WO2015181383A1 - Dispositif de détection de courant - Google Patents

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WO2015181383A1
WO2015181383A1 PCT/EP2015/062041 EP2015062041W WO2015181383A1 WO 2015181383 A1 WO2015181383 A1 WO 2015181383A1 EP 2015062041 W EP2015062041 W EP 2015062041W WO 2015181383 A1 WO2015181383 A1 WO 2015181383A1
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magnetic
magnetic sensor
wire
sensor
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PCT/EP2015/062041
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Emmanuel Desurvire
Jean-Paul Castera
Bertrand Demotes-Mainard
Original Assignee
Thales
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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    • 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
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle

Definitions

  • the subject of the invention is that of current detection devices.
  • the main source of limitation is the impedance of the branch circuit, which limits the extension of the bandwidth to high frequencies.
  • the spectral response of the branch circuit is non-uniform.
  • the imperfections of the spectral response can introduce a temporal distortion of the bypass current, which can be coupled to the rest of the circuit, for example altering the main current, which is particularly troublesome for the purity of the RF analog signals, or radiate electromagnetic waves (EM) parasites, which can be troublesome for the operation of neighboring components.
  • EM electromagnetic waves
  • the invention therefore aims to overcome this problem including providing an improved current detection device.
  • the invention relates to a current detection device characterized in that it comprises: a first conductive wire traversed by an external current to be measured, the first wire creating in its vicinity an external magnetic field; a magnetometric sensor placed in the vicinity of the first conductive wire, responsive to a flux of the external magnetic field and adapted to generate a measurement signal corresponding to the external current.
  • the current detection device is broadband, that is to say it has a high high cutoff frequency; it has a uniform response on this bandwidth; and outputs a current having a higher intensity than the measured bypass current, i.e. it amplifies the current to be measured.
  • the current detection device comprises one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination:
  • the magnetometric sensor comprises: a magnetic sensor having a surface and generating a response signal when it is immersed in a magnetic field creating a magnetic flux through said surface; a control circuit, inputting the response signal of the magnetometer and outputting a feedback current; and a second conductive wire disposed in the vicinity of the magnetic sensor and connected at the output of the control circuit, the wire being traversed by the feedback current, the circuit and the conducting wire being such that a feedback magnetic field is created whose flow through the surface of the magnetic sensor substantially compensates, at each instant, the flow of the external magnetic field, the output signal of the measuring device being constituted by the counter-reaction current;
  • the magnetic sensor is a superconducting magnetic sensor
  • control circuit comprises a comparison means capable of comparing the response signal of the magnetic sensor with respect to a reference signal and of generating a comparison signal, and a current source controlled by the comparison signal, suitable for generating the counter-reaction current;
  • the detection device has an extended bandwidth and a linear and uniform response on said bandwidth
  • the magnetic sensor consists of a plurality of elementary magnetic sensors connected in series between input terminals of the control circuit;
  • the first and second conductive wires are shaped so as to run parallel in a plane of the surface of the magnetic sensor, the external current flowing in a first direction and the counter-reaction current flowing in a second direction opposite to the first;
  • the first wire and / or the second wire form a loop around the surface of the magnetic sensor, the loop comprising at least one turn;
  • the magnetic sensor consisting of a plurality of elementary magnetic sensors connected in series between input terminals of the control circuit, the first and second son form a plurality of meanders around a plurality of elementary magnetometers; the elementary magnetic sensors being asymmetrical, the elementary magnetic sensors are arranged in every other meander, or, said elementary magnetic sensors being symmetrical, the elementary magnetic sensors are arranged in each meander;
  • the magnetometric sensor and a portion of the first conductive wire are placed in a housing for magnetic insulation vis-à-vis the outside world.
  • FIG. 1 is a basic representation of a current measuring device
  • Figure 2 is a schematic representation of a so-called loop embodiment of the device of Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic representation of an intermediate embodiment of the device of Figure 1;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a meandering embodiment of the device of FIG. 1, implementing asymmetrical magnetic sensors;
  • FIG. 5 is a schematic representation of a meandering embodiment of the device of FIG. 1, implementing symmetrical magnetic sensors;
  • Figure 6 is a simplified representation of a two-dimensional dense integration of so-called loop embodiments.
  • Figure 7 is a simplified representation of a dense two-dimensional integration of so-called meander embodiments.
  • Figure 1 is shown a device 300 of current detection.
  • the device 300 comprises a housing 302, a first conductive wire 306 and a magnetic sensor 310.
  • the housing 302 delimits a cavity that is magnetically isolated from the outside world, in particular the earth's magnetic field or disturbing magnetic fields, such as those generated by radio waves.
  • the housing 302 is made of a suitable material adapted to screen these external fields.
  • the first conductive wire 306 flows from the outside, into the cavity delimited by the housing 302.
  • the wire 306 is traversed by the external current, i ext , to be measured.
  • the external current i ext flows in the wire 306, it generates an external magnetic field B ext around the wire 306, in particular inside the housing 302.
  • the external field B ext is linear with respect to the external current i ext .
  • the external current i ext (t) varies over time t. The same is true of the external magnetic field B ext (t).
  • the magnetometric sensor 310 is able to measure the external magnetic field B ext (t) within the housing 302 to indirectly obtain a measurement of the current i ext (t).
  • the magnetometric sensor 310 comprises a magnetic sensor 312, a control circuit 314 and a conductive wire 316.
  • a magnetic sensor 312 comprises a component sensitive to the magnetic field, which is able to deliver, in the form of a voltage or a current, a measurement signal V corresponding to the magnetic field in which it is immersed.
  • Magnetic sensors include optical magnetic sensors, such as NV diamond center sensors, in which the transition between two energetic levels of the electrons of an atom constituting an impurity in a crystal is modified when this crystal is immersed in a crystal. external magnetic field B ext . Changing the transition changes the response of the illuminated crystal to a suitable laser light. Such a magnetic sensor operates at ambient temperature.
  • the response of the crystal is linear but over a reduced frequency range around a characteristic frequency of the transition width used.
  • superconducting magnetic sensors are also known, which are particularly interesting since they offer the highest sensitivities physically attainable.
  • Such a magnetic sensor implementing superconducting materials, operates at low temperatures, around 80 K for the so-called high-temperature or ultra-low-temperature superconducting materials, around the milli-Kelvin approximately for the so-called superconducting materials. low critical temperature.
  • a superconducting magnetic sensor is a SQUID component ("Superconducting QUantumInterference Device” in English) or a SQIF component ("Superconducting Quantum Interference Filter” in English).
  • An SQIF component consists of a matrix of SQUID components, connected in series, in parallel, or both.
  • the SQUID and SQIF components have a non-linear response, that is to say that the voltage ⁇ ( ⁇ ) induced by the flux ⁇ of the external magnetic field B Ext passing through a surface S of the component , is not a linear function of ⁇ 6 ⁇ flow, and therefore the external magnetic field B ext.
  • this response is sinusoidal.
  • the behavior is, in the first order, linear.
  • this region corresponds to a relatively narrow flow range.
  • the response of an SQIF component takes the form of an "inverted comb".
  • this region the symmetrical response around the origin is quasi-linear.
  • this region corresponds to a relatively narrow flow range.
  • Magnetic sensor 312 is a superconducting magnetic sensor.
  • the magnetic sensor 312 is of rectangular parallelepiped shape. It has a small thickness and an active surface S, substantially flat and having a normal in the direction of the thickness of the magnetic sensor.
  • the magnetic sensor 312 is able to generate, between its two output terminals, a response signal, which is here a voltage V.
  • the voltage V is a function of the instantaneous total magnetic flux ⁇ ⁇ ) through the surface S.
  • the control circuit 314 receives between its two input terminals, E1 and E2, the response signal ⁇ ( ⁇ (3 ⁇ 4) produced by the magnetic sensor 312, and generates a feedback current i CR (t) between its two output terminals, S1 and S2.
  • control circuit 314 comprises a comparison means 22 connected to the input terminals E1 and E2, and able to compare the response signal ( ⁇ (3 ⁇ 4) with a reference signal V 0 and to generate a signal of comparison.
  • the control circuit 314 comprises a current source 24 controlled by the comparison signal and able to generate, between two output terminals, the counter-current i C R (t).
  • the conductive wire 316 is connected between the output terminals S1 and S2 of the control circuit 314. It is shaped to circulate in the vicinity of the magnetic sensor 312.
  • the conductive wire 316 is crossed by the counter-current i CR (t).
  • i CR (t) the counter-current magnetic field B CR (t).
  • the field B CR (t) is linear with respect to the current i C R (t).
  • the response signal V (t) delivered by the magnetic sensor 312 depends on the total magnetic flux ⁇ ⁇ ) passing through the surface S.
  • the sensor 310 is in equilibrium when the total flux ⁇ ⁇ ) received by the magnetic sensor 312 is constant. In this regime, permanently forced by the instantaneous counter-reaction, the counter-reaction current i C R (t) represents a linear measurement of the external magnetic field B ext (t)
  • the geometrical and physical parameters of the sensor 310 are chosen so that the counter-feedback flow is opposed to the external flux and the response V (t) of the magnetic sensor 312 can be instantaneously brought back to the level of the reference voltage V 0.
  • the control circuit 314 and the conductive wire 316 are such that a feedback magnetic field is created whose flux through the active surface of the magnetic sensor substantially compensates, at each instant, the flux of the external magnetic field.
  • the stabilization point will be the reference voltage V 0 shifted by a constant.
  • the maximum sensitivity of the sensor 310 is obtained for the response zone of the magnetic sensor 312 where the derivative ⁇ is maximum.
  • this corresponds to the point of inflection of the sinusoidal response.
  • this corresponds to the origin point, possibly slightly offset to avoid ambiguities on the sign of the field and therefore on that of the current due to the symmetrical response of such a magnetic sensor.
  • the response signal of the magnetic sensor 312 is not considered as a measurement signal, but as a control signal of a feedback loop. It is the feedback signal that constitutes the measurement signal.
  • the current detection device has a high sensitivity, a linear behavior and uniform over an extended bandwidth, by constraining the operation of the magnetic sensor in the narrow region where it has a high sensitivity and linear behavior.
  • the first and second son 306 and 316 are arranged in the plane P of the surface S magnetic sensor 312.
  • FIG. 1 represents an embodiment in which the first and second wires 306 and 316 are rectilinear and arranged on either side of the magnetic sensor 312.
  • the detection device 400 has a loop configuration.
  • An element of the device of Figure 2 identical or similar to a corresponding element of the device of Figure 1 is identified by the same reference numeral as the corresponding element increased by a hundred.
  • the first wire 406 is shaped to form a first loop around the magnetic sensor 412. It then measures a flow ct> ext (t) induced by a current loop, rather than by a rectilinear conductive wire. Assuming a circular loop, a multiplicative factor equal to ⁇ is thus introduced between the rectilinear configuration of FIG. 4 and the loop configuration.
  • the second yarn 416 is advantageously also shaped to form a second loop comprising N2 turns.
  • This loop configuration has a broadband response.
  • the bandwidth is limited at high frequencies mainly by a radiative resistance effect, R rad , which is proportional to f 4 , where f is the frequency of the counter reaction current i CR .
  • the radiative resistance dominates here on another limitation which is due to the inductance of the loop formed by the wire 416, this inductance being proportional to f.
  • the radiative resistance R rad can be reduced so as to push back to the maximum cutoff frequency of the sensor 410.
  • Z is the impedance of the second feedback loop.
  • control circuit 414 is then adapted to generate a counter-reaction current such as:
  • the feedback current is injected into the second wire so as to flow in the opposite direction to that of the induced current.
  • the loop configuration allows dense one or two dimensional integration in the plane P, as schematically shown in FIG.
  • This loop configuration allows the realization of a magnetic sensor with reduced dimensions.
  • FIG. 3 shows a detection device 500 which constitutes an intermediate embodiment between the devices 300 and 400.
  • An element of the device of FIG. 3 identical or similar to a corresponding element of the device of FIG. 1 is identified by the same reference number as this corresponding element increased by two hundred.
  • the second wire 516 is straight.
  • the advantage here is to allow the elimination of the induced parasitic current i ind (t) in the second wire by the first wire in the device 400.
  • the impedance of the magnetometric sensor 510 is thus greatly reduced, while maintaining the significant sensitivity because of the presence of the factor ⁇ . NI of the first loop compared to the configuration where the two wires are straight ( Figure 1).
  • An element of the device of Figure 4 identical or similar to a corresponding element of the device of Figure 1 is identified by the same reference numeral as the corresponding element increased by three hundred.
  • the magnetic sensor 612 consists of a plurality of elementary magnetic sensors 612-i, which are arranged in a row, so that their respective Si surfaces are in the same plane P.
  • the elementary sensors 612 -i are connected in series between the input terminals E1 and E2 of the control circuit 614.
  • the first and second wires 606 and 616 are shaped so as to run parallel to each other in the plane P. They are separated from each other by a reduced pitch relative to their respective widths.
  • the leads 606 and 616 are configured to flow between two elementary magnetic sensors 612-i forming a meander.
  • the external current i ex t (t) is applied in the first wire 606 so as to flow in one direction and the counter-current i CR (t) is applied in the second wire 616 so as to flow in the other direction .
  • the magnetic field generated by a wire has, in the plane P of the Si surfaces of the elementary magnetic sensors, an orientation in the normal direction to the plane P, which is positive on one side of the wire and negative on the other side of the wire.
  • the meandering configuration introduces a parasitic inductance and radiative resistance, thereby limiting the bandwidth.
  • the meander pattern is characterized by inductance and radiative resistance which are intrinsically weaker than that of the loop configuration, thereby further increasing the high cutoff frequency of the current sensing device bandwidth.
  • the radiative resistance can be reduced so as to push back to the maximum cutoff frequency of the sensor.
  • the distance x between the second wire 616, respectively 716, and the axis of the magnetic sensors 612-i can be increased.
  • This meandering configuration allows dense one or two dimensional integration in the plane P, as schematically shown in FIG. 7.
  • This meandering configuration allows the realization of a current detection device with reduced dimensions.
  • the meandering configuration is also more advantageous than the loop configuration, as it is easier to optimize and integrate on a large scale.
  • the current detection device has a wide bandwidth on which, when the magnetic sensor is of the superconducting type, it has a very high sensitivity.
  • VLF Very Low Frequency
  • UHF Ultra High Frequency
  • the current detection device also has an intrinsically linear response with respect to the intensity of the external current to be measured. In addition, this response is uniform over the entire bandwidth, that is to say it is independent of the frequency of the external current to be measured.
  • the current detection device can be adapted: segmentation into counter-current currents of the control circuit, optimized dimensioning of the loop circuit / meander of the two conducting wires, multi-scale integration etc.
  • low-pass filters may be introduced into the control circuit, to allow a number of frequency utilization ranges to be specified, either in order of magnitude of the external current to be measured, or by frequency domains of interest. .
  • the current detection device finally offers the possibility of planar integration high density.

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Abstract

Ce dispositif de détection de courant (300) est caractérisé en ce qu'il comporte : un premier fil conducteur (306) parcouru par un courant externe (iext) à mesurer, le premier fil créant dans son voisinage un champ magnétique externe (Bext); un capteur magnétométrique (310) placé dans le voisinage du premier fil conducteur, sensible à un flux du champ magnétique externe et propre à générer un signal de mesure correspondant au courant externe.

Description

Dispositif de détection de courant
L'invention a pour domaine celui des dispositifs de détection de courant.
Dans le domaine général de la microélectronique et du traitement de signal, il est nécessaire de pouvoir détecter des courants électriques variant avec le temps. Par exemple, une application importante est constituée par l'amplification de courant. Une autre application importante est constituée par la régulation de courant, afin notamment d'éviter plusieurs effets délétères, tels que la dérive en intensité (baisse ou augmentation, fluctuations aléatoires) ou des sauts d'intensité transitoires (baisses ou augmentations très intenses et brèves dans le temps).
De nombreuses techniques de détection de courant existent, qui sont fondées sur le principe d'une mesure en temps réel de l'intensité d'un courant dérivé du courant circulant dans le conducteur principal, le courant dérivé traversant une résistance étalonnée, qui présente une valeur élevée de manière à ce que la mesure n'affecte pas ou peu le courant principal. La mesure de la tension v(t) aux bornes de cette résistance est proportionnelle au courant principal i(t).
Un tel dispositif fonctionne très bien en régime continu (DC).
En revanche, en régime alternatif (AC), la principale source de limitation est constituée par l'impédance du circuit de dérivation, qui limite l'extension de la bande passante aux fréquences élevées.
De plus, la réponse spectrale du circuit de dérivation est non uniforme.
Une bande passante large et uniforme sont des caractéristiques difficiles à obtenir simultanément.
Il est à souligner que les imperfections de la réponse spectrale peuvent introduire une distorsion temporelle du courant de dérivation, qui peut se coupler au reste du circuit, altérant par exemple le courant principal, ce qui est particulièrement gênant pour la pureté des signaux analogiques RF, ou rayonner des ondes électromagnétiques (EM) parasites, ce qui peut être gênant pour le fonctionnement de composants voisins.
L'invention a donc pour but de pallier ce problème notamment en proposant un dispositif de détection de courant amélioré.
A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif de détection de courant caractérisé en ce qu'il comporte : un premier fil conducteur parcouru par un courant externe à mesurer, le premier fil créant dans son voisinage un champ magnétique externe ; un capteur magnétométrique placé dans le voisinage du premier fil conducteur, sensible à un flux du champ magnétique externe et propre à générer un signal de mesure correspondant au courant externe. Avantageusement, le dispositif de détection de courant est large-bande, c'est-à- dire qu'il a une fréquence de coupure haute élevée ; il possède une réponse uniforme, sur cette bande passante ; et génère en sortie un courant ayant une intensité plus élevée que le courant de dérivation mesuré, c'est-à-dire qu'il amplifie le courant à mesurer.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de détection de courant comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le capteur magnétométrique comporte : un senseur magnétique ayant une surface et générant un signal de réponse lorsqu'il est plongé dans un champ magnétique créant un flux magnétique à travers ladite surface ; un circuit de contrôle, prenant en entrée le signal de réponse du magnétomètre et générant en sortie un courant de contre- réaction ; et, un second fil conducteur disposé au voisinage du senseur magnétique et connecté en sortie du circuit de contrôle, le fil étant traversé par le courant de contre- réaction, le circuit et le fil conducteur étant tels qu'un champ magnétique de contre- réaction est créé dont le flux à travers la surface du senseur magnétique compense substantiellement, à chaque instant, le flux du champ magnétique externe, le signal de sortie du dispositif de mesure étant constitué par le courant de contre réaction ;
- le senseur magnétique est un senseur magnétique supraconducteur ;
- le circuit de contrôle comporte un moyen de comparaison propre à comparer le signal de réponse du senseur magnétique par rapport à un signal de référence et à générer un signal de comparaison, et une source de courant commandée par le signal de comparaison, propre à générer le courant de contre-réaction ;
- le dispositif de détection a une bande passante étendue et une réponse linéaire et uniforme sur ladite bande passante ;
- le senseur magnétique est constitué d'une pluralité de senseurs magnétiques élémentaires connectés en série entre des bornes d'entrée du circuit de contrôle ;
- le premier et le second fils conducteurs sont conformés de manière à cheminer parallèlement dans un plan de la surface du senseur magnétique, le courant extérieur circulant dans un premier sens et le courant de contre-réaction circulant dans un second sens opposé au premier ;
- le premier fil et/ou le second fil forme(nt) une boucle autour de la surface du senseur magnétique, la boucle comportant au moins une spire ;
- le senseur magnétique étant constitué d'une pluralité de senseurs magnétiques élémentaires connectées en série entre des bornes d'entrée du circuit de contrôle, les premier et second fils forment une pluralité de méandres autour d'une pluralité de magnétomètres élémentaires ; - les senseurs magnétiques élémentaires étant asymétriques, les senseurs magnétiques élémentaires sont disposés dans un méandre sur deux, ou, lesdits senseurs magnétiques élémentaires étant symétriques, les senseurs magnétiques élémentaires sont disposés dans chaque méandre ;
- le capteur magnétométrique et une portion du premier fil conducteur sont placés dans un carter permettant une isolation magnétique vis-à-vis du monde extérieur.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et d'utilisation, donnés uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 est une représentation de principe d'un dispositif de mesure du courant ;
La figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation dit en boucle du dispositif de la figure 1 ;
La figure 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation dit intermédiaire du dispositif de la figure 1 ;
La figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation dit en méandres du dispositif de la figure 1 , mettant en œuvre des senseurs magnétiques asymétriques ;
La figure 5 est une représentation schématique d'un mode de réalisation dit en méandres du dispositif de la figure 1 , mettant en œuvre des senseurs magnétiques symétriques ;
La figure 6 est une représentation simplifiée d'une intégration dense à deux dimensions des modes de réalisation dits en boucle ; et,
La figure 7 est une représentation simplifiée d'une intégration dense à deux dimensions des modes de réalisation dits en méandres.
A la figure 1 est représenté un dispositif 300 de détection de courant.
Le dispositif 300 comporte un carter 302, un premier fil conducteur 306 et un capteur magnétique 310.
Le carter 302 délimite une cavité qui est magnétiquement isolée du monde extérieur, en particulier du champ magnétique terrestre ou de champs magnétiques perturbateurs, comme ceux générés par des ondes radioélectriques. Le carter 302 est en un matériau adapté propre à faire écran à ces champs extérieurs.
Le premier fil conducteur 306 circule depuis l'extérieur, dans la cavité délimitée par le carter 302. Le fil 306 est traversé par le courant externe, iext, à mesurer. Lorsque le courant externe iext circule dans le fil 306, il génère un champ magnétique externe Bext autour du fil 306, en particulier à l'intérieur du carter 302. Le champ externe Bext est linéaire par rapport au courant externe iext. Le courant externe iext(t) varie au cours du temps t. Il en va donc de même du champ magnétique externe Bext(t).
Le capteur magnétométrique 310 est propre à mesurer le champ magnétique externe Bext(t) à l'intérieur du carter 302 pour obtenir indirectement une mesure du courant iext(t).
Le capteur magnétométrique 310 comporte un senseur magnétique 312, un circuit de contrôle 314 et un fil conducteur 316.
Un senseur magnétique 312 comporte un composant sensible au champ magnétique, qui est propre à délivrer, sous la forme d'une tension ou d'un courant, un signal de mesure V correspondant au champ magnétique dans lequel il est plongé.
Parmi les senseurs magnétiques, on connaît les senseurs magnétiques optiques, tels que les senseurs à centres N-V diamant, dans lesquels la transition entre deux niveaux énergétiques des électrons d'un atome constituant une impureté dans un cristal est modifiée lorsque ce cristal est plongé dans un champ magnétique externe Bext. La modification de la transition modifie la réponse du cristal éclairé par une lumière laser adapté. Un tel senseur magnétique fonctionne à température ambiante.
La réponse du cristal est linéaire mais sur une plage de fréquences réduite autour d'une fréquence caractéristique de la largeur de transition utilisée.
Parmi les senseurs magnétiques, on connaît également les senseurs magnétiques supraconducteurs, qui sont particulièrement intéressants, puisqu'ils offrent les plus hautes sensibilités physiquement atteignables. Un tel senseur magnétique, mettant en œuvre des matériaux supraconducteur, fonctionne à des températures basses, autour de 80 K environ pour les matériaux supraconducteurs dits à haute température critique, ou ultra- basses, autour du milli-Kelvin environ pour les matériaux supraconducteurs dits à basse température critique.
Un senseur magnétique supraconducteur est un composant SQUID (« Superconducting QUantumlnterference Device » en anglais) ou un composant SQIF (« Superconducting Quantum Interférence Filter » en anglais). Un composant SQIF est constitué d'une matrice de composants SQUID, connectés en série, en parallèle ou les deux.
Du fait de leurs principes de fonctionnement, les composants SQUID et SQIF ont une réponse non linéaire, c'est-à-dire que la tension ν(φ) induite par le flux φ du champ magnétique externe Bext traversant une surface S du composant, n'est pas une fonction linéaire du flux φ6χί, et par conséquent du champ magnétique externe Bext. Dans le cas d'un composant SQUID, cette réponse est sinusoïdale. Dans la région du point d'inflexion de la sinusoïde, le comportement est, au premier ordre, linéaire. Cependant, cette région correspond à une plage de flux relativement étroite.
Dans le cas d'un composant SQIF, la réponse est uniforme, ν(φ) = este, sauf autour de certains points caractéristiques, disposés périodiquement, pour lesquels le flux 4>ext du champ magnétique externe Bext est égal à un nombre entier de fois un flux caractéristique φο, dit « fluxon >>. Ainsi, la réponse d'un composant SQIF prend la forme d'un « peigne inversé >>.
Dans un composant SQIF modifié, présentant une configuration particulière, la réponse est uniforme sauf dans une région autour de l'origine, φ6χί = 0, où cette réponse s'annule. Dans cette région, la réponse, symétrique autour de l'origine, est quasi-linéaire. Cependant, cette région correspond à une plage de flux relativement étroite.
Le senseur magnétique 312 est un senseur magnétique supraconducteur.
Le senseur magnétique 312 est de forme parallélépipédique rectangle. Il présente une faible épaisseur et une surface active S, sensiblement plane et présentant une normale dans le sens de l'épaisseur du senseur magnétique.
Le senseur magnétique 312 est propre à générer, entre ses deux bornes de sortie, un signal de réponse, qui est ici une tension V. La tension V est une fonction du flux magnétique total instantané φ ί) à travers la surface S.
Le circuit de contrôle 314 reçoit entre ses deux bornes d'entrée, E1 et E2, le signal de réponse ν(φ(¾) produit par le senseur magnétique 312, et génère un courant de contre réaction iCR(t) entre ses deux bornes de sortie, S1 et S2.
Plus précisément, le circuit de contrôle 314 comporte un moyen de comparaison 22 connecté aux bornes d'entrée E1 et E2, et propre à comparer le signal de réponse (φ(¾) à un signal de référence V0 et à générer un signal de comparaison.
Le circuit de contrôle 314 comporte une source de courant 24 commandée par le signal de comparaison et propre à générer, entre deux bornes de sortie, le courant de contre réaction iCR(t).
Le fil conducteur 316 est connecté entre les bornes de sortie S1 et S2 du circuit de contrôle 314. Il est conformé pour circuler au voisinage du senseur magnétique 312. Le fil conducteur 316 est traversé par le courant de contre réaction iCR(t). De ce fait, il crée autour de lui un champ magnétique de contre réaction BCR(t). Le champ BCR(t) est linéaire par rapport au courant iCR(t). Le champ BCR(t) crée un flux de contre réaction Φα*0 à travers la surface S du senseur magnétique 312 : φοκ(ί) = BCR(t). S
A chaque instant, le signal de réponse V(t) que délivre le senseur magnétique 312 dépend du flux magnétique total φ ί) traversant la surface S. Ce flux total φ(ϊ) est la somme du flux externe ΦβχίΟΟ- εΜ résulte du champ magnétique externe Bext(t) à mesurer selon la relation φεΧί(ί) = Bext(t). S, et du flux de contre réaction φα*(ί).
Le capteur 310 est à l'équilibre lorsque le flux total φ ί) reçu par le senseur magnétique 312 est constant. Dans ce régime, forcé en permanence par la contre réaction instantanée, le courant de contre réaction iCR(t) représente une mesure linéaire du champ magnétique externe Bext(t)
Pour que cet équilibre existe, les paramètres géométriques et physiques du capteur 310 sont choisis de telle sorte que le flux de contre réaction soit opposé au flux externe et que la réponse V(t) du senseur magnétique 312 puisse être instantanément ramenée au niveau de la tension de référence V0. Dit autrement, le circuit de contrôle 314 et le fil conducteur 316 sont tels qu'un champ magnétique de contre réaction est créé dont le flux à travers la surface active du senseur magnétique compense substantiellement, à chaque instant, le flux du champ magnétique externe.
II est à noter que si le champ magnétique externe Bext possède une composante continue, le point de stabilisation sera la tension de référence V0 décalée d'une constante.
Par le choix adapté de la tension de référence V0, la sensibilité maximale du capteur 310 est obtenue pour la zone de réponse du senseur magnétique 312 où la dérivée ^ est maximale. Pour un senseur magnétique supraconducteur du type SQUID, cela correspond au point d'inflexion de la réponse sinusoïdale. Pour un senseur magnétique supraconducteur du type SQIF modifié, cela correspond au point d'origine, éventuellement légèrement décalé pour éviter les ambiguïtés sur le signe du champ et donc sur celui du courant dues à la réponse symétrique d'un tel senseur magnétique.
Il est à souligner que dans le capteur magnétométrique 310, le signal de réponse du senseur magnétique 312 n'est pas considéré comme un signal de mesure, mais comme un signal de régulation d'une boucle de contre réaction. C'est le signal de contre réaction qui constitue le signal de mesure.
Ainsi, le dispositif de détection de courant présente une grande sensibilité, un comportement linéaire et uniforme sur une bande passante étendue, en contraignant le fonctionnement du senseur magnétique dans la région étroite où il présente une grande sensibilité et un comportement linéaire.
Avantageusement, pour que le capteur présente une bonne sensibilité, du fait de la forme circulaire des lignes de champ magnétique autour d'un fil parcouru par un courant, les premier et second fils 306 et 316 sont disposés dans le plan P de la surface S du senseur magnétique 312. De plus, dans le cas où le courant externe n'a pas de composante continue et où les premier et second fils 306 et 316 sont situés de façon parfaitement symétrique autour du senseur magnétique 312, le courant de contre réaction est, à chaque instant, la contrepartie exacte du courant externe à mesurer : iCR(t) = iext(t).
II est possible d'introduire un facteur d'amplification de courant, défini par :
G = | iCR(t) l/| iext(t) l,
par le choix d'une géométrie dans laquelle le second fil 316 est placé à une distance x2 du centre du senseur magnétique 312 qui est plus grande que la distance x1 à laquelle le premier fil 306 est placé du centre du senseur magnétique 312.
La figure 1 représente un mode de réalisation dans lequel les premier et second fils 306 et 316 sont rectilignes et disposés de part et d'autre du senseur magnétique 312.
D'autres modes de réalisation sont envisageables.
Ainsi, à la figure 2, le dispositif de détection 400 présente une configuration en boucle. Un élément du dispositif de la figure 2 identique ou similaire à un élément correspondant du dispositif de la figure 1 est repéré par le même chiffre de référence que cet élément correspondant augmenté d'une centaine.
Le premier fil 406 est conformé pour constituer une première boucle autour du senseur magnétique 412. Celui-ci mesure alors un flux ct>ext(t) induit par une boucle de courant, plutôt que par un fil conducteur rectiligne. En supposant une boucle circulaire, un facteur multiplicatif égal à π est ainsi introduit entre la configuration rectiligne de la figure 4 et la configuration en boucle.
De plus, en conformant le premier fil 406 pour que la première boucle comporte N1 >1 spires, le flux externe ΦβχίΟ à travers la surface S est multiplié par un facteur N1 .
L'introduction de ces facteurs multiplicatifs permet d'augmenter la sensibilité du dispositif 400 par rapport à celle du dispositif 300.
Le second fil 416 est avantageusement également conformé pour former une seconde boucle comportant N2 spires.
Avec des première et seconde boucles de même diamètre, un facteur d'amplification G entier est obtenu de manière simple en choisissant une configuration où N1 est égal à G et N2 à 1 . Plus généralement un facteur d'amplification G entier est obtenu de manière simple en choisissant :— = G.
^ NI
Cette configuration en boucle présente une réponse large-bande.
La bande passante est limitée aux fréquences hautes principalement par un effet de résistance radiative, Rrad, qui est proportionnelle à f4, où f est la fréquence du courant de contre réaction iCR. La résistance radiative domine ici sur une autre limitation qui est due à l'inductance de la boucle formée par le fil 416, cette inductance étant proportionnelle à f.
En diminuant les dimensions du circuit formé par le fil conducteur 416, la résistance radiative Rrad peut être réduite de façon à repousser au maximum la fréquence de coupure haute du capteur 410.
Un autre inconvénient est que la première boucle induit un courant « parasite >> iind(t) dans la seconde boucle, selon la loi : Z. iind(t) = -e d^e^
Où Z est l'impédance de la seconde boucle de contre réaction.
Ces deux boucles se comportent ainsi comme un transformateur de courant, et iind (t) représente une mesure du courant externe iext(t).
Pour exploiter la propriété du senseur magnétique, le circuit de contrôle 414 est alors adapté pour générer un courant de contre réaction tel que :
Figure imgf000010_0001
Le courant de contre-réaction est injecté dans le second fil de manière à circuler dans le sens opposé à celui du courant induit.
Ceci a pour effet d'annuler exactement (à une constante près) le flux total dans le senseur magnétique 412 et donc d'asservir proprement le courant de contre réaction.
La configuration en boucle autorise une intégration dense à une ou deux dimensions dans le plan P, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 6.
Cette configuration en boucle permet la réalisation d'un capteur magnétique aux dimensions réduites.
A la figure 3, est représenté un dispositif de détection 500 qui constitue un mode de réalisation intermédiaire entre les dispositifs 300 et 400. Un élément du dispositif de la figure 3 identique ou similaire à un élément correspondant du dispositif de la figure 1 est repéré par le même chiffre de référence que cet élément correspondant augmenté de deux centaines.
Dans ce mode de réalisation, si le premier fil 506 est conformé en une première boucle, le second fil 516 est rectiligne.
L'avantage est ici de permettre l'élimination du courant parasite induit iind(t) dans le second fil par le premier fil dans le dispositif 400. L'impédance du capteur magnétométrique 510 est ainsi fortement réduite, tout en conservant la sensibilité importante à cause de la présence du facteur π. NI de la première boucle par rapport à la configuration où les deux fils sont rectilignes (figure 1 ).
Un autre avantage de cette configuration intermédiaire réside dans le fait que pour compenser exactement le flux externe, il est nécessaire d'appliquer un courant de contre réaction qui a une intensité π fois plus importante que l'intensité du courant de contre réaction du dispositif 400. Ainsi, le gain total sur le courant de contre réaction, c'est-à-dire le courant de mesure, est ici de : G = π2. NI, soit par exemple G = 100 pour N1 =10. Les figures 4 et 5 représentent deux dispositifs de détection selon un mode de réalisation en méandres.
Un élément du dispositif de la figure 4 identique ou similaire à un élément correspondant du dispositif de la figure 1 est repéré par le même chiffre de référence que cet élément correspondant augmenté de trois centaines.
Dans le dispositif 600, le senseur magnétique 612 est constitué d'une pluralité de senseur magnétiques élémentaires 612-i, qui sont disposés selon une rangée, de manière à ce que leurs surfaces Si respectives soient dans le même plan P. Les senseurs élémentaires 612-i sont connectés en série entre les bornes d'entrée E1 et E2 du circuit de contrôle 614.
Les premier et second fils 606 et 616 sont conformés de manière à cheminer parallèlement l'un à l'autre dans le plan P. Ils sont séparés l'un de l'autre d'un pas réduit par rapport à leur largeurs respectives.
Les fils conducteurs 606 et 616 sont configurés de manière à circuler entre deux senseurs magnétiques élémentaires 612-i en formant un méandre.
Le courant externe iext(t) est appliqué dans le premier fil 606 de manière à circuler dans un sens et le courant de contre réaction iCR(t) est appliqué dans le second fil 616 de manière à circuler dans l'autre sens.
Le champ magnétique généré par un fil présente, dans le plan P des surfaces Si des senseurs magnétiques élémentaires, une orientation selon la direction normale au plan P, qui est positive d'un côté du fil et négative de l'autre côté du fil.
Dans le dispositif 600, les senseurs magnétiques élémentaires 612-i sont asymétriques, leur réponse étant telle que : ν(-φ) = -ν(φ). Il s'agit par exemple de
SQUID. Il faut alors espacer les senseurs magnétiques élémentaires 612-i d'un méandre sur deux, afin que les réponses des senseurs magnétiques élémentaires ne s'annulent pas deux à deux compte tenu de l'inversion de l'orientation des champs magnétiques externe et de contre réaction d'un méandre à l'autre.
Un élément du dispositif de la figure 5 identique ou similaire à un élément correspondant du dispositif de la figure 1 est repéré par le même chiffre de référence que cet élément correspondant augmenté de quatre centaines.
Dans le dispositif 700 de la figure 5, toutes choses égales par ailleurs par rapport au dispositif 600 de la figure 4, les senseurs magnétiques élémentaires 712-i sont symétriques, leur réponse étant telle que : ν(-φ) = ν(φ). C'est le cas par exemple des senseurs magnétiques supraconducteurs du type SQIF. Leur réponse étant indépendante du sens du champ magnétique, on peut alors avantageusement placer des senseurs magnétiques élémentaires 712-i dans chacun des méandres définis par les premier et second fils 706 et 716. La densité de senseurs magnétiques élémentaires peut ainsi être augmentée, ce qui à surface constante permet d'augmenter la sensibilité du dispositif de mesure du courant.
La configuration en méandres introduit une inductance et une résistance radiative parasites, d'où une limitation de la bande passante. Cependant, la configuration en méandres est caractérisée par une inductance et une résistance radiative qui sont intrinsèquement plus faibles que celle de la configuration en boucle, ce qui permet de repousser davantage la fréquence de coupure haute de la bande passante du dispositif de détection de courant.
Là encore, par le choix de très petites dimensions pour le circuit formé par le fil 616 ou 716, la résistance radiative peut être réduite de façon à repousser au maximum la fréquence de coupure haute du capteur.
De plus, il est possible d'optimiser les paramètres géométriques. Par exemple, la distance x entre le second fil 616, respectivement 716, et l'axe des senseurs magnétiques 612-i peut être augmentée. Le champ magnétique créé par un fil diminuant en 1/x, pour obtenir le même flux de contre réaction, il faut alors augmenter le courant de contre réaction. Ceci présente l'avantage de permettre la détection de champs magnétiques externes de très faible amplitude (selon la normale à la surface Si des senseurs magnétiques), c'est-à-dire de courant externe de faible amplitude, grâce à l'utilisation de courant de contre réaction d'intensité élevée.
Cette configuration en méandres autorise une intégration dense à une ou deux dimensions dans le plan P, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 7.
Cette configuration en méandres permet la réalisation d'un dispositif de détection de courant aux dimensions réduites.
La configuration en méandres est d'ailleurs plus avantageuse que la configuration en boucle, car plus simple à optimiser et à intégrer à grande échelle.
Le dispositif de détection de courant selon l'invention possède une large bande passante sur laquelle, lorsque le senseur magnétique est du type supraconducteur, il possède une très haute sensibilité. Par une conception appropriée du capteur magnétométrique, il est possible d'envisager une bande passante s'étalant de très basse fréquence VLF (« Very Low Frequency » en anglais), à l'ultra-haute fréquence UHF (« Ultra High Frequency » en anglais), c'est-à-dire entre environ quelques kHz et environ 1 000 MHz.
Le dispositif de détection de courant présente également une réponse intrinsèquement linéaire par rapport à l'intensité du courant externe à mesurer. De plus, cette réponse est uniforme sur toute la bande passante, c'est-à-dire qu'elle est indépendante de la fréquence du courant externe à mesurer.
En termes d'intensité du courant externe mesurable, le dispositif de détection de courant peut être adapté : segmentation en domaines de courant de contre réaction du circuit de contrôle, dimensionnement optimisé du circuit en boucle/méandres des deux fils conducteurs, intégration multi-échelle, etc.
Eventuellement, des filtres passe-bas peuvent être introduits dans le circuit de contrôle, pour permettre de spécifier un certain nombre de plages d'utilisation en fréquence, soit par ordre de grandeur fréquentiel du courant externe à mesurer, soit par domaines fréquentiels d'intérêt.
Le dispositif de détection de courant offre enfin la possibilité d'une intégration planaire haute-densité.

Claims

REVENDICATIONS
1 .- Dispositif de détection de courant (300), caractérisé en ce qu'il comporte :
- un premier fil conducteur (306) parcouru par un courant externe (iext) à mesurer, le premier fil créant dans son voisinage un champ magnétique externe (Bext) ;
- un capteur magnétométrique (310) placé dans le voisinage du premier fil conducteur, sensible à un flux du champ magnétique externe et propre à générer un signal de mesure correspondant au courant externe.
2.- Dispositif de détection de courant selon la revendication 1 , dans lequel le capteur magnétométrique (310) comporte :
- un senseur magnétique (312) ayant une surface (S) et générant un signal de réponse (ν(φ)) lorsqu'il est plongé dans un champ magnétique créant un flux magnétique (φ) à travers ladite surface ;
- un circuit de contrôle (314), prenant en entrée le signal de réponse du magnétomètre et générant en sortie un courant de contre-réaction (iCR) ; et,
- un second fil conducteur (316) disposé au voisinage du senseur magnétique (312) et connecté en sortie du circuit de contrôle, le fil étant traversé par le courant de contre-réaction,
le circuit et le fil conducteur étant tels qu'un champ magnétique de contre-réaction est créé dont le flux à travers la surface du senseur magnétique compense substantiellement, à chaque instant, le flux du champ magnétique externe,
le signal de sortie du dispositif de mesure étant constitué par le courant de contre réaction.
3. - Dispositif de détection de courant selon la revendication 2, dans lequel le senseur magnétique (312) est un senseur magnétique supraconducteur.
4. - Dispositif de détection de courant selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel le circuit de contrôle (314) comporte un moyen de comparaison (322) propre à comparer le signal de réponse (V(t)) du senseur magnétique (312) par rapport à un signal de référence (V0) et à générer un signal de comparaison, et une source de courant (324) commandée par le signal de comparaison, propre à générer le courant de contre-réaction (iCR(t)).
5. - Dispositif de détection de courant (600 ; 700) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le senseur magnétique (612 ; 712) est constitué d'une pluralité de senseurs magnétiques élémentaires (612-i ; 712-i) connectés en série entre des bornes d'entrée du circuit de contrôle (614 ; 714).
6. - Dispositif de détection de courant (400 ; 500 ; 600 ; 700) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel le premier et le second fils conducteurs sont conformés de manière à cheminer parallèlement dans un plan de la surface du senseur magnétique, le courant extérieur (iext(t)) circulant dans un premier sens et le courant de contre-réaction (iCR(t)) circulant dans un second sens opposé au premier.
7. - Dispositif de détection de courant (400 ; 500) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel le premier fil (406 ; 506) et/ou le second fil (416 ; 516) forme(nt) une boucle autour de la surface du senseur magnétique (412 ; 512), la boucle comportant au moins une spire.
8. - Dispositif de détection de courant (600 ; 700) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel, le senseur magnétique (612 ; 712) étant constitué d'une pluralité de senseurs magnétiques élémentaires (612-i ; 712-i) connectées en série entre des bornes d'entrée du circuit de contrôle (614 ; 714), les premier et second fils forment une pluralité de méandres autour d'une pluralité de magnétomètres élémentaires.
9. - Dispositif de détection de courant selon la revendication 8, dans lequel, lesdits senseurs magnétiques élémentaires (612-i) étant asymétriques, les senseurs magnétiques élémentaires sont disposés dans un méandre sur deux, ou, lesdits senseurs magnétiques élémentaires (712-i) étant symétriques, les senseurs magnétiques élémentaires sont disposés dans chaque méandre.
10. - Dispositif de détection de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, ayant une bande passante étendue et une réponse linéaire et uniforme sur ladite bande passante.
1 1 . - Dispositif de détection de courant (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur magnétométrique et une portion du premier fil conducteur sont placés dans un carter (302) permettant une isolation magnétique vis-à-vis du monde extérieur.
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