Capteurs magnétorésistifs : Autres types de capteurs à magnétorésistance

1.1 - Principe
1.2 - Description du phénomène de magnétorésistance anisotrope
1.3 - Linéarisation du signal de réponse S (H )

Tableau 2 - Caractéristiques typiques de capteurs à magnétorésistance anisotrope
1.4 - Capteurs à magnétorésistance anisotrope

2 - MAGNÉTORÉSISTANCE GÉANTE

2.1 - Principe
2.2 - Description du phénomène de magnétorésistance géante
2.3 - Les différents types de multicouches à magnétorésistance géante
2.4 - Capteurs à magnétorésistance géante

Tableau 3 - Caractéristiques comparées des capteurs à effet Hall, MRA et MRG Tableau 4 - Caractéristiques typiques de capteurs à magnétorésistance géante

3 - AUTRES TYPES DE CAPTEURS À MAGNÉTORÉSISTANCE

3.1 - Magnétorésistances tunnel
3.2 - Transistor à effet vanne de spin

Bibliographie & annexes

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Auteur(s)

Bernard DIENY : Ingénieur au CEA
Jean-Marc FEDELI : Ingénieur au CEA

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INTRODUCTION

Depuis plus de vingt ans, les techniques de couches minces suivent l’évolution de la microélectronique à semi‐conducteurs. L’enregistrement magnétique reste le moteur de l’évolution des microtechnologies magnétiques et elle se concrétise par des enregistreurs aux capacités toujours plus grandes. Par ailleurs les magnétomètres ont vu leurs performances s’accroître et utilisent de nombreuses technologies (voir tableau 1). Si la gamme des fortes sensibilités (< 1 nT ) fait appel à des systèmes à volume important comme ceux utilisés en magnétométrie géophysique, en revanche la détection d’inductions magnétiques supérieures au nanotesla fait appel à de nombreuses technologies à base de couches minces autorisant la miniaturisation.

Quatre technologies principales se partagent le marché des microcapteurs magnétiques :

les capteurs à bobine inductive sont très répandus dans l’industrie ou l’automobile, du fait de leur très grande robustesse, leur tenue en température et leur prix extrêmement bas (fin de course, compte‐tours sur roue dentée, capteur angulaire...) ;
les capteurs à effet Hall sont les plus utilisés, en raison notamment de leur bonne linéarité sur une grande plage de mesure ;
les capteurs à porte de flux mettent en jeu les dissymétries induites par le champ magnétique à mesurer, sur le signal de sortie d’un transformateur dont le circuit magnétique est excité au‐delà de son champ coercitif ;
les capteurs magnétorésistifs actuellement sur le marché sont basés sur le changement de résistance électrique d’un matériau ferromagnétique en fonction du champ magnétique appliqué.

Le marché des capteurs magnétiques intégrés progresse à un rythme rapide (10 % de croissance par an pour l’ensemble du marché), en particulier dans le secteur de l’automobile (46 % des ventes), du contrôle de fabrication (21 %) et des produits électroménagers dits « blancs » (9 %). Selon Frost et Sullivan (cabinet d’études), le marché des capteurs magnétiques intégrés correspondait à une production de 25 millions d’unités en 1997, soit un chiffre d’affaires de 75 millions d’euros (490 millions de francs). En 2001, 45 millions de capteurs magnétiques intégrés devraient être vendus, pour un total de 135 millions d’euros (890 millions de francs).

Le tableau 1 résume les domaines d’application typiques des capteurs magnétiques.

Dans le présent article, nous nous intéresserons aux diverses technologies de magnétorésistance des couches minces ferromagnétiques.

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Version courante de sept. 2017 par Christophe DOLABDJIAN, Christophe CORDIER

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r416

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Magnétorésistance anisotrope

3. Autres types de capteurs à magnétorésistance

3.1 Magnétorésistances tunnel

Le phénomène de magnétorésistance géante traité dans les paragraphes précédents concernait des systèmes en multicouches entièrement métalliques. Il a été observé que des effets de magnétorésistance encore plus importants à température ambiante et en champs faibles peuvent aussi être obtenus à température ambiante dans des jonctions tunnels magnétiques. Ces jonctions sont constituées d’une fine couche isolante (le plus souvent en alumine) d’épaisseur de 0,5 à 2 nm prise en sandwich entre deux électrodes métalliques magnétiques dont on peut, comme dans les vannes de spin, contrôler l’orientation relative des aimantations. Ce système fonctionne comme un couple polariseur/analyseur en optique. En appliquant un voltage de part et d’autre de la barrière isolante, des électrons passent par effet tunnel à travers l’isolant. Lorsque les aimantations de part et d’autre de la barrière sont parallèles, les électrons ont plus de facilité à passer que lorsque les aimantations sont antiparallèles. Il en résulte une variation de conductance de la barrière qui peut atteindre 40 % à température ambiante.

Les premières expériences d’effet tunnel dans des jonctions avec électrodes magnétiques ont été effectuées par Meservey et Tedrow (Massachusetts Institut of Technology) dans les années 1970. Il s’agissait d’effet tunnel entre une électrode magnétique et un film supraconducteur d’aluminium à travers une barrière d’alumine amorphe. Ces expériences permettent de mesurer la polarisation P des électrons qui « tunnellent » à partir de différents matériaux magnétiques. Les taux de polarisation suivants ont été obtenus :

Jullière (1975) étudia ensuite un dispositif nommé « vanne magnétique » constitué de deux couches magnétiques (Ni et Co par exemple) séparées par une fine barrière isolante ou semi‐ conductrice (Ge dans son cas, d’épaisseur de l’ordre de 5 nm). La différence de coercitivité des deux matériaux magnétiques employés permet de faire varier l’orientation relative des aimantations des deux électrodes comme dans le cas de vannes de spin. Jullière a observé que le courant tunnel était plus important (d’environ 12 % dans...

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