Vers un capteur magnétique ultrasensible basé sur les ondes de Lamb pour des applications biomédicales – TESLA

TESLA est un projet expérimental organisé autour de plusieurs workpackages.
-L'utilisation de membranes ultraminces (à base de LN-Y128 par exemple) où les ondes de Lamb peuvent se propager sur toute l'épaisseur, combinées à des couches magnétostrictives (effet ?E), est explorée et devrait permettre de détecter des variations de l'ordre du nT.
-En parallèle, des dispositifs multicouches à base d'ondes de Love dans une couche guidante magnétostrictive sont réalisés à haute fréquence pour permettre d'atteindre des sensibilités élevées.
-Enfin, une structure à électrodes connectées est en cours d’étude pour aboutir à un dispositif capable de mesurer deux paramètres : le champ magnétique et la température.

Respectivement pour les 2 stratégies précédentes:
-La présence d'onde de Lamb a été vérifiée par simulation numérique dans la structure CoFeB/LN-Y128.
-Une sensibilité de 265 ppm/mT a été mesurée à basse fréquence (433 MHz) dans une structure à monocouche magnétostrictive utilisant des ondes de Lamb. En augmentant l'épaisseur du dépôt (bicouches) et en élevant la fréquence de fonctionnement à 2,45 GHz, une amélioration de la sensibilité a été observée.
-La structure à électrodes connectées a permis d’obtenir 2 chemins de propagation pour les ondes, ce qui a conduit à 2 mesures: une sensibilité à la température de -67 ppm/°C et une sensibilité au champ magnétique de 1640 ppm/mT (autour de 0 Tesla). En utilisant la mesure de la température comme référence, une compensation en température a été appliquée (par calcul) sur la réponse au champ magnétique.

À court terme, des essais avec d'autres substrats, avec des couches magnétostrictives plus épaisses et à plus hautes fréquences seront envisagés. Les travaux sur les dispositifs sensibles au champ magnétique mais compensés en température (TCF = 0) seront également poursuivis à moyen terme.

-L. Meistersheim, P. Mengue, C. Floer, S. Hage-Ali, H. M’Jahed, S. Petit-Watelot, S. Zhgoon, T. Hauet, M. Hehn, L. Badie and O. Elmazria, “Multifunctional Transmissive Single Port Delay Line SAW Sensor for Magnetic Field and Temperature Monitoring,” IEEE International Ultrasonics Symposium, Tapei, Taiwan, Sept. 2024. (poster)

-P. Mengue, Y. Yang, L. Meistersheim, S. Hage-Ali, C. Floer, S. Petit-Watelot, D. Ba, M. Hehn and O. Elmazria, “Magnetic Surface Acoustic Waves Sensors (MSAW) Based on Love Waves: Towards the nano-Tesla Detection,” IEEE International Ultrasonics Symposium, Tapei, Taiwan, Sept. 2024. (oral)

Le projet TESLA vise à développer un capteur magnétique ultra sensible (dans la gamme du nT), sans fil et sans batterie à base d’ondes de Lamb pour des applications biomédicales. Le caractère passif et l’interrogation à distance du dispositif permettront un suivi en continu du champ magnétique et un confort d’utilisation pour les patients lors d’examens médicaux lourds. Il y a en effet un intérêt croissant pour les capteurs magnétiques à grande sensibilité, notamment dans les établissements de santé pour réaliser des analyses médicales de qualité et aboutir à un diagnostic de plus en plus précoce.

Ce projet a deux grandes étapes : la première sera une preuve de concept avec la réalisation d’un dispositif à partir d’un substrat piézoélectrique aminci et collé en face arrière à un film mince magnétostrictif ; et la seconde permettra d’atteindre les performances visées (sensibilité magnétique et acoustique) grâce à un empilement de couches minces.