Développement d'un micro-magnétomètre vibrant

Development of a vibrating micro-magnetometer

• Auteur / Autrice : Thomas Perrier
• Direction : Johan Moulin, Raphaël Levy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 17/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne) - Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Alain Bosseboeuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nora Dempsey, Emmanuelle Algré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nora Dempsey, Bernard Legrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quartz

Dispositifs piézoélectriques

Couches minces

Magnétomètres

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

MEMS

Magnétomètre

Couches minces

Résonateur

Quartz

MEMS

Magnetometer

Thin film

Resonator

Quartz

Résumé

Au cours de la dernière décennie, de nouvelles applications sont apparues avec un besoin en magnétomètres à la fois résolus et économes en énergie. Il s'agit par exemple de la navigation magnéto-inertielle ou bien des réseaux de capteurs autonomes pour la surveillance de zones. Pour répondre à ces besoins, un nouveau type de magnétomètre est apparu, fondé sur l'interaction entre des couches minces aimantées et des résonateurs piézoélectriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de modéliser et développer cette technologie. Une première étude a ainsi permis d'identifier et de caractériser les matériaux ferromagnétiques les plus pertinents. Dans un deuxième temps, l'interaction entre une couche mince aimantée et un résonateur piézoélectrique a été modélisée et validée numériquement. Enfin, sur la base des modèles développés, des résonateurs optimisés pour obtenir la meilleure résolution possible ont été réalisés et caractérisés. Les mesures expérimentales sont en bon accord avec les modèles. Les phénomènes limitant la résolution des capteurs ont été identifiés. Il s'agit d'une part du facteur de qualité qui est fortement dégradé par l'amortissement viscoélastique au sein des électrodes et des matériaux magnétiques. D'autre part, la grande sensibilité à la température de la fréquence des résonateurs masque l'instabilité de biais théoriquement atteignable. Des études complémentaires sont nécessaires pour tirer le plein potentiel de cette technologie : compréhension des mécanismes de dissipation viscoélastique, révision de la conception de la cellule pour limiter les contraintes dans les matériaux déposés, réaliser un prototype à deux résonateurs pour une utilisation en mode différentiel ce qui réduira l'impact des variations de température.

During the last decade, new applications have emerged with a need for magnetometers with high resolution and low power consumption. For example, magneto-inertial navigation or autonomous sensor networks for area monitoring. To meet these needs, a new type of magnetometer based on the interaction between thin magnetized films and piezoelectric resonators has been developed. The research work carried out during this thesis aims to model and develop this technology. Therefore, a first study made it possible to identify and characterize the most relevant ferromagnetic materials for these applications. Then, the interaction between a thin magnetized film and a piezoelectric resonator was modeled and validated numerically. Finally, optimized resonators based on developed models to obtain the best possible resolution have been manufactured. Experimental measurements are in good agreement with the models. Phenomena limiting sensor resolution have been identified. On one hand, the quality factor, which is strongly degraded by viscoelastic damping within electrodes and magnetic materials. On the other hand, the large temperature sensitivity of the resonator frequency hides the theoretical bias instability. Further studies are needed to realize the full potential of this technology: understanding viscoelastic dissipation mechanisms, revision of the cell design to limit stresses in deposited materials, building a dual resonators prototype for use in differential mode will reduce the impact of temperature variations.