Développement d'un magnétomètre miniaturisé à base de jonctions tunnel magnétiques pour applications spatiales

Development of a miniaturised magnetometer based on magnetic tunnel junctions for space applications

• Auteur / Autrice : Samuel Manceau
• Direction : Matthieu Kretzschmar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers. Capteurs magnétiques
• Date : Soutenance le 24/07/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....) - Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Dudok De Wit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Baraduc, Malik Mansour, Susana Cardoso de Freitas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Pannetier-Lecœur, Henri Jaffrès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Anisotropie

Effet tunnel

Astronautique -- Recherche

Spintronique

Micro-fabrication

Magnétorésistance

Magnétomètres

Mots clés libres

Capteur MAROT

Jonction Tunnel Magnétique

Concentrateur de flux

Sensor MAROT

Magnetic Tunnel Junction

Flux concentrator

Résumé

Les jonctions tunnel magnétiques sont des magnétorésistances actuellement très prisées dans le développement de nombreux capteurs et semblent offrir une solution intéressante pour réaliser une nouvelle génération de magnétomètres spatiaux très sensibles à faible encombrement. Néanmoins, la détectivité des jonctions tunnel magnétiques diminue fortement à basse fréquence à cause de leur bruit en 1/f important, ce qui constitue une limite majeure à leur utilisation. Pour contourner ce problème un nouveau concept de capteur nommé MAROT a été proposé. Celui-ci emploie une méthode de modulation et nécessite le développement de jonctions tunnel magnétiques atypiques présentant une réponse symétrique. Le travail présenté dans cette thèse porte principalement sur la fabrication et l’optimisation de telles jonctions, ainsi que leur combinaison avec des concentrateurs de flux. Un important travail de microfabrication a d’abord permis de réaliser des jonctions à réponse symétrique de dimensions micrométriques, et stabilisée par couplage d’échange selon une méthode de soft pinning. Nous avons augmenté la sensibilité des jonctions en réduisant l’intensité du couplage d’échange et avons étudié l’influence de l’anisotropie de forme sur la sensibilité des jonctions. Un modèle analytique de type Stoner-Wohlfarth incluant les champs d’échange et d’anisotropie permet un très bon ajustement des résultats expérimentaux de magnéto-transport. En parallèle, des concentrateurs de flux en NiFe déposés par électrolyse ont été développés. Cette méthode, adaptée au dépôt de couches épaisses, nous permet de maitriser la composition du dépôt.La combinaison des concentrateurs de flux et des jonctions nous ont permis de mesurer un gain moyen de 550, ce qui constitue une avancée significative par rapport à l’état de l’art. Enfin, la réalisation d’un premier dispositif intégrant des jonctions tunnel magnétiques et des concentrateurs de flux a permis d’étudier la méthode de modulation proposée.

Magnetic tunnel junctions are magnetoresistance-based devices that are currently widely used in the development of many sensors, and they offer an interesting solution for a new generation of miniaturized space magnetometers with a high sensitivity. However, the detectivity of magnetic tunnel junctions decreases sharply at low frequencies due to their high 1/f noise, which is a major limitation to their use. To overcome this problem, a new sensor concept called MAROT has been proposed. It employs a modulation method and requires the development of atypical magnetic tunnel junctionswith a symmetrical response.The work presented in this thesis focuses on the fabrication and optimization of such junctions, as well as their combination with flux concentrators. A major microfabrication project has enabled us to produce junctions with a symmetrical response of micrometric dimensions, stabilized by exchange coupling using a soft pinning method. We increased the sensitivity of the junctions by reducing the intensity of exchange coupling and studied the influence of shape anisotropy on junction sensitivity. A Stoner-Wohlfarth-type analytical model including exchange and anisotropy fields provides a very good fit to experimental magneto-transport results. In parallel, NiFe flux concentrators deposited by electrolysis have been developed. This method, suitable for depositing thick layers, enables us to control the composition of the deposit. The combination of flux concentrators and junctions enabled us to measure an average gainof 550, a significant advance on the state of the art. Finally, a first device integrating magnetic tunnel junctions and flux concentrators enabled us to study the proposed modulation method.