Capteurs magnétorésistifs : Magnétorésistance anisotrope

1 - MAGNÉTORÉSISTANCE ANISOTROPE

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 géante

1. Magnétorésistance anisotrope

1.1 Principe

La magnétorésistance anisotrope (MRA) dans les métaux de transition ferromagnétiques a été découverte en 1857 par William Thomson à Glasgow. Cet effet dépend de l’orientation respective de la direction de l’aimantation par rapport à la direction du courant électrique qui traverse le matériau. En partant d’un échantillon multidomaine de résistivité ρ ₀ , un champ de quelques dizaines d’œrsteds (1 Oe = 80 A /m) suffit à aligner l’aimantation avec le champ, créant ρ_// (résistivité longitudinale) ou ρ_⊥ (résistivité transversale) selon que le courant est parallèle ou perpendiculaire à la direction de l’aimantation (figure 1).

La magnétorésistance se définit par :

Δ ρ = ρ_// – ρ_⊥

ou par :

avec (résistivité en champ nul, liée à une équirépartition en volume des domaines).

L’amplitude de cette magnétorésistance reste faible, la valeur maximale étant de l’ordre de 5 à 6 % à 300 K pour certains alliages massifs (Ni₉₀Fe₁₀ , Ni₈₀Co₂₀). Les faibles valeurs des champs à saturation permettent d’obtenir des sensibilités assez élevées (0,4 à 1 % /Oe) qui justifient l’intérêt porté à ces matériaux pour la réalisation de capteurs de champ.

D’un point de vue microscopique, le phénomène doit son existence au couplage spin‐orbite et à la séparation d’échange de la bande 3d. L’anisotropie de la diffusion des électrons 3d pour les deux types de spin est due à un mélange anisotrope des sous-bandes 3d de spins majoritaire et minoritaire induit par le couplage spin‐orbite.

Le matériau est en général déposé en couche mince. Les alliages utilisés sont binaires (Ni₈₁Fe₁₉) ou ternaires (Ni₆₅Fe₁₅Co₂₀) et ont des compositions telles qu’ils présentent...