Introduction des techniques numériques pour les capteurs magnétiques GMI (Giant Magneto-Impedance) à haute sensibilité : mise en œuvre et performances

Introduction of digital techniques for high sensitivity GMI (Giant Magneto-Impedance) magnetic sensors : implementation and performances

• Auteur / Autrice : Papa Silly Traore
• Direction : Aktham Asfour, Jean-Paul Yonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie electrique
• Date : Soutenance le 19/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dolabdjian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kosai Raoof, Christophe Coillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique numérique

Circuits électroniques

Ferromagnétisme

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Magnéto impédance géante (GMI)

Haute sensibilité

Capteurs

Circuits électroniques numériques

Matériaux ferromagnetique

Instrumentation faible bruit

GMI Giant Magneto-Impedance

High sensitivity

Sensors

Digital electronic circuits

Ferromagnetic materials

Low noise instrumentation

Résumé

La Magneto-Impédance Géante (GMI) consiste en une forte variation de l’impédance d’un matériau ferromagnétique doux parcouru par un courant d’excitation alternatif haute fréquence lorsqu’il est soumis à un champ magnétique extérieur. Ce travail de thèse introduit de nouvelles techniques numériques et les pistes d’optimisation associées pour les capteurs GMI à haute sensibilité. L'originalité réside dans l'intégration d'un synthétiseur de fréquence et d'un récepteur entièrement numérique pilotés par un processeur de traitement de signal. Ce choix instrumental se justifie par le souhait de réduire le bruit de l’électronique de conditionnement qui limite le niveau de bruit équivalent en champ. Ce dernier caractérise le plus petit champ mesurable par le capteur. Le système de conditionnement conçu est associé à la configuration magnétique off-diagonal pour accroître la sensibilité intrinsèque de l’élément sensible. Cette configuration magnétique consiste en l’utilisation d’une bobine de détection autour du matériau ferromagnétique. Cette association permet en outre d’obtenir une caractéristique impaire de la réponse du capteur autour du champ nul, et par conséquent de pouvoir mettre en œuvre et d’utiliser le capteur sans avoir recours à une polarisation magnétique. Ce choix permet ainsi d’éliminer, ou au moins de minimiser les problématiques liées aux offsets des dispositifs GMI, tout en validant l’intérêt de cette configuration magnétique, notamment sur le choix du point de fonctionnement. Une modélisation des performances en bruit de toute la chaîne de mesure, incluant le système de conditionnement numérique, est réalisée. Une comparaison entre les niveaux de bruit équivalent en champ attendus par le modèle et mesurés est effectuée. Les résultats obtenus ont permis de dégager des lois générales d’optimisation des performances pour un capteur GMI numérique. Partant de ces pistes d’optimisation, un prototype de capteur complet et optimisé a été implémenté sur FPGA. Ce capteur affiche un niveau de bruit équivalent en champ de l’ordre de 1 pT/√Hz en zone de bruit blanc. En outre, ce travail permet de valider l’intérêt des techniques numériques dans la réalisation de dispositifs de mesure à haute sensibilité.

The Giant Magneto-Impedance (GMI) is a large change of the impedance of some soft ferromagnetic materials, supplied by an alternating high-frequency excitation current, when they are submitted to an external magnetic field. This thesis presents the design and performance of an original digital architecture for high-sensitivity GMI sensors. The core of the design is a Digital Signal Processor (DSP) which controls two other key elements: a Direct Digital Synthesizer (DDS) and a Software Defined Radio (SDR) or digital receiver. The choice of these digital concepts is justified by the will to reduce the conditioning electronics noise that limits the equivalent magnetic noise level. The latter characterizes the smallest measurable field by the sensor. The developed conditioning system is associated with the off-diagonal magnetic configuration in order to increase the intrinsic sensitivity of the sensitive element. This magnetic configuration consists of the use of an additional a pick-up coil wound around the ferromagnetic material. This association also makes it possible to obtain an asymmetrical characteristic (odd function) of the sensor response near the zero-field point and to consequently allow for sensor implementation and use without any bias magnetic field. Thus, this choice eliminates, or at least minimizes, the problems related to the offset cancelling of the GMI devices. Also, it validates the advantage of this magnetic configuration, especially the choice of the operating point. Modeling of the noise performance of the entire measurement chain, including the digital conditioning, is performed. A comparison between the expected and measured equivalent magnetic noise levels is then carried out. The results yield general optimization laws for a digital GMI sensor. Using these laws, an optimized prototype of a GMI sensor is designed and implemented on FPGA. An equivalent magnetic noise level in a white noise zone region of approximately 1 pT/√ Hz is obtained. Furthermore, this work also makes it possible to validate the interest of digital techniques in the realization of a high-sensitivity measuring devices.