Magnétomètre faible bruit à jonction tunnel – MAROT

L’objectif du projet MAROT est de réaliser un magnétomètre miniature, ultra-sensible sur une large bande de fréquence (DC-10kHz) et facilement intégrable. Le capteur MAROT est basé sur l’utilisation de jonctions tunnel magnétiques inclues dans un dispositif innovant. MAROT est initialement conçu pour cibler les applications spatiales grâce à un gain d’un facteur 10 en masse et dimensions et avec des performances similaires ou meilleures que les magnétomètres à l’état de l’art. Sa capacité à détecter de très faibles champs magnétiques (<1pT) lui ouvrent aussi un large éventail d’autres applications, en particulier médicales.
Les magnétomètres possédant les meilleures détectivités sont basés sur la mesure du flux magnétique, comme les magnétomètres de type search-coils ou flux-gate, couramment utilisés pour les mesures à bord de satellite, ou les SQUIDS, qui ont la meilleure détectivité mais requièrent un refroidissement cryogénique. En contraste, nous développons un capteur de champ et non de flux, basée sur l’électronique de spin et miniaturisé, mais permettant d’atteindre des performances au moins équivalentes à celle des search-coils et flux-gate mais en gagnant significativement en masse et volume ainsi qu’en intégrabilité de l’instrument. Cette énorme avancée en performance est obtenue sans augmenter la taille du capteur grâce à une architecture innovante et en utilisant des techniques de microfabrication issues de la microélectronique. Le capteur combine une jonction tunnel magnétique à réponse symétrique comme élément sensible, un concentrateur de flux amplifiant le champ à mesurer et un système de modulation par champ magnétique pour réduire le bruit. Le signal utile résulte de la mesure différentielle de deux branches identiques constituées de ces éléments mais soumises à un signal de modulation en opposition de phase. La combinaison de l’amplification et de la modulation permet de gagner 4 ordres de grandeur dans la détectivité par rapport aux capteurs spintroniques actuels. L’objectif final du projet est d’obtenir un démonstrateur du capteur incluant l’électronique. Plusieurs étapes ont déjà été franchies vers la réalisation de ce projet. Les projections basées sur les résultats expérimentaux actuels indiquent qu’une détectivité de 0.1pT/Hz1/2 pourrait être atteinte dans la bande DC-10kHz.
Le projet comprend 3 lots de travail, l'un dédié à la gestion du projet (WP1) et les deux autres aux objectifs scientifiques et technologiques. Le WP2 est dédié aux études scientifiques et à l'optimisation des différents sous-systèmes : jonctions tunnel magnétiques, concentrateur de flux magnétique (FC), micro-bobines et électronique. Des paires de sous-systèmes (jonctions + FC et bobines + FC) seront également évaluées. Ce WP aborde en particulier l'optimisation des jonctions en termes de sensibilité et de bruit ainsi que le développement d'un concentrateur de flux magnétique sans hystérésis et à gain élevé avec un bruit de Barkhausen minimal. Enfin, le WP3 se concentre sur l'intégration de tous les sous-systèmes dans le capteur complet et sur l'évaluation des performances. Une optimisation supplémentaire permettra de livrer une deuxième version du capteur avec des performances améliorées à la fin du projet. MAROT est un projet pluridisciplinaire combinant les compétences complémentaires de nos deux laboratoires pour la réalisation de l'instrument et pour son adaptation aux domaines d'utilisation visés. Le LPC2E est spécialisé dans la réalisation de capteurs magnétiques pour diverses missions spatiales nationales et internationales (CNES, ESA, NASA), et SPINTEC associe recherche fondamentale et développement de dispositifs spintroniques. Le projet proposé permettra de franchir une étape fondamentale, la réalisation d’un prototype, à partir de résultats déjà obtenus dans le cadre d'une collaboration bien établie entre les deux équipes.