Développement de jonctions tunnel magnétiques bas bruit pour les capteurs de champ magnétique

Development of low noise magnetic tunnel junctions for magnetic field sensors

• Auteur / Autrice : Myckael Mouchel
• Direction : Claire Baraduc, Ioan-Lucian Prejbeanu, Yann Conraux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 22/06/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Crocus Technology
• Jury : Président / Présidente : Michel Hehn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Ranno, Frédéric Nguyen Van Dau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Hehn, Pascal Nouet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques

Microcapteurs

Mots clés libres

Capteurs

Jonctions tunnel magnétiques

Bruit

1/f

Détectivité

6 sigma

Sensors

Magnetic tunnel junctions

Noise

1/f

Detectivity

6 sigma

Résumé

Les capteurs de champ magnétique à base de jonctions tunnel magnétiques sont parmi les solutions les plus prometteuses dans le cadre de la miniaturisation toujours plus poussée des composants. Crocus Technology, entreprise partenaire de cette thèse, conçoit depuis plusieurs années des capteurs parmi les plus petits du marché. Malgré leur très bonne sensibilité, ils présentent un bruit en 1/f très important dégradant fortement leur capacité à détecter des champs magnétiques de faible amplitude. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans un contexte de réduction du bruit et d’amélioration de la détection de ces capteurs. Des études approfondies du bruit dans les capteurs commerciaux de Crocus ont été conduites afin de bâtir une bonne compréhension des mécanismes à l’origine de ce bruit. Ces études ont été menées grâce à un banc d’expérience spécifiquement destiné à la réalisation de mesures de bruit conjointement à une caractérisation magnéto-électrique des échantillons. Ainsi, nous avons pu relier le bruit mesuré au comportement des capteurs sous différentes conditions de champ magnétique en développant un modèle explicatif sur la base de « l’empreinte des propriétés magnétiques des échantillons sur leur bruit ». Cette thèse s’est achevée par un projet 6-sigma piloté par l’auteur et ayant permis de mettre en place les solutions nécessaires à la réalisation d’un objectif ambitieux de réduction du bruit. La détectivité a ainsi pu être améliorée de presque deux ordres de grandeur et ainsi atteindre les 13 nT/√Hz à 10 Hz en l’espace de quelques mois, sans dégrader l’intégrabilité des capteurs et en respectant des contraintes industrielles.

Magnetic tunnel junctions based magnetic field sensors are one of the most promising solutions in the framework of electronic components miniaturization. Crocus Technology, the industrial stakeholder of this thesis, has been designing some of the market smallest TMR sensors for several years. Despite their good sensitivity, they exhibit a large 1/f noise, deteriorating their capability to detect low magnetic fields. This thesis falls within a context of noise reduction and detection improvement of the sensors. In-depth noise studies of existing sensors have been performed in order to better apprehend the origins of such noise. These studies have been carried out thanks to a specifically designed experimental bench allowing simultaneous noise and magneto-electrical characterizations of the devices. Thereby, we have been able to link the observed noise to the response of the sensors under specific magnetic field conditions by developing an illustrative model based on “magnetic-to-noise fingerprint of the sensors”. This thesis was further completed by a 6-sigma project, led by the author, which allowed us to implement the needful solutions to answer an ambitious objective of noise reduction. The detectivity has been improved by nearly two orders of magnitude, thus reaching 13 nT/√Hz at 10 Hz in a few months, without deteriorating the integrability of the sensors while satisfying industrial constraints.