Paramètres importants pour la magnéto-impédance

Afin de maximiser l’effet de MI, plusieurs paramètres doivent être optimisés. Les paramètres les plus importants sont l’influence de traitement thermique, l’anisotropie dans le matériau magnétique, la géométrie du capteur et l’effet de la magnétostriction. Nous allons détailler leur influence.

1.6.1 Influence du traitement thermique

Un traitement thermique approprié permet d’améliorer les propriétés magnétiques du matériau (perméabilité magnétique, champ coercitif, champ de saturation). La coercivité des couches magnétiques est réduite par relaxation des contraintes internes induites lors du processus d'élaboration [ANTO 01, He 01, LEE 01].

Le traitement thermique intervient non seulement sur les caractéristiques magnétiques mais également sur la microstructure du matériau. Pour certains matériaux comme la famille du Finemet (FeCuNbSiB), une nanocristallisation (précipitation de nanocristaux FeSi dans une matrice amorphe) s’opère à partir d’une certaine température. Cette nanocristallisation mène à une anisotropie globale magnétostrictive quasi-nulle par compensation des effets magnéto-élastiques respectivement positif et négatif dans les grains et la matrice amorphe [YOSH 88, YOSH 10]. La Figure 1-6 représente la variation de MI dans des structures Finemet/Cuivre/Finemet à base de rubans en fonction de la température de traitement [PHAN 06].

FIGURE 1-6 : Variation de l’impédance en fonction de la température de recuit dans le matériau Finemet [PHAN 06]

La diminution du champ d’anisotropie et l’augmentation de MI sont observées jusqu’à 540°C. Ce phénomène est lié à l’augmentation de la perméabilité magnétique et à la diminution du champ coercitif. Au-delà de cette température, la tendance s’inverse à cause de la modification de la microstructure du matériau, en particulier l’apparition de phases FeB. Ce résultat expérimental montre qu’une température optimale est nécessaire pour obtenir un effet MI élevé dans les structures à base d’alliages de Finemet.

1.6.2 Influence de l’anisotropie induite

L’application d’un champ magnétique ou d’une contrainte mécanique de traction pendant le traitement thermique permet d’induire une anisotropie dans le matériau ferromagnétique. Cette anisotropie induite permet de favoriser une configuration spécifique des domaines magnétiques (longitudinaux ou transversaux) au sein du matériau, ce qui permet d’améliorer l’effet MI (Figure 1-7 (a)) [PANI 96]. La MI présente un pic seul pour un traitement longitudinal et pic double pour un traitement transversal (Figure 1-7 (b)) [MAKH 04]. Dans le cadre de cette étude, il faut s’assurer que les domaines magnétiques sont transversaux, ce qui favorise la rotation des moments lorsque le champ magnétique externe est appliqué selon l’axe longitudinal.

(a) [PANI 96] (b) [MAKH 04]

FIGURE 1-7 : Effet de l’anisotropie longitudinale et transversale appliquée lors du traitement thermique

1.6.3 Influence de la géométrie de la couche magnétique

Les paramètres géométriques tels que longueur, largeur et épaisseur du film magnétique interviennent sur l’effet de magnéto-impédance. Cette influence a été étudiée théoriquement par Makhnovskiy et Panina sur la structure tri-couche [MAKH 00]. La Figure 1-8 représente l’influence de largeur du film magnétique.

(a) (b)

FIGURE 1-8 [MAKH 00]: (a) Influence de la largeur de la couche magnétique pour 2d=1 µm (b) Influence de la largeur de la couche magnétique pour 2d=0.1 µm

Les indices 1 et 2 correspondent respectivement à la couche conductrice et à la couche magnétique. b est la largeur du film magnétique et 2d est l’épaisseur totale des tri-couche (CoFeSiB/Cu/CoFeSiB). La « reduced frequency » ν est égale à c²/2πσFωµk, où µk est la perméabilité au champ d’anisotropie. D’après la figure, l’effet de magnéto-impédance augmente avec la largeur du film magnétique et la fréquence d’excitation optimale diminue. En comparant la Figure 1-8 (a) et (b), l’effet de magnéto-impédance en fonction de l’épaisseur est observée. Une couche magnétique plus épaisse implique un effet de magnéto-impédance plus élevé et une fréquence d’excitation plus faible.

1.6.4 Influence de la couche conductrice pour une structure tri-couche

D’après la présentation précédente, la structure de tri-couche possède un effet de MI plus élevé et une fréquence d’excitation plus faible. Les paramètres de la couche conductrice également interviennent l’effet de magnéto-impédance. La Figure 1-8 représente la variation de magnéto-impédance en fonction de l’influence du rapport des conductivités (couche conductrice/couche magnétique) des deux constituants de la structure multicouche par étude théorique et expérimentale [PANI 00]. Il montre que les structures tri-couche possèdent une variation de magnéto-impédance plus importante, tout en diminuant la fréquence d’excitation du capteur. De plus l’augmentation de la conductivité du conducteur permet d’améliorer l’effet de magnéto-impédance et de diminuer la fréquence optimale, qui compense la diminution de l’épaisseur de peau.

(a) (b)

FIGURE 1-9 : Influence de la conductivité de la couche conductrice par étude théorique (a) et expérimentale (b) [PANI 00]

La Figure 1-10 montre que l’épaisseur de la couche conductrice est également un facteur déterminant pour la magnéto-impédance. Il existe une épaisseur optimale de la couche conductrice pour une épaisseur totale donnée. Au-delà de cette valeur, la magnéto-impédance diminue. Cette évolution a été observée expérimentalement par Bensalah (Figure 1-10 (b)) [BENS 05]. Probablement un grand entrefer apparaît entre les couches magnétiques pendant la fabrication si le conducteur est trop épais, ce qui empêche le recouvrement entre la couche magnétique et la couche conductrice, donc un problème de canalisation du champ magnétique implique une diminution de l’effet MI

(a) [PANI 00] (b) [BENS 05]

1.6.5 Influence de magnétostriction

La magnétostriction influence de façon importante la magnéto-impédance [BARA 04, COST 95, GARC 06]. En effet, selon le Tableau 1-3, l’effet le plus important est obtenu avec le matériau qui présente une magnétostriction nulle [PIRO 99]. Cette magnétostriction peut être modifiée par changement de composition du matériau ou, dans le cas du Finemet, par recuit. Ainsi, l’anisotropie dans le matériau sera minimisée, ce qui permettra de maximiser la perméabilité transverse.

TABLEAU 1-3 : MI et magnétostriction dans des rubans de CoFeSiB de différente composition. La MI est mesurée à 100kHz avec un courant de 5mA [PIRO 99]