Capteur de champ magnétique basé sur des dispositifs à ondes acoustiques de surface magnéto-élastiques microstructures

Magnetic field sensor based on micro-structured magnetoelastic surface acoustic waves devices

• Auteur / Autrice : Harshad Mishra
• Direction : Omar Elmazria, Sami Hage-Ali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Sergeï Zhgoon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Omar Elmazria, Sami Hage-Ali, Pallavi Dhagat, Kee Keun Lee, Michel Hehn
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pallavi Dhagat, Kee Keun Lee

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Anisotropie

Champs magnétiques

Dispositifs à ondes acoustiques de surface

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Dispositif à ondes acoustiques de surface

Capteurs de champ magnétique

Capteur multifonctionnel

Anisotropie de forme

Micro-structuré

Magnéto-élastique

Surface acoustic wave device

Magnetic field sensors

Multifunctional sensor

Shape anisotropy

Micro-structured

Magneto-elastic

Résumé

Au cours des dernières décennies, on a assisté à une croissance considérable dans le domaine des technologies des capteurs magnétiques. Le domaine est passé de simples dispositifs micro-usinés à base de silicium à des microsystèmes intégrés plus complexes combinant des transducteurs de haute performance ainsi que des interfaces sans fil. Cependant, presque tous ces appareils fonctionnent avec un mécanisme complexe tout en étant alimentés simultanément de l'extérieur et coûteux. Il y a donc un besoin profond de développer un capteur magnétique qui surmonte ces défis. Ces travaux de recherche ont porté sur le développement de capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) pour la détection des champs magnétiques. La configuration résonateur a été considérée dans cette étude afin de permettre une interrogation sans fil. La première partie de notre travail est consacrée à l’étude de la physique et à l'interaction entre les ondes élastiques et les couches magnétostrictives lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique. Nous avons donc étudié des résonateurs SAW en utilisant le niobate de lithium comme substrat et un empilement multicouches [TbCo2/FeCo] comme électrode et matériau sensible. Nous avons étudié et montré le rôle de l'effet de forme dans le magnétisme résultant de la géométrie de l'électrode. Un banc de mesure expérimental a été mis au point pour démontrer l’utilisation d’un capteur magnétique SAW pour la mesure du courant électrique le long d’une lignes hautes tension. Par la suite, nous avons développé un capteur auto-compensé en température rendant sa fréquence de résonance uniquement sensible à l’intensité du champ magnétique. Ce capteur à structure multicouche utilise la coupe ST du quartz comme substrat avec comme direction de propagation des ondes X+90°C. Cette direction de la coupe ST présente un coefficient de température positif (TCF) qui a été compensé par le les couches de ZnO et du CoFeB qui présentent un TCF négatif. Enfin, en combinant nos connaissances sur les effets de forme magnétiques et sur le comportement des structure SAW multicouche pour développer un dispositif qui non seulement annule les effets de la température sur la fréquence de résonance mais également sur l'anisotropie magnétique. De plus, cette structure présente également la possibilité de réaliser un dispositif multisensoriel puisque dans le même dispositif, plusieurs modes sont générés. En plus du mode compensé en température qui permet de mesurer l’intensité du champ magnétique, un autre peu sensible au champ magnétique, permettra de mesurer la température de l’environnement de fonctionnement.

The last few decades have seen tremendous growth in the area of magnetic sensor technologies. The field has grown from simple micro-machined silicon based devices to more complex integrated microsystems combining high performance transducers as well as wireless interfaces. However, almost all of these devices operate with a complex mechanism while simultaneously being externally powered as well as expensive. Thus, there arises a deep need to develop a magnetic sensor that overcomes the challenges. This research work focused on the development of surface acoustic wave (SAW) sensors for the detection of magnetic field. Owing to the possibility of wireless interrogation, SAW devices of the resonator configuration have been considered in this study. The first part of our work aims to address the physics and interaction between the acoustic waves and magnetostrictive layers when subjected to a magnetic field. We investigated SAW resonators using LiNbO3 as the substrate and multi-layered [TbCo2/FeCo] as the electrode and sensitive material. We studied and showed the role of the shape effect in magnetism arising from the electrode geometry. A model experimental set-up was developed to demonstrate an application of the fabricated device as a sensor for detection of current along a cable. Subsequently, we developed a device that is self-compensated for the effects of temperature on the resonance frequency. The multi-layered sensor was based on ST-cut Quartz as the substrate whose positive temperature coefficient of frequency (TCF) was compensated for by the negative TCF of ZnO and CoFeB. Finally, we combine our understandings of the shape effects in magnetism and the multi-layered TCF compensated SAW structure to develop a device that is not only compensated for the effects of temperature on the resonance frequency but also on the magnetic anisotropy. In addition, this structure also presents the possibility of a proof-of-concept multi-sensory device because along with the temperature compensated resonance peak, there exist other resonances which are highly sensitive to any change in the temperature while at the same time immune to magnetic field.