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Applications de l’électronique de spin et du nanomagnétisme

Le domaine du nanomagnétisme et de l’électronique de spin est particulièrement propice au développement d’applications dans le domaine de la mesure du champ magnétique et de dispositifs électroniques non volatiles. Développée depuis plus de 15 ans, cette activité de l’équipe est reconnue au niveau national et international avec l’obtention de plusieurs projets ANR et d’invitations ou de présentations orales dans diverses conférences.

 

Approche spintronique pour la réalisation de capteurs : les jonctions tunnel magnétiques 


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 [1] 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 [2].

 

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 [3]. Cette dernière repose sur le savoir faire de l’équipe en terme de nanomagnétisme pour le développement d’une nouvelle couche sensible [4,5,6,7] 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 [8,9,10].

 

 

Figure : Version intégrée du capteur ASB développé pour la société SNR

 

 

 

 

 

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 [11].

 

 

Figure : Variation de résistance avec le champ appliqué pour une jonction tunnel réalisée à partir d’une multicouche Pt/Co(6Å)/Pt(6Å)/Co(5Å)/Al2O3(15Å)/Co(200Å)/Pt(50

Approche micromagnétique pour la réalisation de capteurs

 

Nano-modulation de surface

Nous avons montré que la modulation à une échelle nanométrique de la topologie d’un substrat de Si sous forme de bandes permet de définir un axe d’anisotropie, en direction et en intensité, dans une couche magnétique déposée de manière conforme [12]. Cette méthode permet de contrôler l’anisotropie localement. Le choix de deux zones contigües avec des axes d’anisotropies croisés nous a permis de faire une première démonstration d’un capteur de champ magnétique intégré bidimensionnel [12].

 

 

Figure : Films magnétiques à topologie modulée : à gauche, le film ; au centre le substrat à topologie modulée ; à droite le substrat sans modulation de topologie [12].

 

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.

 

 

Figure : Elément magnétique (10*5 µm²) déposé sur un circuit CMOS "standard". Le circuit comprend deux bobines planaires et quatre capteurs à effet Hall

 

 

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, ….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 [13].

Biosenseur

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.


Figure :
(a) Image des lignes zig zag à l’aide d’un microscope a force atomique (AFM).
(b) Image des lignes zig zag à l’aide d’un microscope à force magnétique de la même zone quand le piège est activé.
(c) Image des lignes zig zag à l’aide d’un microscope à force magnétique de la même zone quand le piège est désactivé.

 

Unité logique magnétique

Nous avons proposé et réalisé dans le groupe des concepts originaux d'une porte logique reconfigurable et d’un comparateur logique multi-bits basés sur l’utilisation de l’Effet Hall Extraordinaire (EHE). Ils exploitent la tension EHE qui se développe sur des croix de Hall connectées en série dont le fonctionnement est garanti jusqu’à des tailles nanomètriques. Nous avons démontré le bon fonctionnement du dispositif à l’aide de l’alliage ferrimagnétique TbCo [14,15]. La simplicité de l'architecture du dispositif et sa robustesse le rendent avantageux par rapport aux systèmes existants.