Etude et amélioration des performances en bruit de capteurs à MagnétoImpédance Géante : Application à la magnétométrie à très haute sensibilité

Study and improvement the noise performances of MagnétoImpédance Giant sensors : Application to very high sensible magnetometer

• Auteur / Autrice : Lehui Ding
• Direction : Christophe Dolabdjian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et microélectronique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux amorphes

Bruit électronique

Bruit

Magnétomètres

Mesures magnétiques

Instruments de mesure

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Bruit magnétique

Résumé

L'effet ''MIG'' (MagnétoImpédance Géante) traduit la variation de l'impédance d'un conducteur ferromagnétique polarisé par un courant de haute fréquence et soumis à un champ magnétique externe lentement variable. De nombreuses études ont été réalisées ces dix dernières années. Les taux de variations d'impédance en fonction du champ magnétique extérieur atteints aujourd'hui permettent d'envisager la réalisation de capteurs magnétiques à très haute sensibilité à l'aide de ces dispositifs. Une part importante de l'activité de recherche actuelle a pour principal objectif l'accroissement de la variation relative de l'impédance par l'optimisation des matériaux utilisés. Cependant, peu d'études ont été consacrées à l'optimisation, en terme de bruit, de ces dispositifs. Le travail de thèse présenté dans ce document vise principalement à combler ces lacunes. Ses principaux objectifs sont l'étude des performances en bruit de capteurs à effet ''MIG'' et l'amélioration de leurs performances. En collaboration, avec une équipe de l'École Polytechnique de Montréal (Québec, Canada), un modèle théorique du bruit magnétique intrinsèque de ces dispositifs a été développé. Un dispositif électronique dédié à l’élément sensible, indispensable à la bonne réalisation d'un magnétomètre, a également étudiée. Un certain nombre d’améliorations permettant l’optimisation de la réponse MIG a été proposé. Actuellement, le bruit magnétique équivalent, mesuré à une fréquence d'excitation de 15 MHz dans notre chambre amagnétique, est, en zone de bruit blanc, de 3 pT/ÖHz. Les performances en bruit de ces dispositifs sont principalement limitées par leur plus forte sensibilité et par le bruit de l'électronique de conditionnement. Néanmoins, il est important de noter qu'il s'agit de l'un des meilleurs résultats publiés à ce jour pour ce type de dispositifs.

GMI (Giant MagnetoImpedance) effect characterizes the impedance change versus an external quasi-static applied magnetic field in a soft ferromagnetic conductor. The study of GMI materials has been the subject of intense investigations since 90’s. High sensitivity attaining today allows to realize GMI magnetometers. A lot of studies in the literature have concentrated on optimizing the GMI signal and sensitivity. Relatively, little attention has been paid to the study of noise characteristics in GMI elements, which ultimately limits the performance of the sensor. The purpose of this thesis is to present noise performance study of GMI sensors and then realizes the improvements. In collaboration with one of ''École Polytechnique de Montréal'' research team (Québec, Canada), a theoretical model of the intrinsic magnetic noise of these devices has been developed. An electronic setup dedicated to the sensitive element, which is required for a good completion of a magnetometer, is also given. Some improvements to optimize the response of GMI have been proposed. Measurements have been realized for different GMI devices around an optimal static magnetic field (called ''optimal'' operating point). The experimental results confirm the main behavior predicted by the theoretical model. The equivalent magnetic noise, measured at an alternative current frequency of 15 MHz in our shielding room, presents, in white nose area, a level of 3 pT/ÖHz. Presently, the noise performances of these devices are mainly limited by their highest sensitivity and electronic conditioning noise. Nevertheless, we can note that these results are among the best results published at this time.