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L orsqu’on évoque les avantages descapteurs magnétiques par rapportà ceux d’autres capteurs d’auto-matismes (optiques, capacitifs...),

il vient souvent à l’esprit les critères derobustesse et de durée de vie. Pourtant, cequi devrait frapper en premier, c’est l’ex-

trême diversité de leursapplications : ils sont eneffet capables de pouvoirà la fois détecter uneposition, mesurer unedistance, une vitesse, unchamp magnétique oumême un courant… Leplus souvent, c’est l’effetHall qui est à la base deces applications. Un peuà l’image de la loid’Ohm dans les mesuresélectriques, cet effet estconnu depuis plus d’unsiècle et très largementutilisé aujourd’hui. Sonprincipe est basé sur l’ap-

parition d’une tension électrique sur lesfaces latérales d’un barreau conducteurlorsqu’il est parcouru par un courant, etsoumis à un champ magnétique perpen-diculaire au sens du courant. La tension quiapparaît (appelée “tension de Hall”) estdirectement proportionnelle au champmagnétique et au courant qui circule dansle barreau. Un capteur à effet Hall permetainsi d’accéder au champ, et à toute autregrandeur physique qui l’influence (la posi-tion d’une pièce métallique, son déplace-ment, etc.).Ces capteurs présentent de nombreuxavantages. Ils sont notamment intéres-sants en termes de coût et de linéarité,et ils offrent une large gamme de mesu-re (puisqu’il n’y a pas de saturation).Mais ils souffrent aussi d’un inconvé-nient : la température ayant une grandeinfluence sur la mobilité des électrons,ils sont aussi très sensibles aux variationsthermiques.Fort heureusement, pour mesurer unchamp magnétique, il n’y a pas que l’effet

Hall. Si on laisse un peu de côté les sys-tèmes extrêmement sensibles que l’on uti-lise pour des applications spécifiques (desmagnétomètres à saturation – ou fluxgates– utilisés notamment dans les systèmesde navigation aérienne, des magnéto-mètres à supraconductivité employés engéophysique…), il existe aussi les cap-teurs magnétorésistifs. Le plus souvent, cesont des capteurs de type AMR (Anisotro-pic Magnetoresistance ou à magnétorésistanceanisotrope). Leur principe est basé sur lavariation de résistance électrique d’unmatériau en fonction de la direction duchamp magnétique qui lui est appliqué.En effet, lorsqu’un matériau ferromagné-tique est parcouru par un courant et sou-mis à un champ magnétique, les momentsmagnétiques de ses électrons s’alignentdans la direction de l’aimantation, créantainsi une certaine conduction électrique.Lorsqu’on change la direction de l’ai-mantation, on modifie alors l’orientationdes moments magnétiques, et donc larésistivité du matériau…

En bref…

� Il existe une grande variétéde capteurs d’automatismesbasés sur un principemagnétique

� Les plus courants, les capteursà effet Hall, sont intéressantsen termes de coût et delinéarité, mais ils sontsensibles aux variationsthermiques

� Les capteurs magnétorésistifsde type GMR permettentde pallier cet inconvénient

� Associés en pont deWheatstone, ces composantsoffrent de très nombreusesapplications

C A P T E U R S D ’ A U T O M A T I S M E S

Les capteursmagnétiquesGMR rivalisentavec l’effet Hall

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Les capteurs magnétiques sont utilisés dans une grande variété d’applications, dela mesure de distances ou de vitesses à la détection de pièces métalliques, en pas-sant par la mesure de courant. La plupart du temps, ces capteurs sont basés sur l’ef-fet Hall. Le principe, connu depuis longtemps, est bien maîtrisé. Il permet d’obtenirdes capteurs dotés d’une grande plage de mesure et peu onéreux… mais sensiblesaux variations de température. Pour pallier cet inconvénient, on utilise alors descapteurs magnétorésistifs, et notamment des capteurs GMR (à magnétorésistancegéante) très sensibles et peu dépendants des variations de température…

Plus petits et moins sensibles aux variations thermiques que les traditionnels capteurs à effetHall, les capteurs magnétiques à effet GMR connaissent actuellement un fort développement.Ils sont notamment utilisés dans la mesure de distances, de vitesses et de courant électrique,ainsi que dans les têtes de lecture des disques durs.

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Ces capteurs offrent une sensibilité éle-vée (de l’ordre de 1 mV/gauss), maisleur plage de mesure est limitée à± 25 gauss. D’autre part, la variation derésistance observée en sortie est relative-ment faible (de l’ordre de 3 %). Pouravoir un signal exploitable, il faut doncqu’ils soient traversés par un courant rela-tivement important…

L’effet GMR, une sorte“d’effet AMR amplifié”Une autre technique permet de pallierces limitations. Appelée GMR (GiantMagnetoresistance ou MagnétorésistanceGéante), son principe est relativementrécent et moins connu que l’effet Hallou la magnétorésistance anisotrope, maiselle connaît actuellement un fort déve-loppement.L’effet GMR est découvert à la fin des années80 grâce aux progrès réalisés dans les pro-cédés de dépôts et de caractérisations desfilms minces. Des chercheurs constatent queles matériaux métalliques constitués d’unempilement de couches ferromagnétiqueset non magnétiques de quelques nano-mètres d’épaisseur présentent un effetremarquable : lors de l’application d’unchamp magnétique, leur résistance élec-trique diminue dans une proportion impor-tante (de 10 à 20 %), proportionnellementà l’intensité du champ magnétique. C’est lamagnétorésistance géante des multicouches(ou GMR).Pour comprendre un tel phénomène, ilfaut connaître le comportement des élec-trons. Comme pour l’effet AMR, lamagnétorésistance géante est due en effetà l’influence du spin sur la conductionélectrique d’un matériau ferromagné-tique. Mais ici, les couches ferromagné-tiques agissent avec les électrons commedes filtres de polarisation avec les pho-tons de la lumière, autorisant ou non leurpassage suivant leur orientation.En l’absence de champ magnétique, lesaimantations de deux couches minces

voisines s’orientent naturellement dansdes directions opposées (mécanisme d’in-teractions d’échange). Les électrons desdeux directions de spin (up et down) ontdonc un comportement contraire : lesélectrons de spin up, par exemple, sonttrès mobiles dans la première couche etpas dans la deuxième, alors que les élec-trons de spin down traversent difficilementla première couche, mais ils sont plusmobiles dans la deuxième… Consé-quence, le passage à travers les deuxcouches des deux types d’électrons estglobalement difficile. Dans ce cas, la résis-tivité du matériau est maximale.Mais lorsqu’on applique un champmagnétique, la situation s’inverse. Lesmoments magnétiques des deux couchessuccessives s’alignent parallèlement auchamp. Dans ce cas, une direction de spinest favorisée : les électrons de spin up, parexemple, sont très peu mobiles, mais lesélectrons de spin down traversent facilementles deux couches. Globalement, la résisti-vité du matériau est alors très faible.Ces capteurs ne manquent pas d’intérêt.Comme dans le cas des capteurs de typeAMR, c’est l’amplitude de la magnétoré-sistance (c’est-à-dire l’écart maximal derésistance rapporté à la résistance à champnul) qui permet d’accéder à la variationde champ magnétique. Le terme GMRporte bien son nom. Alors qu’elle est d’àpeine 3 % pour les capteurs AMR, lamagnétorésistance des capteurs GMRs’élève à près de 16 %, et ceci sur une pluslarge gamme de mesure. Enfin, les cap-teurs GMR sont stables en température(avec un coefficient de variation de0,15 %/°C jusqu’à 200 °C).

De nombreuses applicationsLes composants magnétorésistifs à effetGMR sont principalement destinés à deuxtypes de capteurs : les gradiomètres (quidétectent une variation du champ magné-tique entre deux points) et les magnéto-mètres (qui permettent de mesurer l’in-tensité d’un champ magnétique).Pour cela, il suffit de constituer un pont deWheatstone avec quatre magnétorésistancesGMR.Lorsque le pont est soumis à un champmagnétique uniforme, les quatre résistances“voient” une intensité identique et la ten-sion de sortie du pont est nulle. Dès que lechamp n’est plus uniforme, le pont se désé-quilibre, entraînant l’apparition d’une ten-sion de sortie proportionnelle à la variationde champ magnétique. On obtient ainsi ungradiomètre.

Pour en savoir plus

� http://www.nve.com/technical/index. html� http://www.megatron.fr� http://www.spm.cnrs-dir/quoi/publi-cations/IP2000/14a.pdf� http://perso.wanadoo.fr/michel.hubin/capteurs/phys/chap_m1.htm� Techniques de l’ingénieur, traitéMesures et Contrôle (R 416)

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Pour en faire un magnétomètre, il suffitensuite de blinder deux des quatre résis-tances du pont en les recouvrant d’un dépôtmétallique. Ces résistances servent alors deréférence. Elles permettent de mesurer lavaleur absolue du champ magnétique (etnon plus seulement ses variations relatives)jusqu’à près de 400 gauss. (Pour donner unordre d’idées, le champ magnétique terrestreest d’environ 0,5 gauss, et le champ créépar un petit aimant s’élève à près de1000 gauss à 0,25 mm).Grâce à leurs propriétés, les capteurs GMR necessent de voir s’élargir leur domaine d’ap-plications. Contrairement aux capteurs AMR,où l’on doit construire des capteurs relati-vement encombrants pour compenser uneffet magnétorésistif, les capteurs GMR peu-vent être miniaturisés. On les trouve ainsidans les têtes de lecture des disques durs.

Depuis leur introduction sur ce marché en1997 (par des sociétés comme IBM ou Hita-chi), ils ont d’ailleurs permis de porter ladensité de stockage des informations conte-nues sur les disques durs à près de20 Gbit/in2 (3,1 Gbit/cm2).Autre application, la mesure de vitesse. Desgradiomètres de la société américaine NVE(représentée en France par Megatron) sontainsi utilisés pour mesurer la vitesse derotation et la position d’engrenages. Pourcela, un gradiomètre est monté à proximi-té des dents et polarisé par un aimant pla-cé juste derrière (à une distance de 2 mm).Le tout est réglé de telle manière quelorsque la dent se trouve devant le capteur,le champ magnétique soit uniforme. Dansce cas, les quatre résistances qui constituentle pont de Wheatstone sont équilibrées.Lorsque la roue est en rotation, les dents

viennent perturber les lignes de force duchamp magnétique créé par l’aimant. Lesquatre résistances ne voient donc pas lamême intensité magnétique et le pont estdéséquilibré, entraînant l’apparition d’unetension en sortie. Ainsi, le capteur permetnon seulement de mesurer la vitesse derotation de l’engrenage, mais aussi deconnaître la position d’une dent et decompter le nombre de tours.La mesure de courant électrique est une autreapplication. Les magnétomètres GMR peu-vent mesurer un champ allant du continu àplus d’1 MHz, avec une bien meilleure sen-sibilité et un meilleur comportement en tem-pérature que les capteurs à effet Hall. Pourcela, ils peuvent être montés directement surun circuit imprimé, la piste à mesurer passantjuste sous le boîtier.Lorsqu’ils sont associés à une électronique

Principales caractéristiques

Type de capteurs Étendue de Sensibilité Température Stabilité Dimensions Fonctionne Coûtmesure d’utilisation thermique en continu

À effet Hall Infinie De l’ordre de De - 40 à 150 °C Faible Typiquement Oui Faible(pas de saturation) 0,05 mV/Gauss (4x3x1,5 mm)

À bobine inductive Infinie Dépend de la fréquence De - 40 à 175 °C Dépend de Quelques cm3 Non(pas de saturation) et du champ magnétique l’électronique

Magnétorésistifs (AMR) ± 25 gauss De l’ordre de De -40 à 175 °C Moyenne (de l’ordre Typiquement Oui Élevé1 mV/Gauss de 0,3 %/°C) (5x5x1,5 mm)

Magnétorésistifs (GMR) ± 400 gauss De l’ordre de De -40 à 175 °C Élevée (de l’ordre Faibles Oui Moyen5 mV/Gauss de 0,15 %/°C) (<3x3x1 mm)

II

I

B

B

Principe des capteurs magnétiques

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de conditionnement du signal, les magné-tomètres peuvent être aussi utilisés com-me des commutateurs magnétiques sanscontact (“switchs digitaux”). Ces com-posants sont notamment destinés à ladétection de mouvement des tiges devérin hydraulique ou pneumatique. Il suf-fit de loger un aimant dans le vérin, et defixer le commutateur magnétique GMR

sur le corps du vérin (à l’extérieur), àquelques millimètres de la tige.On trouve enfin des ponts GMR associés àdes électroniques complexes qui permettentde réaliser des codeurs magnétiques linéaireset angulaires, et des réseaux de ponts per-mettant de détecter un motif dessiné par desencres magnétiques.Malgré tout, les capteurs GMR ne remplace-

ront jamais totalement lescapteurs à effet Hall, notam-ment en termes de coûts.Quant aux capteurs magné-torésistifs de type AMR, ilsresteront intéressants dans lamesure de champs faibles enraison de leur grande sensi-bilité. Enfin, les capteursGMR ne pourront jamaisconcurrencer les systèmes demesure de champ (tels queles fluxgates ou les magnéto-mètres à Squids) dans lesapplications médicales ougéophysiques.

Denis Stremplewski, François Mortier

Megatron*

*Megatron est le distributeur exclusif de la société améri-caine NVE en France. Il propose une large gamme de pro-duits (imprimantes, composants, etc.) destinés principale-ment aux fabricants de machines et d’équipements(OEM).Filiale du groupe Megatron Electronik AG & Co, la socié-té est implantée en Haute-Savoie à Allinges.Tél. : 0450705454 - Fax : 0450705656http://www.megatron.fr

Principaux capteurs magnétiquesType de capteurs Principaux avantages Principales limitations Exemples d’applications

A effet Hall - Faible coût - Sensibilité aux variations de Mesure de courant, claviers, etc.- Bonne linéarité sur une températuregrande plage de mesure - Répétabilité

A bobine inductive - Robustesse - Encombrement Capteurs fin de course, compte-tours,- Tenue en température - Peu adapté aux basses vitesses capteurs angulaires…

Magnétorésistifs (AMR*) - Mesure de champs faibles - Consommation élevée Détecteur de position, mesure de vitesse- Sensibilité - Coût angulaire, détecteur de proximité,

mesure de champ magnétique,capteur de courant, etc.

Magnétorésistifs (GMR**) - Sensibilité - Stabilité dans les champs faibles Détecteur de position, mesure de courant,- Stabilité thermique - Hystérésis commutateur magnétiques

*AMR : Anisotropic Magnetoresistance**GMR : Giant Magnetoresistance