Capteurs magnétorésistifs : Magnétorésistance géante

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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Autres types de capteurs à magnétorésistance

2. Magnétorésistance géante

2.1 Principe

Les progrès technologiques réalisés ces dernières décennies dans le domaine des procédés de dépôts et de caractérisations des films minces et ultraminces ont contribué aux récentes découvertes de nouveaux phénomènes, intéressant à la fois les sciences fondamentales et les applications. En particulier, Grünberg et al. en 1986 et Carbone et al. en 1987 ont mis en évidence l’existence d’un couplage d’échange indirect entre deux couches ferromagnétiques séparées par un métal non magnétique. La magnétorésistance géante (MRG), qui se traduit par une diminution importante de la résistivité lors de l’application d’un champ magnétique, a été découverte en 1989 à l’université d’Orsay dans des multicouches constituées d’un empilement alterné de couches de Fe de 2 nm d’épaisseur et de Cr de 0,9 nm d’épaisseur [5]. Ainsi que détaillé dans le paragraphe 2.2 , dans ces multicouches, il existe un couplage antiferromagnétique entre couches de Fe à travers le Cr, qui résulte en un alignement antiparallèle des aimantations des couches de Fe en champ nul. Lorsqu’un champ magnétique est appliqué à la structure, les aimantations tournent progressivement vers la direction du champ appliqué et s’alignent toutes parallèlement à celui-ci lorsqu’il devient supérieur au champ de saturation. Ce changement d’orientation relative des aimantations dans les couches magnétiques successives s’accompagne d’une diminution très importante de la résistance électrique de la multicouche. La résistance est plus faible lorsque les aimantations sont parallèles que lorsqu’elles sont antiparallèles. Il a par ailleurs été observé que le couplage entre couches de Fe à travers les couches séparatrices de Cr oscille entre couplage antiferromagnétique et couplage ferromagnétique en fonction de l’épaisseur de Cr [6]...