Dans un souci de généralité, nous détaillons ici les technologies de capteurs alternatives aux capteurs spintroniques pour la détection de champs magnétiques ainsi que leurs avantages et inconvénients.
2.6.1
Capteurs à effet Hall
Les capteurs à effet Hall demeurent les plus répandus et sont utilisés dans de nombreuses applications comme capteurs d’angle ou capteurs pour le contrôle moteur. L’effet Hall traduit l’apparition d’une différence de potentiel dans un conducteur selon la direction perpendiculaire à la direction du flux de charge (direction du courant injecté) en présence d’un champ magnétique perpendiculaire au plan. Il est dû à la déviation des électrons de conduction par la force de Lorentz.
Généralement les capteurs à effet Hall sont réalisés à base de semiconducteurs de type GaAs ou InSb. En raison de leur faible sensibilité, ils sont généralement accompagnés de concentrateurs de flux magnétiques. Peu adaptés à la mesure des champs magnétiques faibles en raison d’un mauvais rapport signal/bruit, ils sont utilisés pour la mesure de champs plus forts en raison de leur bonne linéarité sur une gamme de champs très étendue. Un autre avantage est également leur faible coût de fabrication.
Figure 2.27 – Principe de l’effet Hall dans un conducteur : en raison de la force de Lorentz générée par le champ magnétique normal au plan de conduction, la trajectoire des électrons est déviée latéralement générant elle même une accumulation de charge sur les bords extérieurs [95].
2.6.2
Fluxgate.
Les fluxgates permettent la mesure des champs magnétiques faibles dans la gamme se situant typiquement entre 0.01 nT à 1 nT. Ils sont largement utilisés pour les applications haute-performance comme la navigation, la prospection géologique ou la recherche maritime. Ils sont composés d’un coeur magnétique à haute perméabilité entouré de deux bobines : dans la première on fait circuler un courant alternatif assez intense pour saturer périodiquement le coeur, la seconde correspond à la bobine de mesure ou encore bobine pick-up. Son fonctionnement repose sur le principe d’une saturation du coeur dépendant de la somme des contributions du champ d’excitation et du champ extérieur. L’influence du champ extérieur est extrait de la bobine de mesure sous forme d’harmoniques impaires de la fréquence d’excitation.
Figure 2.28 – Configuration basique d’un magnétomètre fluxgate [95].
Les fluxgates ne peuvent détecter que des champs dont la fréquence est très inférieure à la fréquence d’excitation et sont donc utilisés pour une gamme de champ qui s’étend du DC à quelques kHz. Les fluxgates possèdent une très bonne détectivité à basse fréquence. Cependant ils sont imposants en taille, de 1 cm à quelques dizaines de cm par axe, et nécessitent toutefois une consommation trop importante pour les applications envisagées dans ce mémoire de thèse.
2.6.3
Magnétoimpédance géante (GMI).
La magnétoimpédance géante représente la variation d’impédance obtenue sur certains matériaux en présence d’un champ magnétique extérieur, par exemple celui que l’on souhaite mesurer. Un capteur à impédance géante est généralement
composé d’un fil ferromagnétique entouré d’une bobine d’excitation. La présence d’un champ magnétique orienté selon l’axe du fil réduit la perméabilité transverse et augmente ainsi l’épaisseur de peau du fil ferromagnétique. L’inductance de la bobine d’excitation s’en trouve ainsi diminuée. On mesure donc l’impédance de la bobine à haute fréquence, dans la gamme du MHz, afin de connaitre la valeur absolue du champ magnétique selon l’axe de la bobine.
La GMI possède des performances propres équivalentes à celles données par les fluxgate [96, 97]. Elle nécessite toutefois une consommation plus faible car il est inutile, ici, de travailler en régime de saturation magnétique. Elle ne donne cependant qu’une mesure unipolaire, c’est à dire que le signe du champ magnétique demeure indéterminé. Il devient alors nécessaire d’ajouter un biais supplémentaire par l’ajout d’une autre bobine ou un aimant permanent. Les bobines GMI ont une longueur typique de 1 cm pour un diamètre de 2 mm.
2.6.4
Capteurs magnéto-éléctriques.
L’effet magnéto-électrique désigne l’apparition d’une polarisation électrique en présence d’un champ magnétique ou, au contraire, l’apparition d’une aimantation sous l’effet d’un champ électrique. L’effet magnéto-électrique peut apparaitre dans certains matériaux comme certaines pérovskites ou au sein de matériaux composites contenant des nombreuses couches aux propriétés différentes. Une structure typique est un couplage de couches piezo-électriques et de couches magnétostrictives. En effet en présence d’un champ magnétique extérieur, la couche magnétostrictive subit un stress mécanique qui est transmis par contact direct à la couche piezo-électrique. Celle ci crée alors un champ électrique directement proportionnel au stress mécanique. De ce principe, il en résulte que :
VM E = tαP EαM SH (2.77)
oùVM Ereprésente la différence de potentiel entre les surfaces de la couche piezoélectrique, d’épaisseurt, αP Ela constante
piezoélectrique etαM S la constante magnétostrictive. Afin de s’affranchir des dérives de basse fréquence des interactions
magnéto-électriques, il est généralement préférable d’exciter le système avec un champ magnétique alternatif transverse produit par une bobine excitation adéquate.
2.6.5
SQUID
Le SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) est un magnétomètre exploitant les propriétés des supra- conducteurs et en particulier des jonctions de Josephson. Il consiste en deux jonctions Josephson connectées en parallèle dans une boucle de supraconducteurs.
En présence d’un flux magnétique dans la boucle supraconductrice, un courant parcourt alors celle-ci pour s’opposer au champ ce qui a pour effet de générer une différence de potentiel aux bornes des jonctions de période proportionnelle à Φ0 et de tension :
∆V = R
L∆Φ (2.78)
où Φ0 est le quantum de champ magnétique,R est la résistance de shunt reliant les bornes des jonctions, L est l’auto-
inductance de la boucle et ∆Φ est le flux magnétique. Le SQUID est extrêmement précis et peut détecter des champs à quelques femtoTeslas (fT). Cependant les éléments supraconducteurs demandent à être maintenus à température cryogé- nique ce qui requiert un équipement encombrant et une forte consommation énergétique.
2.6.6
Capteur mixte GMR-supraconducteur
Le capteur mixte GMR/supraconducteur a été développé par le CEA-IRAMIS [98] afin de réaliser un capteur de champ magnétique faible ayant une gamme de fréquence plus étendue que les SQUID. Il consiste en une boucle supraconductrice surmontée d’un élément GMR. Lorsqu’un flux magnétique traverse la boucle, un courant va circuler pour s’y opposer et l’élément GMR mesure alors le champ induit par ce courant (cf figure 2.30).
Ces capteurs sont capables de mesurer des champs de l’ordre du femtotesla (fT) sur une plage de fréquence du Hz au MHz. Leur taille de l’ordre de la dizaine de millimètres mais le besoin de cryogéniser les rendent toutefois inadaptés pour nos applications de navigation. Ils sont toutefois utilisés dans le domaine biomédical.