Les technologies actuelles de capteurs magnétiques sont souvent confrontées à un compromis difficile entre sensibilité, linéarité et bruit magnétique. Grâce à leur réponse linéaire et à leur faible dépendance à la température, les
capteurs à vortex* représentent un bon compromis et sont largement utilisés comme encodeurs de position dans les industries de la robotique et de l'automobile. Les capteurs à vortex conventionnels sont sensibles aux champs magnétiques appliqués dans le plan du capteur (voir figure ci-dessus). Dans cette configuration, le cœur du vortex se déplace latéralement, perpendiculairement à la direction du champ, produisant ainsi une polarisation magnétique nette dans le plan et alignée avec la direction du champ. Ces capteurs à vortex intègrent une couche vortex avec une couche de référence dans le plan au sein d'une jonction tunnel magnétique. Ces capteurs sont robustes et faiblement dépendants de la température de fonctionnement. Cependant, ils présentent un bruit important dû au piégeage et au dépiégeage de leur très petit cœur de vortex (diamètre du cœur ~5 nm) au niveau de défauts locaux lorsque le cœur se déplace radialement sous l'effet du champ magnétique.
Dans cette étude, nous avons développé un autre type de capteur à vortex sensible aux champs hors du plan du capteur (Figure 1). Contrairement à leurs homologues sensibles aux champs dans le plan, le rapport d'aspect de leur couche magnétique vortex (épaisseur/diamètre) est ici beaucoup plus proche de 1 (épaisseur ~60 nm, diamètre ~100 nm, contre épaisseur ~50 nm et diamètre ~1 mm pour les capteurs à vortex sensibles aux champs dans le plan). Par conséquent, l'équilibre entre l'énergie d'échange et l'énergie démagnétisante gouvernant la configuration vortex est profondément modifié. Il en résulte un cœur de vortex plus large, dont le diamètre varie significativement sous l'effet d'un champ appliqué hors du plan. Comme les phénomènes d'expansion/contraction du cœur de vortex et de polarisation hors du plan de l'aimantation sont des processus beaucoup plus réversibles que le mouvement latéral du cœur de vortex dans les capteurs à vortex sensibles aux champs dans le plan, ces dispositifs présentent un bruit plus faible et un meilleur rapport signal/bruit.
Grâce à leur grande linéarité, leur faible dépendance en température et leur faible bruit, ces capteurs sont particulièrement
prometteurs pour la mesure de courant sans contact, en particulier dans les applications de gestion de batteries telles que pour les véhicules électriques. En combinaison avec des capteurs sensibles au champ planaire, ils peuvent aussi permettre une
mesure vectorielle du champ magnétique*.
Tutelles UMR : Univ. Grenoble Alpes (UGA), CEA, CNRS, Grenoble-INP UGA
Financements : ERC PoC projet Nanosense
Collaborations : PTA, sensors team