Sondes à magnétorésistance géante pour l'imagerie magnétique 3D locale

Giant magnetoresistance probes for local 3D magnetic imaging

• Auteur / Autrice : Wanissa Benmessaoud
• Direction : Myriam Pannetier-Lecœur, Aurélie Solignac, Natalia Sergeeva-Chollet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....) - Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Département Imagerie et Simulation pour le Contrôle (Saclay)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Agnus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Hehn, Benjamin Ducharne, Mélina Macouin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Hehn, Benjamin Ducharne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif

Nanotechnologie

Microcapteurs

Magnétorésistance

Matériaux ferromagnétiques

Magnétisme

Mots clés libres

Contrôle non destructif

Caractérisation de matériaux

Magnétorésistance géante

Capteur magnétique

Imagerie magnétique

Non-Destructive testing

Magnetic sensor

Magnetic imaging

Giant magnetoresistance

Material characterization

Résumé

La caractérisation quantitative à l'échelle locale des propriétés magnétiques des matériaux présente un grand intérêt pour des applications telles que la science des matériaux, la nano-métrologie, le paléomagnétisme ou le contrôle non destructif (CND). Sur la base d'une technique d'imagerie magnétique proposée au SPEC, un scanner magnétique a été développé, permettant une mesure simultanée et quantitative des trois composantes des champs magnétiques de fuite émis par un matériau, en statique ou en dynamique, dans le but de donner accès à leur microstructure magnétique, et d'apporter des informations locales précises sur les propriétés magnétiques des matériaux. Pour cela, une sonde 3D locale, constituée de capteurs à magnétorésistance géante (GMR), a été conçue et optimisée pendant cette thèse. L'intérêt d'utiliser ce type de capteurs, issus de l'électronique de spin, est multiple. En effet, ils possèdent une très bonne sensibilité, de l'ordre du nT/√Hz, planaire et unidirectionnelle. Ainsi, le fait de les disposer sur les différentes faces d'un support pyramidal permet de réaliser une mesure complète des champs magnétiques de fuite émis par un matériau lors du balayage de sa surface sur plusieurs millimètres ou centimètres. De plus, leur taille micrométrique permet d'atteindre une résolution de l'ordre de quelques dizaines de microns et les rend facilement intégrables au sein d'un dispositif de mesure à balayage, adaptable en fonction de l'application visée. Par ailleurs, la reconstruction 3D des champs repose, en partie, sur la détermination d'une matrice de sensibilité caractéristique de la mesure et des capteurs. Aussi, des techniques de simulation et de calcul algorithmique ont été mises en œuvre pour déterminer cette matrice et proposer une reconstruction fiable et précise des champs. Ainsi, durant cette thèse, plusieurs éléments ont été développés afin de construire l'instrument de mesure « Scanner magnétique à sonde 3D locale » final : les capteurs GMR, les sondes 3D, la caractérisation précise de leur matrice de sensibilité, l'électronique de mesure ainsi que le setup de scan et de contrôle de la hauteur, les programmes de reconstruction des champs, les échantillons de calibration, etc. Les mesures sur des échantillons de calibration ont permis de valider cette technique d'imagerie magnétique pour ensuite l'éprouver sur un certain nombre de matériaux divers et variés provenant de plusieurs applications : lames minces de roches magnétiques pour le paléomagnétisme, pièces en acier pour le CND, nano-aimants pour la recherche fondamentale et pièces métalliques issues de la fabrication additive (avec une sonde adaptée en récepteur du capteur courants de Foucault).

Quantitatively, local-scale characterization of the magnetic properties of materials is of great interest for applications such as materials science, nano-metrology, paleomagnetism and non-destructive testing (NDT). Based on a magnetic imaging technique proposed at SPEC laborayory, a magnetic scanner has been developed, enabling simultaneous and quantitative measurement of the three components of the magnetic strayfields emitted by a material, in static or dynamic field, with the aim of giving access to their magnetic microstructure, and providing precise local information on the magnetic properties of materials. For this purpose, a local 3D probe, composed of giant magnetoresistance (GMR) sensors, was designed and optimized during this thesis. The advantages of using this type of sensor, derived from spin electronics, are manifold. They are highly sensitive, in the nT/√Hz range, planar and unidirectional. Thus, by placing them on the different sides of a pyramidal support, it is possible to carry out a complete measurement of the magnetic strayfields emitted by a material when its surface is scanned over several millimeters or centimeters. Moreover, their micrometric size enables a resolution of the order of few tens of microns, making them easy to integrate into a scanning measurement device, adaptable to the application in question. Moreover, 3D field reconstruction relies, in part, on the determination of a sensitivity matrix, characteristic of the measurement and sensors. Simulation and algorithmic calculation techniques have been used to determine this matrix and propose a reliable and accurate reconstruction of the fields. Thus, during this thesis, several elements were developed to build the final "Magnetic Scanner with local 3D Probe" measuring instrument: GMR sensors, 3D probes, precise characterization of their sensitivity matrix, measuring electronics as well as the scan and height control setup, field reconstruction programs, calibration samples, etc. Measurements on calibration samples were used to validate the magnetic imaging technique, which was then tested on a number of different materials from a variety of applications: magnetic rock thin section for paleomagnetism, steel parts for NDT, nanomagnets for fundamental research and metal parts from additive manufacturing (with a probe adapted to receive the eddy current sensor).