Performances

Un capteur GMR est caractérisé par sa sensibilité et son niveau de bruit. Ces deux grandeurs permettent de déterminer la détectivité du capteur, c’est-à-dire le champ magnétique détecté avec un rapport signal sur bruit (SNR, « Signal to Noise Ratio ») de 1.

Sensibilité

Dans le §1.2.1, les cas des deux couches en configuration parallèle et antiparallèle ont été décrits. Entre ces deux états, la variation du champ extérieur entraine une rotation dans le plan de l’aimantation de la couche libre, faisant donc varier la résistance du dispositif.

La première étape de caractérisation est donc de mesurer la réponse du capteur dans un champ magnétique variable. Le capteur est introduit au centre d’une bobine de Helmholtz calibrée (deux bobines de 5 cm de diamètre séparées de 5 cm alignées sur le même axe). Il est alimenté par un courant continu de 1 mA et son

1.2. CAPTEURS À MAGNÉTO-RÉSISTANCE GÉANTE 19 A B 1 10 100 1000 10000 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 V = 0 V V = 0,2 V V = 1 V Fréquence ( 𝐻𝑧 ) Br ui t ( ) 10-6 10-7 10-8 10-9 1 10 100 1 000 10 000 -100 -50 0 50 100 660 670 680 690 700 710 Champ croissant Champ décroissant R ésis tan ce ( ) Champ appliqué ( 𝑚𝑇 ) Champ croissant Champ décroissant V = 0,0 V V = 0,2 V V = 0,1 V -10 -5 0 5 10 710 700 690 680 670 660 x

Figure 1.5 – A) Exemple de courbe de sensibilité expérimentale, les orientations relatives de la couche dure et de la couche libres sont représentées schématiquement. Ce capteur a une sensibilité de 2.6 %.mT-1 autour de 0, de l’hystérésis et un décalage en champ vers les champs négatifs. Ces deux défauts peuvent être compensés par l’ajout d’un champ de bias. B) Exemple de courbe de bruit expérimentale. A courant nul, le bruit est indépendant de la fréquence. Plus on augmente le courant dans le capteur plus le bruit est fort. Le bruit est plus important aux basses fréquences. La chute du niveau de bruit aux alentours de 5 kHz est due au filtre passe bas.

signal est filtré et amplifié par un préamplificateur commercial (Stanford) passe-bas à fréquence de coupure 30 Hz et gain 2. Un programme informatique contrôle un générateur de courant commercial (Kepco) alimentant la bobine qui balaye un champ de -10 mT à 10 mT puis de 10 mT à -10 mT. Il mesure la tension aux bornes du capteur par pas de 0.2 mT. Cette courbe, dont un exemple est donné Fig. 1.5 A, permet de calculer le pourcentage de magnétorésistance du capteur %MR et à sa sensibilité S définis respectivement par les équations (1.6) et (1.7). %MR = 2(RAP− RP) RAP+ RP (1.6) S = (R1− R2) (R1+ R2)/2 100 H₁− H2 (1.7)

Elle permet également de vérifier la linéarité du capteur et de détecter la présence d’un cycle d’hystérésis ou d’un décalage en champ. La formule (1.7) n’étant valable que dans la zone de linéarité du capteur, un défaut de linéarité sur une large portion de la zone de sensibilité du capteur mène à erreur de conversion entre les variations de résistance enregistrées et les variations de champ magnétiques les induisant. Le décalage en champ fait potentiellement chuter la sensibilité du capteur si la zone de linéarité n’inclut pas toute la gamme des champs à détecter. Enfin, la présence d’un cycle d’hystérésis rend impossible la conversion entre les variations de résistance enregistrées et les variations de champ appliquées puisqu’un même champ peut engendrer deux valeurs distinctes de résistance. Les capteurs utilisés dans cette thèse présentent une légère hystérésis.

Pour s’affranchir de l’hystérésis et du décalage en champ, un champ bias est appliqué, voir Fig. 1.6. Ce champ bias peut provenir d’un aimant permanent ou d’une couche directement intégrée à la structure de la GMR. Dans le cas des biopuces, ce champ de bias est appliqué par l’aimant permanent utilisé lors des expé- riences pour aimanter les particules superparamagnétiques orthogonalement au plan du capteur (Le principe de l’expérience est détaillé au §1.3). En effet, le champ émis par l’aimant n’étant pas parfaitement vertical, et il existe deux faibles composantes du champ dans le plan du capteur qui peuvent agir comme un champ bias. La composante transverse, dans la direction de la couche dure (axe de sensibilité y), décale la courbe en redéfinis- sant le direction d’aimantation à champ nul de la couche libre. La composante longitudinale, dans la direction de la couche libre (axe x), agit sur l’hystérésis et la sensibilité en imposant un sens préférentiel de l’aimantation. Evidemment, l’ajout d’un tel champ diminue la sensibilité du capteur et un compromis doit être trouvé grâce à un positionnement précis du capteur par rapport à l’aimant.

-6,E-01 -4,E-01 -2,E-01 0,E+00 2,E-01 4,E-01 6,E-01

-1,5E+04 -1,0E+04 -5,0E+03 0,0E+00 5,0E+03 1,0E+04 1,5E+04

Hbias longitudinal -6,E-01 -4,E-01 -2,E-01 0,E+00 2,E-01 4,E-01 6,E-01

-1,5E+04 -1,0E+04 -5,0E+03 0,0E+00 5,0E+03 1,0E+04 1,5E+04

Hbias transverse

Champ appliqué (mT) Champ appliqué (mT)

R ésis tan ce (Ω ) µcouche dure µcouche libre Hext= 0 µcouche dure µcouche libre

H_ext= H_app+ H_bias

µcouche dure

µcouche libre Hext= 0

µcouche dure

µcouche libre

Hext= Happ+ Hbias

Figure 1.6 – Schéma de l’application d’un champ bias et de son effet sur la sensibilité du capteur selon sa direction. Un faible champ bias bien positionné peut réduire l’hystérésis et recentrer la sensibilité, cependant, un champ trop fort ou mal orienté réduit très fortement la sensibilité du dispositif. L’orientation précise de ce champ est donc cruciale.

Bruit

Le capteur doit aussi être caractérisé par une mesure de sa densité spectrale de bruit exprimée en V2/Hz et présentée sur la Fig. 1.5 B. Un capteur GMR est soumis à trois principaux types de bruits :

— le bruit blanc ou bruit thermique Sthd’équation (1.8)

— le bruit basse fréquence ou en 1/ f S1/ f d’équation (1.9)

— le bruit télégraphique ou RTN (pour « Random Telegraphic Noise ») SRT N

Sth = 4kBT R (1.8)

S_{1/ f} = γR

2_I2

Ncfβ

(1.9)

Le bruit thermique est un bruit indépendant de la fréquence provenant directement du mouvement brownien des porteurs de charge dans le capteur de résistance moyenne R. L’origine du bruit basse fréquence est mal connue et son expression, donnée équation (1.9), est empirique. Cette équation repose sur deux paramètres : le paramètre de Hooge γ et le paramètre β dont la valeur est comprise entre 0.5 et 1.5. Ce bruit diminue avec le volume de matériaux puisqu’il est proportionnel au nombre de porteurs de charges Nc. Le RTN est dû à des

fluctuations d’aimantation de la couche libre. Si la couche libre est monodomaine aucun RTN n’est observé, mais lorsque plusieurs domaines existent, certains de ces domaines peuvent sauter d’un état à un autre avec une probabilité (et donc une fréquence) dépendant de la taille du domaine, du courant imposé et de la température. Ce bruit se manifeste par la présence de pics Lorentziens dans la densité spectrale et par la présence de sauts d’un niveau à un autre dans une mesure temporelle.

A ces bruits intrinsèques au capteur, s’ajoutent les bruits de la chaine de mesure et d’acquisition et ceux de l’environnement captés par le capteur. Des densités spectrales typiques de ces bruits et des enregistrements temporels sont présentés Fig. 1.7 A et B.

Le bruit est mesuré dans une chambre blindée afin d’éviter au maximum les parasites environnementaux lors de la caractérisation des capteurs. Le capteur est alimenté avec une tension continue provenant d’une batterie. Il est ensuite inséré dans un pont de Wheatstone qui permet d’obtenir, à l’équilibre, une tension de 0 V à la sortie. Ainsi, seuls sont amplifiés par l’INA 103 (gain 500) les signaux qui sortent de cette situation d’équilibre. Le signal est ensuite filtré et amplifié à nouveau par un préamplificateur (Stanford) avec un passe bas d’une fréquence de coupure de 5 kHz et une amplification supplémentaire de 20. L’acquisition du signal se fait à 16 kHz et un programme calcule la transformée de Fourier du signal reçu. Un exemple du spectre obtenu est donné Fig. 1.5 B. Il permet de vérifier que le bruit blanc correspond à la valeur attendue théoriquement, mais aussi que le capteur n’est pas soumis à trop de RTN ni à des signaux parasites.

1.3. DESCRIPTION D’UN LABORATOIRE SUR PUCE À BASE DE CAPTEURS GMR 21