FR2800457A1 - Procede de fabrication de capteur analogique de position sans contact - Google Patents
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Abstract
Procédé de réalisation de détecteur de position analogique sans contact du type circuit imprimé multicouche comportant au moins une bobine spirale allongée déposée sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche métallique constituée en matériau de caractéristiques magnétiques prédéterminées.
Description
"Procédé fabrication de capteur analogique de position sans contact" L'invention est du domaine des capteurs de position. Elle concerne en particulier capteur utilisé dans le domaine automobile pour détecter la position d'éléments moteurs ou d'éléments de commandes, tels que colonne de direction, manettes de commandes des lumières, des essuie-glaces, etc.
Dans le domaine automobile en particulier, il existe un besoin important de connaissance de position de manettes mobiles, par exemple pour des commandes de contrôle du véhicule, ou de niveaux, par exemple d'essence ou autres fluides moteurs. De plus, on constate aujourd'hui, avec l'augmentation contenu électronique des véhicules, un souhait de connaître plus de parametres de fonctionnement de tous les éléments du moteur, avec par exemple la position de commandes ou d'actionneurs, le couple appliqué la barre de direction, la position du levier de vitesse etc.
Des capteurs de positions précis, économiques à réaliser et de petite taille sont donc de plus en plus indispensables.
On utilise couramment dans ce domaine des potentiomètres résistifs. Pour des raisons de fiabilité, il est souhaitable de remplacer ce type de capteurs par des capteurs sans contact, sans pour autant augmenter leur coût.
On connaît par ailleurs déjà des capteurs de position inductifs sans contact. On peut citer en particulier dans ce domaine le document 5.204.621 (Position Sensor Employing a Soft Magnetic Core) qui décrit dispositif comprenant une bobine de mesure encadrée par deux bobines d'excitation de polarité opposée disposées sur un cylindre (ou sur une feuille plate) qui comporte une feuille interne en V de matériau ferromagnétique, dans lequel est mobile en translation un petit aimant.
L'aimant génère dans le noyau une zone de saturation qui interrompt les lignes de champ créées par les bobines d'excitation, modifiant la part de chacune d'elles dans le signal mesuré aux bornes de la bobine de mesure. L'aimant est alors attaché à la pièce mobile dont on souhaite mesurer le déplacement. Dans le cas de dispositif plan, le petit aimant est mobile au contact d'une couche de protection et de glissement en face de deux bobines et la mesure est réalisée de façon différentielle également.
On comprend que ce dispositif n' pas adapté à une mesure de position à distance ou à travers une paroi. ailleurs, il est relativement complexe dans le cas de réalisation en cylindre, conduit à des phénomènes de frottement indésirables dans le cas de dispositif plan.
La présente invention a pour de remédier aux inconvénients précités, en proposant un capteur analogique de position sans contact économique à réaliser, simple à mettre ceuvre, et adapté à mesurer une position à travers une paroi.
A cet effet, l'invention propose un procédé de réalisation de détecteur de position analogique sans contact du type circuit imprimé multicouche comportant au moins une bobine spirale allongée déposée sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche métallique constituée en matériau de caractéristiques magnétiques prédéterminées.
On comprend que l'invention a pour principe un circuit imprimé multicouche, dont au moins une couche métallique est réalisée en matériau ferromagnétique au lieu de cuivre.
Dans un mode de mise en ceuvre préféré, le procédé comporte des étapes de création d'un circuit imprimé multicouche comprenant au moins une bobine spirale allongée déposée sur un substrat, de couverture de ces bobines sur leur face extérieure par une couche isolante, un matériau de remplissage étant introduit entre les pistes des bobines, et d'ajout sur au moins une face externe de ce circuit imprimé multicouche d'une couche de matériau dit noyau de caractéristiques magnétiques prédéterminées. présente demande est déposée conjointement avec un groupe de demandes brevet "Capteur analogique de position sans contact", "Capteur analogique de position sans contact à couche noyau largeur variable", - "Capteur analogique de position sans contact à couplage différentiel" La description et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. II est clair que cette description n'est donnée qu'à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif. Dans les dessins - la figure 1 représente de façon schématique un capteur de position réalisé par un procédé selon l'invention<B>;</B> - la figure 2 représente une bobine spirale allongée utilisée dans détecteur; - la figure 3 est une vue en coupe des éléments composants le détecteur à deux enroulements parallèles ; - la figure 4 illustre de façon analogue le cas de quatre enroulements parallèles ; - la figure 5 est une vue en coupe du détecteur et de l'aimant mobile - la figure 6 illustre en vue de dessus la zone de saturation générée par l'aimant lors de son déplacement; figure 7 montre en coupe les éléments d'un capteur; figure 8 illustre une variante comportant des composants électroniques ; - la figure 9 montre une mise en oeuvre particulière de l'invention.
Le principe fondamental du capteur pour lequel le procédé est utilisé est la mise en oeuvre d'une bobine formant inductance, disposée sur un substrat mince, prise en sandwich entre deux couches (par défaut une seule) de matériau de type mumétat (à forte perméabilité magnétique). Dans la suite de la description, on utilisera le terme de mumétal pour désigner plus généralement les matériaux présentant des caractéristiques magnétiques analogues, c'est à dire forte perméabilité magnétique par exemple de l'ordre de 100 000 x celle de l'air, et champ de saturation faible, par exemple de 0.8 Tesla) Le mumétal se comporte comme un amplificateur de l'inductance L mesurée aux bornes de la bobine (effet de stockage de champ magnétique). Quand un aimant passe devant la feuille de mumétal, son champ magnétique entraîne une saturation locale dudit mumétal (dont on a vu qu'il est choisi tel qu'il soit saturé par un champ relativement faible), dont la perméabilité magnétique s'effondre sur la surface saturée.
II en résulte une baisse de la valeur de l'inductance L, proportionnelle à la surface de bobine couverte par du mumétal saturé.
Cette baisse de l'inductance est naturellement mesurable aux bornes de ladite inductance, et on en déduit une estimation de la surface de la bobine couverte par du mumétai saturé.
On peut également utiliser deux bobines disposées en parallele entre les couches de mumétal, l'une alimentée par un courant alternatif l'autre reliée aux bornes d'un dispositif de mesure de tension. Dans cas, le couplage entre deux bobines est favorisé par la présence du mumétal. La saturation de dernier par le champ magnétique de l'aimant entraîne une variation de ce couplage, proportionnelle à la surface de bobine couverte par du mumétal saturé, qui est mesurable aux bornes de la seconde bobine.
En choisissant une forme et une disposition judicieuse de la bobine, du mumétai et de l'aimant, on obtient un signal électrique (fonction de la variation d'inductance ou de couplage) liée à un déplacement de l'aimant selon une direction prédéterminée.
Comme on le voit sur la figure 1, un capteur réalisé par un procédé selon l'invention, dans sa mise en oeuvre sous forme de capteur longitudinal, comporte deux parties dont la première partie 1 constitue le détecteur proprement dit, et la seconde partie 2 est solidaire de la pièce mobile dont on souhaite mesurer le déplacement.
Le détecteur 1 est un circuit imprimé multicouche de type classique, réalisé à partir d'une feuille de matériau substrat 3 de tout type classique en ce domaine, par exemple en verre époxy (rigide), ou en polyimide (flexible). Dans présent exemple décrit à titre non limitatif, la feuille de substrat a une longueur de quelques centimètres pour une largeur de 1 centimètre environ et épaisseur de 0.1 mm.
Cette feuille de substrat 3 porte une bobine plate 4 (figure 2) de type spirale allongée, par exemple dix fois plus longue que large. Cette bobine comporte préférentiellement un grand nombre de spires (tours), puisque sait que l'inductance est proportionnelle au carré du nombre de spires. On utilise une bobine spirale pour provoquer une addition des champs magnétiques créés par les spires concentriques et non leur soustraction deux à deux.
On utilise dans le capteur décrit une bobine 4 à plusieurs enroulements 7 montés en série et disposés physiquement en couches parallèles, de manière à augmenter l'inductance mutuelle des enroulements à reduire les effets de non linéarité aux zones de repliement 5. Par contre il connu que la multiplication des épaisseurs de bobine et de substrat conduit à augmentation à la fois du coût de production et également de la résistance magnétique de l'ensemble. Or l'inductance est inversement proportionnelle à cette résistance magnétique. II est donc souhaitable de restreindre le nombre de couches d'isolant.
Dans le présent exemple, on utilise une bobine 4 à deux enroulements 7A, 7B parallèles (figure 3), disposés de part et d'autre de la feuille de substrat 3. II est clair que l'on peut utiliser des bobines à quatre enroulements 7 ou plus selon les besoins. (figure 4).
Le détecteur 1 comporte ensuite deux couches 8A, 8B de matériau ferromagnétique (dites couches noyau dans la suite de la description), typiquement en mumétal, disposées de part et d'autre circuit imprimé 3,4. Un matériau isolant de type classique (non représenté) préalablement inséré entre les pistes des enroulements 7 de la bobine et au dessus desdits enroulements 7.
L'épaisseur de chaque couche noyau 8A, 8B est faible, comprise entre 20 et 50 microns, afin d'éviter l'apparition courants de Foucault. L'épaisseur de ces couches noyau 8 peut aller de quelques angstrôms à quelques dizaines de microns. Pour obtenir une épaisseur extrêmement faible, une telle couche noyau 8 peut éventuellement être obtenue par dépôt sous vide, au moins pour certains types de matériau ferromagnétique.
En ce qui concerne le matériau ferromagnetique utilisé, on connaît ou moins trois familles de matériaux compatibles avec conditions énoncées. Tout d'abord, la famille du mumétal proprement dit est formé d'un alliage Nickel Fer. Une seconde famille utilise un métal amorphe obtenue par trempe ultra rapide. Enfin une troisième famille utilise un matériau nanocristallin à base de Cobalt. De tels matériaux sont par exemple connus sous les noms commerciaux de Permaloy, Ultraperm, Finmec.
II est souhaitable que les deux couches noyau 8 soient aussi proches que possible l'une de l'autre. De ce fait, on utilise une bobine 4 ainsi que des isolants 3 très minces.
La seconde partie 2 (mobile) du capteur de déplacement comprend un aimant 9 qui génère une zone de saturation 10 (champ généré supérieur au champ de saturation de la ou des couches noyau 8) dans le plan des couches 8 de mumétal, dont la surface est analogue à la surface de la couche 8 de mumétal (figures 5 et 6).
Le procédé de fabrication des capteurs décrits ci-dessus, dans leur différentes constitutions, comporte dans son principe la création d'un sandwich comportant un circuit imprimé multicouche supportant au moins une couche noyau 8 en matériau ferromagnétique de caractéristiques magnétiques prédéterminées.
Le substrat 3 isolant qui porte la ou les bobines 4 est par exemple du type en matière synthétique époxy ou polyimide. A titre d'ordre de grandeur, ce substrat 3 peut être de quelques centimètres de long, pour environ 1 centimètre de large et 0.1 mm d'épaisseur. II est clair que cette couche peut naturellement etre choisie soit flexible, soit au contraire rigide (avec une épaisseur plus importante), selon les contraintes de mise en oeuvre du capteur dans chaque application.
Dans un mode de réalisation particulier, les bobines 4 sont réalisées par gravure sous la forme de pistes de cuivre très allongées, déposées sur plaque 3 formant substrat. Elles comportent typiquement une demi-douzaine tours.
Ces bobines 4 sont couvertes sur leur face extérieure par nouvelle couche isolante 3', 3", analogue au substrat 3 tant en dimensions qu'en matériau. Un matériau de remplissage 11 de type connu de l'homme métier est naturellement introduit entre les pistes des bobines 4, avant déposer la nouvelle couche isolante 3', 3", par exemple par collage ou tout autre moyen classique.
La realisation de ce circuit imprimé multicouche comportant deux bobines 4, 4' de nature classique et n'est donc pas détaillé ici plus avant. Puis une couche noyau 8, en matériau à forte perméabilité (typiquement supérieure d'un facteur 100 000 par rapport à l'air) et de faible champ de saturation (typiquement 0.8 T) est déposée sur au moins une face exteme du composite isolant 3 + bobines 4, 4' (figure 7).
Le matériau à forte perméabilité utilisé est par exemple du mumétal proprement dit (alliage Nickel Fer), ou un alliage amorphe (également appelé verre métallique), ou encore un alliage nanocristallin à base de Cobalt typiquement.
La couche noyau 8 est de l'ordre de 20 à 50 microns, pour permettre une saturation par un faible champ magnétique extérieur). Selon le type de capteur que l'on souhaite réaliser différentes formes de couche noyau sont réalisables : couche noyau en forme de triangle, ou présentant paliers de largeur, voire des rétrécissement locaux, couche noyau en arc cercle éventuellement effilé, couche noyau presentant des hachures ou grains plus ou moins gros et plus ou moins serrés.
La couche noyau 8 est par exemple réalisée par procédé chimique (dépôt), ou par collage, en étant alors prédécoupée puis collée de façon classique.
Alternativement, le procédé de dépôt est un colaminage, la forme de la couche noyau 8 étant obtenue par exemple par un procédé additif ou soustractif de type connu selon la forme requise par l'application du capteur.
Un dépôt par gravure ou par sérigraphie est enfin utilisable, selon des modalités connues de l'homme du métier.
Pour améliorer sa conductivité électrique ou sa soudabilité, le matériau ferromagnétique peut éventuellement et sélectivement être couvert par un autre métal selon des modalités connues de l'homme du métier. Ceci est particulièrement utile si le mumétal doit être utilisé comme piste conductrice.
De meure, on peut avantageusement procéder à un traitement améliorant son adhérence au support avant collage, par exemple avec un dépôt d'une fine couche d'or, puis de cuivre, puis une étape d'oxydation du cuivre.
Un vernis de protection de la couche noyau 8 est préférentiellement appliqué, de manière à réduire le stress mécanique et à isoler la couche ferromagnétique Dans une variante de procédé de dépôt de la couche ferromagnétique, le matériau utilisé est pulvérisé et mélangé à une pâte polymère, de sorte qu'il est ensuite déposable aisément sur les bobines.
II est egalement possible en variante de modifier apres dépôt les caractéristiques magnétiques d'une couche noyau 8, que ce par stress mécanique local, ou par traitement laser, le chauffage local detruisant les propriétés magnétiques du mumétai en particulier. Un tel traitement est par exemple adapté à corriger des erreurs de fabrication (erreurs de linéarité ou ajustage de la valeur de sortie détecteur).
II est également clair que des assemblages de circuit collage de sous-circuits élémentaires obtenus par le procédé décrit ci-dessus sont réalisables, avec des méthode de collage connues de l'homme du métier.
En variante de réalisation réduisant le nombre de couches de matériau ferromagnétique à fabriquer, le circuit est choisi de type très flexible, deux bobines 4, sont réalisées côte à côte sur un substrat 3, une couche noyau est déposee de l'autre côté du substrat 3, puis le circuit imprimé est replié en deux apres dépôt de la couche noyau 8, les deux bobines étant alors parallèles en vis vis, séparées par une épaisseur de colle, de manière à obtenir une couche noyau sur les deux faces des bobines 4, 4. Une séparation est créée entre les deux côtés de la couche noyau 8.
L'ensemble détecteur 1 est typiquement réalisé sous forme d'une feuille de faible épaisseur, par exemple environ 0.5 mm.
II est clair qu'il est possible d'utiliser le même circuit multicouche, en dehors de la zone comportant les bobines 4, 4' et les couches noyau 8A, 8B, pour tracer des pistes conductrices adaptées à la réalisation de circuits électroniques, composants 13 étant alors implantés sur ou les deux faces du circuit imprimé.
Dans variante de réalisation, une nouvelle couche d'isolant 12 est déposée sur une couche noyau 8, et des pistes conductrices en Cuivre y sont gravées, de manière à permettre l'implantation de composants 13 (figure 8).
Dans une autre variante de réalisation non représentee, une partie au moins d'une couche noyau 8 est utilisée comme support de composants 13 (avec un traitement approprié), en dehors de la zone comportant les bobines 4, 4'. Dans ce cas, la première partie de la couche noyau 8, utilisée dans la fonction de détecteur de position est reliée à la masse du dispositif électronique de traitement de signal, alors que seconde partie qui supporte des composants 13 et des pistes conductrices n'est pas reliée à cette même masse. Deux zones différentes sont alors crées côte à côte dans la couche noyau 8, avec une séparation.
Avantageusement, dans le d'un capteur flexible (avec un substrat 3 de faible épaisseur), comportant une première zone formant détecteur de position proprement dit, avec deux couches noyau 8A, 8B (figure 9), et une seconde zone 14 dans laquelle des composants 13 sont implantés sur un substrat supportant une couche de matériau ferromagnétique, on vient replier le circuit autour de ces composants 13, de manière à leur fournir un excellent blindage électromagnétique.
II est clair que ces composants 13 peuvent par exemple constituer le circuit électronique de traitement du signal du détecteur 1 de position.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considerées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art.
Claims (1)
1. Procédé de réalisation de détecteur de position analogique sans contact type circuit imprimé multicouche comportant au moins une bobine spirale allongée déposée sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins couche métallique constituée en matériau de caracteristiques magnétiques prédéterminées. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en que il comporte réalisation d'un circuit imprimé multicouche comportant couche de materiau ferromagnétique, entourée sur ses deux faces de couches de cuivre. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de création d'un circuit imprimé multicouche comprenant au moins une bobine spirale allongée déposée sur un substrat, de couverture de ces bobines sur leur face extérieure par une couche isolante, un matériau de remplissage étant introduit entre les pistes des bobines et d'ajout sur au moins une face externe de ce circuit imprimé multicouche d'une couche de matériau dit noyau de caractéristiques magnétiques prédéterminées. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bobines sont réalisées par gravure sous la forme de pistes de cuivre très allongées, déposées sur la plaque formant substrat. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche noyau 8 est réalisée par prédécoupage puis colaminage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche noyau 8 est réalisée par gravure. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que la couche noyau 8 est réalisée par sérigraphie. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche noyau est sélectivement couverte par un autre métal. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que un dépôt d'une fine couche d'or, puis de cuivre, puis une étape d'oxydation du cuivre est réalisé sur la couche noyau. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérise en ce qu'il comporte une étape d'application d'un vernis de protection la couche noyau 8. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau noyau présente une perméabilite typiquement supérieure facteur 100 000 par rapport à l'air et un champ saturation typiquement 0.8 T. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé ce que le matériau noyau est du mumétal. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le matériau noyau est un alliage amorphe (également appelé verre métallique). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé ce que le matériau noyau est un alliage nanocristallin à base de Cobalt. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications à 14, caractérisé en ce que la couche de matériau noyau a une épaisseur l'ordre de 20 à 50 microns. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérise ce qu'il comporte également des étapes dépôt d'une nouvelle couche d'isolant sur une couche de matériau noyau, et de gravure de pistes conductrices sur cette couche d'isolant, de manière à permettre l'implantation de composants Procédé selon l'une quelconque des revendications à 16, caractérisé ce que une partie au moins de la surface de mumétal utilisée comme pistes conductrices et support de composants. 8. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte création de deux zones de matériau noyau distinctes, une première partie de la couche de matériau noyau qui est utile dans la fonction de capteur de position etant reliée à la masse d'un dispositif électronique de traitement de signal, et seconde partie supportant des composants et des pistes conductrices n'étant pas reliée à cette même masse. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé ce que dans le cas d'un capteur flexible (avec un substrat de faible épaisseur), comportant une zone formant capteur de position proprement dit, avec deux couches de mumétal et une zone dans laquelle des composants sont implantés au dessus d'une couche de mumétal, le procédé comporte une étape de pliage du circuit autour de ces composants, de manière à leur fournir un excellent blindage électromagnétique.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CA | Change of address | ||
| CD | Change of name or company name | ||
| CJ | Change in legal form | ||
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20060630 |