Magnétomètre faible bruit à jonction tunnel – MAROT

Pour réaliser ce magnétomètre miniaturisé et sensible, but du projet MAROT, l’approche est de combiner sur une seule puce jonctions tunnel, bobines de polarisation et concentrateurs de flux associés à un circuit électronique faible bruit et de faire fonctionner l’ensemble différemment de ce qui est fait habituellement avec les capteurs à base de jonction tunnel. Le design du capteur est basé sur 4 briques fonctionnelles :
• Les jonctions tunnel magnétiques sont les éléments sensibles du capteur. Elles sont réalisées à partir d’un empilement de plusieurs couches nanométriques dont une couche de référence et une couche sensible au champ magnétique. Contrairement à l’usage habituel, les jonctions sont préparées de façon à ce que la courbe de réponse soit une fonction paire du champ magnétique
• Les concentrateurs de flux amplifient le champ externe d’un facteur 400, permettant une amélioration de la détectivité de 2 ordres de grandeur
• Le système de polarisation (bobines) configure les jonctions dans un mode ou leurs performances (sensibilité et détectivité) seront optimales
• Le circuit électronique en charge de la détection du signal issu des jonctions tunnel.
La puce est réalisée en utilisant des techniques de microfabrication issues de la micro-électronique. Le processus est complexe avec 6 niveaux de masque, des défis technologiques tels les bobines intégrées, la combinaison de structures micrométriques et millimétriques, plusieurs techniques de dépôt de la pulvérisation à l’électrodéposition. Le projet comprendra une phase expérimentale visant à développer et optimiser les briques constituant le capteur et ensuite à fabriquer un capteur complet optimisé. Ce faisant, plusieurs défis physiques et technologiques doivent être relevés :
• Les jonctions tunnel à courbe de réponse symétrique seront optimisées pour obtenir une sensibilité élevée et un faible bruit en conservant une courbe de réponse lisse et sans hystérésis ; ceci sera réalisé en utilisant l'anisotropie de forme et un soft-pinning de la couche sensible sur des jonctions de taille micrométrique
• Les propriétés des matériaux du concentrateur de flux seront améliorées pour obtenir un ferromagnétique très doux sans hystérésis et avec un pinning très faible minimisant son bruit ; les paramètres de dépôt électrochimique seront définis pour obtenir un alliage NiFe avec la stoechiométrie exacte
• La combinaison des différentes briques du capteur permettra alors de vérifier des caractéristiques essentielles telles que le gain du concentrateur de flux, la réponse de la jonction sous champ de polarisation et les performances du capteur
• Pour atteindre l'objectif de détectivité, le circuit électronique doit être un amplificateur à faible bruit capable de détecter les très faibles variations de résistance des jonctions tunnel. Cela implique un choix rigoureux des composants et une conception soignée du circuit. Parallèlement, le circuit doit générer le champ magnétique de polarisation approprié

Plusieurs résultats ont déjà été obtenus sur les différents sous-systèmes constituants le capteur MAROT. D’abord le développement des jonctions tunnel à courbe de réponse symétrique. Cette approche est différente de la plupart des travaux actuels, la recherche étant surtout concentrée sur les JTM avec une réponse linéaire. Ce but a été atteint avec plusieurs difficultés qui ont été résolues :
• Fiabiliser le processus de fabrication
• Désalignement et instabilité de la couche magnétique de référence
• Rotation inattendue de l’aimantation de la couche libre (sensible au champ). Ce problème a été résolu en ajout à l’empilement standard une couche piégeant faiblement l’aimantation de la couche libre (soft-pinning)
Le travail a aussi débuté sur les empilements inversés ie avec la couche libre sous la barrière tunnel, via une collaboration avec le laboratoire NIMS (Japon). La gravure de la jonction est différente et permet un volume plus large de la couche libre, ce qui réduit le bruit.
Ensuite les concentrateurs de flux en alliage NiFe ont été réalisés sur la puce par un procédé d’électrodéposition développé pour un wafer de 10cm. Les interactions entre la résine donnant sa forme au concentrateur et la couche de base perturbaient le dépôt de l’alliage magnétique. Le procédé a été amélioré et fiabilisé par la mise en place d’un nouveau banc d’électrodéposition et des essais expérimentaux (matériaux de la couche de base). Le procédé optimisé permet d’obtenir de très bons résultats, les mesures ont montré un gain entre 300 et 400 alors que les publications actuelles en Europe citent des gains 4 fois plus faibles, à notre connaissance. L’hystérésis du concentrateur de flux a été mesuré entre 100 et 200µT pour une valeur acceptable à 50µT. Plusieurs options sont actuellement étudiées pour le réduire : l’irradiation du concentrateur ou la variation de sa composition.
Suite au besoin de changer la méthode de modulation prévue au début du projet (testée et inefficace), nous avons étudié comment redéfinir la puce en changeant la taille du concentrateur de flux par des simulations magnétiques. En particulier, l’entrefer entre les 2 branches est élargi pour y insérer plus de jonctions et ainsi réduire le niveau de bruit et améliorer la détectivité, et des jonctions plus grandes pour améliorer la sensibilité (gain en fonction du champ magnétique). Un nouveau masque a été conçu et le procédé pour ce design optimisé est en cours.
Le circuit électronique a été réalisé et permet les mesures sur les puces fabriquées. Le bruit à l’entrée de 4nV/Hz1/2 est suffisamment bas pour détecter les signaux de faible intensité issus des jonctions. La principale difficulté est de générer un tension DC suffisamment basse (100mV) pour alimenter les jonctions sans ajouter de bruit.
Aujourd’hui, en combinant les réalisations citées, les résultats obtenus permettent de viser une détectivité d’environs 10pT/Hz1/2 ce qui est aussi le niveau des fluxgates et des search coils.

Des résultats prometteurs ont été obtenus depuis le début du projet. L’objectif de miniaturisation a été atteint mais la détectivité peut encore être améliorée vis-à-vis des attentes. Les perspectives d’amélioration dont l’étude est débutée et prévue jusqu’à la fin du projet sont principalement basées sur le hachage du champ magnétique. Le principe est de moduler le champ magnétique vu par les jonctions dans le but de réaliser la mesure d’un champ DC ou basse fréquence à une fréquence plus élevée ou le niveau de bruit est plus faible. En effet, la principale source de bruit des jonctions tunnel magnétiques est le bruit résistif évoluant à l’inverse de la fréquence. 2 possibilités sont étudiées :
• Commuter le champ magnétique en utilisant une hétéro-structure muliferroïque. Cette élément à 2 couches est constitué d’un matériau piézoélectrique et d’un matériau magnétostrictif. La méthode consiste à faire périodiquement un court-circuit magnétique de l’entrefer des concentrateurs et donc de la jonction créant ainsi le hachage du champ vu par cette dernière : alternance de champs magnétiques faibles et forts. Cette option a déjà été testée par simulation magnétique pour évaluer les caractéristiques du matériau magnétostrictif : épaisseur, perméabilité magnétique et coefficient de magnétostriction. Le choix du matériau est crucial car ces 2 derniers paramètres sont opposés.
• Réaliser le hachage avec un MEMS (Micro Electro-Mechanical System). Pour ce design, la jonction serait installée sur une lame vibrante près de l’entrefer entre les 2 concentrateurs. La jonction serait alternativement proche (fort champ) et éloignée (champ faible) de l’entrefer des concentrateurs créant ainsi le hachage. Les simulations magnétiques ont aussi été réalisées pour évaluer les caractéristiques (position par rapport à l’entrefer) et l’efficacité du hachage.
Dans les 2 cas de figure, l’efficacité (ratio entre le gain à champ fort et le gain à champ faible) du hachage a été évaluée. Les résultats donnent une efficacité de hachage entre 10% et 40%. A partir des données expérimentales déjà obtenues, le hachage du champ magnétique peut améliorer la détectivité aux niveaux attendus entre 5 et 0.5pT/Hz-1/2. Ces améliorations du design vont donc continuer à être étudiées et implémentées jusqu’à la fin du projet.

Publications
Manceau S. et al. Large amplification of the sensitivity of symmetric-response magnetic tunnel junctions with a high gain flux concentrator. Applied Physics Letters 21 August 2023; 123 (8): 082405. doi.org/10.1063/5.0160544

Communications
• Manceau S. et al. (Mai 2023) Symmetric resistance-field response and flux concentrator in tunnel magnetoresistance sensors for space applications, Oral presentation at Intermag conference
• Baraduc C. et al. (August 2023) Amplifying magnetic sensor sensitivity with ultra-high gain flux concentrators. Presentation at conference Spintronics XVI (part of SPIE Nanoscience + Engineering). spie.org/opn/conferencedetails/spintronics
• T. Brun et al. (August 2023) High sensitivity amplification in symetric response magnetic tunnel junction with flux concentrators. Presentation at JEMS (Joint European Magnetic Symposia). www.jems2023.es
• T. Brun et al. (November 2023) High sensitivity amplification in symetric response magnetic tunnel junction with flux concentrators. Poster presented at Colloque Louis Néel (Sète)
• T. Brun et al. (June 2024) Achieving PicoTesla detectivity with magnetic tunnel junctions to monitor magnetic field in space. Presentation at IEEE sensors France workshop (Grenoble)
• T. Brun et al. (June 2024) Achieving PicoTesla detectivity with magnetic tunnel junctions to monitor magnetic field in space. Poster presented at ICM Bologna (International Conference on Magnetism). www.icm2024.org
• T. Brun et al. (September 2024) Achieving PicoTesla detectivity with magnetic tunnel junctions to monitor magnetic field in space. Poster presented at ESM YORK (European School on Magnetism).
• T. Brun et al. (June 2025) Strategies to measure picoTesla magnetic field in Space. Poster presented at Colloque Louis Néel Vogüé cln2025.sciencesconf.org

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.