Voies d'optimisation du bruit magnétique de microfils amorphes appliqués à la magnétométrie à magnétoimpédance géante

Le développement de la magnétométrie à haute sensibilité est un sujet d'actualité dans les domaines de l'imagerie médicale, de la détection d'anomalies magnétiques ou encore en recherche scientifique, comme en astronomie et en matière condensée. Parmi les magnétomètres les plus performants, les Fluxgates sont de renoms pour leur grande plage de sensibilité et leur faible bruit à basse fréquence. Toutefois, leur consommation de puissance élevée, leur faible résolution spatiale et leur incapacité à détecter des champs supérieurs à quelques kilohertz limitent leur utilisation. Les magnétomètres à magnétoimpédance géante (MIG) sont une alternative potentielle pour déclasser les Fluxgates, vu leurs excellentes performances en sensibilité et en bruit de zone blanc. Cependant, les magnétomètres MIG font face à deux problèmes majeurs. D'abord, la variabilité en performance des capteurs est un obstacle important pour une production à grande échelle. Chaque capteur préparé, possède des propriétés distinctes, difficilement reproductibles et pratiquement impossibles à prévoir. En plus, l'excès de bruit à basse fréquence représente une détérioration des performances des magnétomètres MIG, ce qui avantage, pour le moment, l'utilisation des Fluxgates. Ce projet de maîtrise propose des solutions pour réduire la variabilité en performance et diminuer l'excès de bruit des magnétomètres. L'étude vise à sélectionner, à caractériser et à préparer les éléments sensibles des capteurs, soit les microfils amorphes de Co80.89Fe4.38Si8.69B1.52Nb4.52. Une méthodologie systématique incorpore ces trois étapes et produit, de manière contrôlée, un nombre déterminé de capteurs MIG. La préparation des microfils se fait à partir de traitements physico-chimiques, tels que le recuit sous contrainte, l'électrodéposition de cuivre aux extrémités et la refonte des pointes par laser. Un modèle de bruit magnétique est aussi développé, à partir du théorème généralisé de Callen et Welton. Les résultats obtenus démontrent que le traitement de recuit influence la sensibilité, que l'électrodéposition de cuivre réduit la résistance de contact et que la refonte des pointes par laser crée une anisotropie magnétocristalline localisée. La conséquence de ces traitements, sur la variabilité des performances et l'excès de bruit des magnétomètres, est le sujet visé dans le cadre de ce travail.

Abstract

There has been considerable activity in high sensitivity magnetometry for applications such as medical imagery, nondestructive control, and in research fields, such as astronomy and condensed matter. At the moment, few magnetic sensors satisfy the requirements of those fields. Among them, the Fluxgate is known for its high sensitivity range and low noise at low frequencies. However, high power consumption, poor spatial resolution and inability to measure high frequency fields, limit the use of Fluxgate magnetometers. Giant magnetoimpedance (GMI) devices are a good potential alternative to such magnetometers. Characterized by their high sensitivity, GMI sensors also exhibit low noise at high frequencies. Two main factors represent obstacles to the development of GMI magnetometers. First, the variability in sensor characteristics makes it difficult to imagine their commercial production. Each sensor exhibits behavior which is difficult to predict and to reproduce. In addition the low frequency excess noise limits the performance of GMI magnetometers, and favors the use of Fluxgates at the present time. This master project proposes methods for reducing the variability and the excess noise of GMI magnetometers. The study focus on the selection, the characterisation and the preparation of the sensing elements, which are amorphous microwires based on Co80.89Fe4.38Si8.69B1.52Nb4.52. Several GMI sensors were produced in a controlled way by a systematic methodology. Their preparation involved physicochemical treatments, such as annealing under stress, copper electroplating of the contacts, and laser recasting of wire ends. A noise model is also developed, based on the general theorem of Callen and Welton. The annealing treatment influences the sensitivity, the electroplating of copper reduces the contact resistance, and laser recasting leads to a localised magnetocrystalline anisotropy. The consequences of these treatments on the performance variability and on the excess noise of GMI magnetometers has been studied in detail.