Capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) pour champs magnétiques à base de structures multicouches piézo-magnétiques

Magnetic field Surface acoustic wave (SAW) sensors based on piezo-magnetic layered structures

• Auteur / Autrice : Meriem Elhosni
• Direction : Omar Elmazria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Sergeï Zhgoon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Lacour, Abdelkrim Talbi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Friedt, Laurent Le Brizoual

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces piézoélectriques

Dispositifs à ondes acoustiques de surface

Magnétomètres

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Dispositifs SAW

Capteurs magnétiques

Structure piézo-Magnétique multicouche

SAW devices

Magnetic sensors

Multilayer piezomagnetic structure

Résumé

L’objectif des travaux de cette thèse est la réalisation de capteurs magnétiques à ondes élastiques de surface (SAW). Nos études réalisées dans ce cadre se sont focalisées sur la modélisation et la réalisation de dispositifs magnéto-élastique SAW à base de structures multicouches sensibles au champ magnétique. Une géométrie multicouche offrant plusieurs degrés de libertés permettant d’agir sur les performances du capteur a été considérée. La configuration de cette structure est : Substrat piézoélectrique/électrodes interdigitées/Couche isolante/Couche sensible magnéto-élastique. Les différents paramètres de la structure, notamment les épaisseurs des différentes couches et leurs natures ont été optimisées théoriquement au regard du facteur de qualité, du facteur de couplage électromécanique et de la sensibilité au champ magnétique. Des dispositifs utilisant les configurations optimales ont été réalisés et caractérisés et leurs performances comparées au prédiction théoriques. Nous avons montré que le capteur peut être conçu pour répondre aux besoins de l’application en ce qui concerne la gamme de l’intensité du champ à mesurer et de la sensibilité visée. Ainsi le CoFeB utilisé comme couche sensible magnéto-élastique permet une meilleure sensibilité mais sur une étendue étroite du champ magnétique alors que le nickel permet d’étendre la gamme de mesure mais avec moins de sensibilité. Nous avons également montré que l’utilisation comme couche isolante de matériau dur comme l’alumine permet une meilleure sensibilité. Cette sensibilité est également fortement augmentée pour un fonctionnement à hautes fréquences

The aim of this Ph.D. Thesis is to study piezo-magnetic surface acoustic wave (SAW) sensor. Accurate and fully coupled physical model was numerically implemented in order to investigate the sensitivity of SAW devices using the magneto-elastic interaction with an external magnetic field. The different parameters of the structure, including the thicknesses of the various layers and their natures were theoretically optimized with regard to the quality factor, the electromechanical coupling factor and the sensitivity to the magnetic field. Devices using the optimal settings have been made and characterized, and their performance compared to the theoretical prediction. We have shown that the sensor can be designed to meet the needs of the application as regards the range of the field strength to be measured and the target sensitivity. Thus the CoFeB used as magneto-elastic sensitive layer provides better sensitivity but on a narrow stretch of the magnetic field while the nickel expands the measurement range but with less sensitivity. We have also shown that the use of hard material as insulating layer, such as alumina, allows better sensitivity. This sensitivity is also greatly increased when the sensor is operating at high frequencies