fabrication de microcapteurs sur des microplaquettes consiste à utiliser des techniques de sérigraphie avec des encres contenant des poudres d'aimants durs. On peut ainsi obtenir des coercitivités allant jusqu'à 2 T et des champs rémanents allant jusqu'à 1 T. Un autre procédé de fabrication consiste à utiliser les techniques d'électrodéposition. On peut ainsi facilement déposer avec cette technique des alliages CoPt pour obtenir la forme finale désirée.
Lorsque l'on souhaite créer un champ magnétique de polarisation Hbias homogène sur les capteurs 90, on doit choisir des aimants permanents de taille suffisamment grande et d'épaisseur suffisante pour que le champ magnétique créé soit suffisamment élevé.
Le champ magnétique de polarisation Hbias peut également être créé par une bobine d'électroaimant. Dans ce cas, il est plus facile d'ajuster la sensibilité et l'immunité face aux champs extérieurs appliqués, mais ce mode de réalisation implique une certaine consommation de courant.
La Figure 5 montre un exemple de dispositif de mesure de courant selon l'invention, avec une ligne conductrice 130 pour la circulation du courant à mesurer, qui est disposée au voisinage des capteurs magnétorésistifs 90. Dans le cas de mesure de courant, comme cela a été indiqué plus haut, la prévision de la distance entre la ligne conductrice et les capteurs magnétorésistifs est importante. Selon un exemple avantageux de réalisation, qui correspond à l'illustration de la Figure 5, la ligne conductrice 130 est intégrée au voisinage des capteurs 90 au cours même de la microfabrication de ceux-ci.
La ligne conductrice 130 présente avantageusement la même largeur que les capteurs 90 mais peut être un peu plus large que ceux-ci si nécessaire. A titre d'exemple, avec une largeur de capteur 90 de 5 μm de largeur et une ligne conductrice intégrée 130, on peut mesurer des intensités de courant allant jusqu'à 100 mA avec une précision meilleure que 0.1%. Dans ce cas, la valeur du champ magnétique détectée par les capteurs 90 est d'environ 50 Oe. Selon une variante de réalisation, adaptée à des intensités de courant plus élevées, un fil conducteur est placé sur la plaquette portant les capteurs 90 sur la face de la plaquette qui est opposée à celle portant les capteurs 90 et leurs connexions. La distance entre un capteur et le fil conducteur est alors donnée par l'épaisseur de la plaquette. Selon encore un autre mode de réalisation, on peut utiliser un concentrateur de champ si l'on veut disposer de plus de liberté sur la position du fil conducteur par rapport aux capteurs.
Si l'on considère à nouveau les équations (1) et (2), on peut noter que les performances d'un capteur magnétorésistif dépendent des variations en fonction de la température.
Habituellement, la valeur Ri décroît en fonction de la température tandis que la valeur R0 augmente en fonction de la température.
La variation de la valeur R0 en fonction de la température peut être supprimée à l'aide d'une configuration en demi-pont ou en pont de Wheatstone comportant plusieurs capteurs permettant une mesure différentielle.
La variation de la valeur Ri en fonction de la température est plus difficile à compenser. Toutefois, si le champ magnétique de polarisation Hb)as décroît lui-même selon la même loi que la valeur de Ri, l'équation (2) montre qu'au premier ordre, il s'opère une compensation de la décroissance de
Ri.
Pour cela, on peut utiliser un aimant permanent avec une température critique suffisamment basse ou en appliquant un champ magnétique de polarisation Hbias à l'aide d'une bobine comportant des moyens d'ajustement en fonction de la variation de température.
Dans ce cas, on peut appliquer un faible champ alternatif pour détecter la sensibilité du capteur et à l'aide d'une boucle de contre- réaction, on peut ajuster le courant dans la bobine afin de maintenir la sensibilité à la même valeur. Cette option permet de corriger correctement les variations de la valeur Ri en fonction de la température.
Lorsque le champ magnétique de polarisation est engendré par un courant circulant dans une boucle, l'excitation peut être effectuée pendant la mesure du champ externe H soit par un courant constant, soit par des impulsions stabilisées à une valeur constante.
Selon une variante de réalisation, le champ magnétique de polarisation Hb,as est appliqué avec un angle α par rapport à la direction d'aimantation de la couche libre du capteur. La composante du champ de polarisation selon l'axe de la couche dure permet de centrer la réponse du capteur magnétorésistif et donc d'obtenir une réponse de capteur parfaitement symétrique.
On peut également appliquer sans contact le champ magnétique de polarisation Hb,as- Du fait que la linéarité du capteur et sa plage de fonctionnement dépendent de l'intensité du champ magnétique de polarisation, le fait de changer la distance entre le champ de polarisation
Hbias et le capteur a pour résultat de changer la plage de fonctionnement.
Cette plage peut aussi être modifiée sans contact par modification de la distance entre les moyens d'application du champ magnétique de polarisation H^as et le capteur, pour ajuster la plage de fonctionnement à des valeurs requises. Ceci est avantageux en particulier lorsque le capteur est dans un environnement encapsulé et quand la grandeur à mesurer (champ magnétique H ou courant) change.
Pour effectuer ces ajustements, on peut soit changer la distance entre un aimant permanent et un capteur, soit ajuster la valeur du courant dans une bobine si le champ magnétique de polarisation H^as est appliqué à l'aide d'une bobine d'électro-aimant. Si le champ magnétique de polarisation Hbιas appliqué est homogène, on voit d'après l'équation (2) que la sensibilité décroît en fonction du champ, conformément à l'équation (3), la décroissance s'effectuant selon le cube de la valeur du champ magnétique pour les champs élevés.
Lorsque l'on désire avoir une plus faible décroissance de la sensibilité, il est possible d'appliquer un champ de polarisation Hbias inhomogène. Ceci peut être réalisé à l'aide d'aimants permanents ou de bobines. On peut ainsi avoir différentes parties du système de mesure qui présentent des sensibilités différentes.
Lorsque l'on a un champ magnétique de polarisation Hbias qui évolue linéairement entre une valeur nominale Hbiasmm et une valeur maximale Hbosmax, la réponse donnée par l'équation (2) est modifiée pour devenir la réponse donnée par l'équation (4) suivante :
Figure imgf000014_0001
La sensibilité est alors donnée par l'équation suivante ;
Figure imgf000014_0002

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour ajuster la sensibilité d'un dispositif comprenant au moins un capteur magnétorésistif (60 ; 70 ; 80 ; 90) et augmenter la plage de réponse de ce dispositif par rapport à un champ magnétique extérieur, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias selon une direction telle qu'il présente une composante de champ non nulle perpendiculaire à une direction de détection dudit capteur magnétorésistif (60 ; 70 ; 80 ; 90) qui correspond également à une direction d'anisotropie d'une couche dudit capteur magnétorésistif, de telle sorte que le champ magnétique à mesurer puisse être déterminé par une fonction monotone à partir de la variation de résistance dudit capteur magnétorésistif (60 ; 70 ; 80 ; 90).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsqu'on applique le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias destiné à étendre la plage de réponse du dispositif comprenant au moins un capteur magnétorésistif pour mesurer un champ magnétique extérieur H, on détermine la réponse dudit dispositif en divisant la valeur de champ magnétique extérieur H à mesurer par la racine carrée de la somme du carré de la valeur du champ magnétique extérieur H à mesurer et du carré de la valeur du champ magnétique de polarisation prédéterminé Hbιas-
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, pour ajuster la sensibilité d'un dispositif comprenant au moins un capteur à magnétorésistance anisotrope, caractérisé en ce que l'on applique le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias selon une direction telle qu'il présente une composante de champ non nulle selon une direction perpendiculaire à la direction de circulation du courant dans ledit capteur.
4. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, pour ajuster la sensibilité d'un dispositif comprenant au moins un capteur (60) à magnétorésistance géante ou à magnétorésistance tunnel comportant une couche ferromagnétique dure (64) piégée dans une direction de référence, caractérisé en ce que l'on applique le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbιas selon une direction telle qu'il présente une composante de champ non nulle selon une direction perpendiculaire à ladite direction de référence de la couche ferromagnétique dure (64).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias n'est pas homogène et présente des variations connues entre une valeur minimale Hbiasmm et une valeur maximale Hbiasmax-
6. Système pour mesurer des champs magnétiques ou des courants élevés à l'aide d'au moins un capteur magnétorésistif (60 ; 70 ; 80 ; 90), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias selon une direction telle qu'il présente une composante du champ non nulle perpendiculaire à une direction de détection dudit capteur magnétorésistif (60 ; 70 ; 80 ; 90) qui correspond également à une direction d'anisotropie d'une couche dudit capteur magnétorésistif, des moyens de mesure de la variation de résistance dudit capteur magnétorésistif (60 ; 70 ; 80 ; 90) et des moyens de détermination du champ magnétique extérieur à mesurer H à partir de ladite variation de résistance mesurée, la résistance du capteur étant soumise à une fonction monotone de variation.
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit capteur magnétorésistif est une magnétorésistance anisotrope et en ce que les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbιas sont adaptés pour que ledit champ présente une composante de champ non nulle perpendiculaire à la circulation de courant dans ledit capteur.
8. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit capteur magnétorésistif (60) est un capteur à magnétorésistance géante ou un capteur à magnétorésistance tunnel comportant une couche ferromagnétique dure (64) piégée dans une direction de référence et en ce que les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias sont adaptés pour que ledit champ présente une composante de champ non nulle selon une direction perpendiculaire à ladite direction de référence de la couche ferromagnétique dure (64).
9. Système selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur magnétorésistif (70 ; 80 ; 90) présente une forme de C à coins carrés ou une forme de serpentin avec des bras transversaux (72 ; 82) de faible longueur et des bras longitudinaux (71 ; 81) de plus grande longueur, ces derniers étant alignés selon la direction de l'axe de facile aimantation de couches ferromagnétiques douces contenues dans ledit capteur et selon la direction dudit champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias-
10. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hb,as comprennent au moins un aimant permanent (110 ; 121, 122).
11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit aimant permanent est placé au-dessus ou au-dessous dudit capteur magnétorésistif et possède une aimantation planaire.
12. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un aimant permanent (121, 122) placé à côté dudit capteur magnétorésistif avec une aimantation dirigée de manière à créer dans ledit capteur un champ planaire.
13. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'aimant permanent (110 ; 121, 122) est adapté pour que les variations thermiques du champ magnétique rémanent créé par l'aimant permanent (110 ; 121, 122) compensent la variation de sensibilité des capteurs magnétorésistifs.
14. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que l'aimant permanent est formé par électrodéposition.
15. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que l'aimant permanent est formé par sérigraphie ou lithographie de couches magnétiques déposées.
16. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les moyens d'application d'un champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias comprennent au moins une bobine d'électroaimant.
17. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'ajustement du courant circulant dans ladite bobine d'électroaimant pour compenser les variations thermiques de sensibilité du capteur magnétorésistif.
18. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 17, caractérisé en ce que ledit capteur magnétorésistif (90) est placé à proximité d'un fil conducteur (130) traversé par un courant dont l'intensité est à déterminer, en ce qu'il comprend des moyens de détermination de ladite intensité dudit courant à partir de la valeur du champ magnétique produit par ledit courant et détecté par ledit capteur magnétorésistif (90), et en ce que ledit capteur magnétorésistif (90) et ledit fil conducteur (130) sont disposés de telle manière que ledit champ magnétique détecté soit perpendiculaire audit champ magnétique de polarisation prédéterminé connu Hbias-
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