Capteurs

Capteurs
Légende: Approche spintronique pour la réalisation de capteurs : exemple d’un capteur à jonction tunnel magnétique développé pour la société NTN-SNR

Dans le cadre de nos activité partenariales ou en interne, notre équipe développe des capteurs utilisant les avantages de l’électronique de spins et du nanomagnétisme.

Capteur à aimantations croisées, capteur champ intermédiaire, application automobile

Dans ce cadre, pour l’invention et le développement technologique d’« Une nouvelle génération de capteurs magnétiques pour l’ASB de la société SNR », l’équipe a reçu le Prix Yves Rocard 2010 de la Société Française de Physique. Cette dernière repose sur le savoir faire de l’équipe en terme de nanomagnétisme pour le développement d’une nouvelle couche sensible mais aussi en termes de jonctions tunnel. Par rapport aux capteurs classiques à effet Hall, les capteurs TMR développés ont une consommation électrique 1000 fois plus faible et une plus grande sensibilité à longue distance qui permettra de mesurer la vitesse de rotation d’une pièce à travers notamment un carter de moteur.

Capteur type flux gate à détection magnéto-résistive, capteur bas champ

Les capteurs de champ magnétique de type ’Flux-gate’, qui utilisent les propriétés hystérétiques des matériaux magnétiques, sont connus pour leurs hautes résolution et précision et leur faible coût de fabrication. Cependant, ces capteurs ne sont pas adaptés à la miniaturisation. Pour la réalisation de microsenseurs, les capteurs basés sur la magnéto-résistance géante présentent les meilleures caractéristiques. En effet, les propriétés magnéto-résistives sont quasiment indépendantes de la taille de l’élément sensible et de fortes magnéto-résistances peuvent être obtenues dans des éléments submicroniques. Nous avons combiné les avantages des deux capteurs en remplaçant la bobine captrice du capteur de type ’Flux-gate’ par un capteur magnétorésistif à réponse hystérétique. Nous avons pu stabiliser deux couches magnétiques de coercitifs inférieurs à 30 Oe et une première démonstration de la fonctionnalité du capteur a pu être obtenue avec une jonction tunnel magnéto-résistive. De plus, nous avons pu montrer que le concept pouvait être étendu à une mesure bidimensionnelle du champ magnétique avec une jonction tunnel unique.

Capteur à aimantations croisées, capteur haut champ

Une extension du travail précédent consiste à augmenter l’anisotropie de la couche sensible afin de permettre une mesure de l’intensité du champ magnétique dans une gamme plus étendue. Cela est possible en utilisant le champ démagnétisant qui est une anisotropie naturelle dans les films minces. Ce dernier peut atteindre des valeurs de plus de 2 T. La couche sensible possède une aimantation planaire et la couche de référence une aimantation perpendiculaire, parallèle à la direction d’application du champ à détecter. Nous observons bien une variation linéaire de la résistance de la jonction tunnel avec le champ appliqué.

Capteurs SAW magnétiques

Les dispositifs SAW, dont le principe est basé sur la propagation des ondes acoustiques de surface sont connus depuis les années 60 et sont principalement utilisés comme filtre, résonateur ou ligne à retard dans les systèmes de communication. Ils sont également utilisés pour la réalisation de capteurs : capteur de température, de pression, etc. Récemment, nous avons intégré des matériaux magnétiques dans le dispositif et modélisé leur réponse. En jouant sur les propriétés magnétiques des matériaux, nous avons pu réaliser des capteurs de champ magnétique de sensibilité ajustable.

Biocapteurs

Plusieurs applications biocapteurs sont basées sur la fonctionnalisation de billes magnétiques et sur leur localisation spatiale. Dans notre étude, des parois de domaines magnétiques, créées dans des objets de taille nanométrique, génèrent à leur voisinage un champ magnétique qui est utilisé pour piéger des nanobilles magnétiques. Nous avons utilisé un design novateur pour augmenter à la fois la sensibilité et la portabilité (autonomie) d’un biocapteur existant. Le piège magnétique (paroi de domaines) sera activé (créé) ou désactivé (anéanti) par l’utilisation d’un aimant permanent qui évite l’utilisation d’un électroaimant et d’une alimentation externe. En outre, le piège magnétique sera situé à l’extrémité d’une fibre optique ce qui permettra naturellement d’augmenter la sensibilité du capteur.

Intégration CMOS

L’intégration en post-processing de nanostructures magnétiques à des circuits CMOS est également une voie prometteuse pour la réalisation de capteurs offrant des performances comparables aux flux-gate mais intégrés. En effet, un micro-capteur magnétique fluxgate utilisant des plaques à effet Hall en lieu et place des bobines de mesure habituellement utilisées dans ce type de magnétomètre permet d’intégrer le principe du fluxgate tout en éliminant le problème du couplage entre le noyau et la bobine de mesure planaires. Un modèle comportemental de la structure sensible a été développé pour valider par simulation le principe de mesure. Les premiers résultats expérimentaux sont encourageants mais montrent qu’un post-process de polissage est nécessaire avant le dépôt du noyau pour que cette nouvelle technique d’intégration du fluxgate devienne fonctionnelle. Dans ce projet, nous sommes maître d’œuvre de la réalisation du petit élément magnétique qui est déposé par post-processing sur le circuit CMOS sous-jacent. Cette dernière est réalisée par lift-off et dépôt par pulvérisation cathodique d’une couche douce de permalloy ou de cobalt dans une ouverture d’une résine, ouverture réalisée par lithographie électronique.