EP4222515A1 - Système et procédé de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs - Google Patents

Système et procédé de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs

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Publication number
EP4222515A1
EP4222515A1 EP21783294.8A EP21783294A EP4222515A1 EP 4222515 A1 EP4222515 A1 EP 4222515A1 EP 21783294 A EP21783294 A EP 21783294A EP 4222515 A1 EP4222515 A1 EP 4222515A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetization
magnetic layer
free
free magnetic
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21783294.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Aurélie SOLIGNAC
Mafalda JOTTA GARCIA
Julien Moulin
Steffen WITTROCK
Paolo Bortolotti
Vincent Cros
Claude Fermon
Myriam Pannetier-Lecoeur
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4222515A1 publication Critical patent/EP4222515A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0041—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration using feed-back or modulation techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0017—Means for compensating offset magnetic fields or the magnetic flux to be measured; Means for generating calibration magnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/025—Compensating stray fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Definitions

  • TITLE SYSTEM AND METHOD FOR SUPPRESSING LOW FREQUENCY MAGNETIC NOISE FROM MAGNETO-RESISTIVE SENSORS
  • the invention belongs to the field of magnetoresistive sensors for measuring magnetic fields.
  • An object of the invention is a system for suppressing low frequency magnetic noise from magneto-resistive sensors.
  • Another object of the invention is a method for suppressing low frequency magnetic noise from magneto-resistive sensors.
  • Magnetoresistive sensors cover, for example, giant magnetoresistance sensors ("Giant Magnetoresistance” in English or GMR) and tunnel magnetoresistance sensors ("Tunnel Magnetoresistance” in English or TMR), but the invention relates to any sensor magneto-resistive magnetic field.
  • GMR giant magnetoresistance sensors
  • TMR tunnel magnetoresistance sensors
  • Magneto-resistive (MR) sensors with tunnel magnetoresistance TMR or with giant magnetoresistance GMR are typically composed of two ferromagnetic layers separated by a non-magnetic spacer, respectively metallic for a GMR and insulating for a TMR.
  • a so-called “reference” ferromagnetic layer has a magnetization independent of the magnetic field to be detected.
  • the other so-called “free” magnetic layer has a magnetization configuration which is influenced by the magnetic field to be detected.
  • the performance of MR sensors is often limited by the presence of noise of magnetic origin, due to the magnetic fluctuations of the free magnetic layer of the stacks. The reduction of this magnetic noise would allow a substantial improvement in the performance of MR sensors, for example for applications in the automotive field or in the field of non-destructive testing.
  • the sources of low frequency noise can be intrinsic, such as fluctuations in the magnetization for devices with magnetic sensors, the incidence of defects and/or inhomogeneities in the magnetic layers or electrical fluctuations in the tunnel barrier. , due in particular to the manufacturing process. In addition to intrinsic origins, external fluctuations in the DC drive current or applied magnetic field can also contribute to measurement noise.
  • the techniques used are usually based on improving the properties of the MR stacks such as the growth of the layers, the materials used, or even the couplings (see for example “Optimizing magnetoresistive sensor signal-to-noise via pinning field tuning” by J. Moulin et al., published in Applied Physics Letters in 2019). This makes it possible to obtain a stabilization of the magnetization of the free magnetic layer.
  • Another approach used is to put a large number of MR sensors in series in order to increase the magnetic volume of the assembly and therefore reduce the magnetic noise.
  • the invention aims to at least partially solve the problems mentioned above by proposing a low-frequency magnetic noise suppression system of small size, comprising low energy consumption and presenting a linear response over a wide range of fields. exterior magnets.
  • a first object of the invention is a system for suppressing low-frequency magnetic noise from magneto-resistive sensors, said system comprising: at least one magneto-resistive sensor comprising a free magnetic layer having a variable magnetization ; means for modifying the magnetization of the free magnetic layer; said low frequency magnetic noise suppression system being characterized in that the means for modifying the magnetization of the free magnetic layer are adapted to cause a dynamics of the magnetization of the free magnetic layer.
  • magnetoresistive sensor any sensor having a resistance which depends on an external magnetic field and is based on spin electronics.
  • MR sensors have a reference magnetic layer and a free magnetic layer, whose magnetization is sensitive to the magnetic field to be measured. Examples of magnetoresistive sensors are the GMR or TMR sensors introduced above.
  • suppression of the magnetic noise is meant a reduction or suppression of the magnetic noise.
  • the magnetic noise can for example be halved thanks to the sensor according to the invention.
  • the reduction of the magnetic noise thanks to the sensor according to the invention can also be greater than a factor of two, going as far as the complete suppression of the magnetic noise.
  • Means for modifying the magnetization of the free layer means means suitable for modifying a property of the magnetization of the free layer.
  • these means may comprise means for injecting a direct or alternating current into the magneto-resistive sensor or even means for apply an oscillating magnetic field.
  • the means for modifying the magnetization of the free layer can also comprise means adapted to cause local heating modifying the magnetization of the free layer.
  • the means for modifying the magnetization of the free layer can comprise a pulsed light source such as a laser.
  • dynamics of the magnetization is meant a variation over time of a property of the magnetization of the free layer.
  • the means for modifying the magnetization of the free layer can be adapted to apply a torque to the magnetization of the free layer.
  • the torque can be generated by a transfer of spin between the magnetic layers present in the sensor due to a current or by the Zeeman effect due to a magnetic field.
  • the magnetization of the free layer has a spatially inhomogeneous configuration.
  • the magnetization of the free layer has a variable intensity and direction in space.
  • the magnetization of the free layer has a vortex type configuration.
  • a vortex type configuration is understood to mean a spatially inhomogeneous magnetic configuration in which the magnetization has a different orientation depending on the point where one is.
  • the magnetization lies in the plane of the free magnetic layer and rotates either clockwise or counter-clockwise, the circular behavior of the magnetization being explained by the spontaneous minimization of the leakage field.
  • Vortex core a singularity in the center of the vortex in an area called "vortex core" in which the magnetization points out of the plane.
  • the dynamics of the magnetization of the free layer includes a displacement of the core of the vortex, because of the torque(s) applied by the means for modifying the magnetization.
  • the displacement of the core of the vortex takes place in the plane of the free layer.
  • the dynamics of the magnetization of the free layer can for example induce a gyrotropic movement of the core of the vortex, namely a movement of the core of the vortex around its position of equilibrium.
  • the dynamic setting of the magnetization of the magnetic vortex prevents it from being trapped on the sites or faults which are the source of the magnetic noise.
  • the fact of causing a dynamics of the vortex core in a wide range of frequencies makes it possible to reduce, or even eliminate, the low-frequency noise of magnetic origin in the MR sensors.
  • the noise concerned by this reduction is for example 1/f noise or “random telegraph noise” type noise or RTN according to the English acronym or random telegraph noise in French.
  • the magnetization of the free layer can present configurations comprising several vortices.
  • the free layer comprises a stack comprising several magnetic layers having a free magnetization, each layer of the stack having a spatially inhomogeneous magnetization.
  • each layer of the stack can present a magnetization having one or more vortices.
  • the magnetization of the free layer has a configuration of the anti-vortex type, anti-vortex vortex pairs, skyrmion or a configuration having topological properties close to that of a vortex.
  • the magnetic noise suppression system according to the invention comprises several magnetoresistive sensors.
  • the free layers of different sensors can be coupled together by means of the leakage magnetic field, an injected current or even an external magnetic field.
  • the means for modifying the magnetization of the free magnetic layer comprise means suitable for injecting a direct or alternating electric current into the MR sensor.
  • the means for modifying the magnetization of the free layer can comprise means suitable for applying an oscillating external magnetic field preventing its trapping and reducing the magnetic noise.
  • trapping is meant magnetic trapping of the magnetization.
  • the injection of an electric current into the MR sensor generates a spin transfer torque which acts on the magnetization of the free magnetic layer, preventing its trapping and reducing the magnetic noise.
  • the application of an oscillating magnetic field creates a torque on the magnetization of the free magnetic layer by the Zeeman effect, preventing its trapping and reducing the magnetic noise.
  • the reduction of low-frequency magnetic noise makes it possible to increase the signal-to-noise ratio when measuring an applied magnetic field, while increasing the reliability and accuracy of the measurement.
  • the system according to the invention makes it possible to obtain MR sensors with low noise and a linear response over a wide range of magnetic fields to be measured.
  • the magnetization dynamics can be induced in two different regimes: a subcritical regime and a self-oscillating regime.
  • a subcritical regime the torque applied by the means for modifying the free magnetization is lower than the damping of the system.
  • the applied torque exceeds the damping of the system and generates self-sustaining oscillations of the vortex core.
  • the control of the vortex dynamics has various applications at high frequency, thanks to its non-linearity, such as components for radio frequency communication.
  • the dynamics of the vortex can be induced by the application of an external RF field or by the injection of a DC or AC current into the MR sensor. These means induce a torque on the magnetization of the vortex, by spin transfer or by Zeeman effect, which begins to oscillate. It is not known to use dynamics to reduce low frequency noise in vortices.
  • this dynamic control has never been used for magnetic sensors using in particular vortices for linearization.
  • a linear response of the sensor according to the invention over a wide range of magnetic fields is also obtained for different magnetic configurations, for example having several coupled vortices.
  • the operation of the modulation means only during the measurement makes it possible to limit the energy consumption by the system according to the invention.
  • this same current can be used to read the magnetic response of the sensor without an additional power source. This makes it possible to reduce both the size and the energy consumption of the system according to the invention.
  • the system according to the invention may also have one or more of the characteristics below, considered individually or in all technically possible combinations:
  • the magnetization of the free magnetic layer has a spatially inhomogeneous configuration; the magnetization of the free magnetic layer is in vortex configuration; the magnetization of the free magnetic layer comprises several vortices; the free magnetic layer comprises a stack of free magnetic layers, each free magnetic layer of the stack comprising a spatially inhomogeneous magnetization; the magnetization of each layer of the stack comprises one or more vortices; the means for modifying the magnetization of the free magnetic layer are adapted to cause a dynamic of the magnetization of the free magnetic layer comprising a displacement of the vortex; the means for modifying the magnetization of the free magnetic layer comprise means for injecting a direct electric current into the magnetoresistive sensor; the means for modifying the magnetization of the free magnetic layer comprise means for injecting an alternating electric current into the magnetoresistive sensor; the means for modifying the magnetization of the free layer comprise means for generating an oscillating magnetic field; the current density injected into the magnetoresistive sensor is greater than a predetermined critical density; the oscillating magnetic
  • Another object of the invention is a method for suppressing the low frequency magnetic noise associated with the measurement of an external magnetic field by a measuring device comprising a magnetoresistive sensor, said magnetoresistive sensor comprising a layer free magnet having variable magnetization.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • the method according to the invention may also have one or more of the characteristics below, considered individually or in all technically possible combinations: the method further comprises a step of measuring the resistance of the magnetoresistive sensor; the magnetization of the free magnetic layer is in vortex configuration and the step consisting in causing a dynamics of the magnetization of the free magnetic layer comprises a step of displacement of the vortex; the method further comprises a step of measuring the resistance of the magnetoresistive sensor; the steps consisting in producing a dynamics of the magnetization of the free magnetic layer and in measuring the resistance of the magneto-resistive sensor are carried out simultaneously.
  • this makes it possible to reduce the energy consumption of the method according to the invention.
  • the implementation of the method according to the invention makes it possible to reduce or even eliminate the low-frequency magnetic noise associated with the measurement of an external magnetic field. This is possible thanks to the fact that the driven dynamics prevent the trapping of the magnetization of the free layer, eliminating one of the causes of low frequency noise in MR sensors.
  • FIG. 1A shows one embodiment of the system according to the invention.
  • FIG. 1 B shows one embodiment of the system according to the invention.
  • FIG. 1 C shows one embodiment of the system according to the invention.
  • FIG. 2 shows an example of a stack of layers used to produce an MR sensor of the GMR or TMR type.
  • FIG. 3 shows the noise response of the system according to the invention.
  • FIG. 4 shows the resistance response of the system according to the invention.
  • FIG. 5 shows the noise reduction as a function of the power of the oscillating magnetic field applied in the case of the embodiment shown in Figure 1C.
  • FIG. 6 shows the noise reduction as a function of the frequency of the applied oscillating magnetic field in the case of the embodiment shown in Figure 1C.
  • FIG. 7 shows the reduction in magnetic noise as a function of the frequency of the alternating electric current injected in the case of the embodiment represented in FIG. 1 B.
  • FIG. 8 illustrates the steps of the low frequency magnetic noise suppression method according to the invention.
  • Figure 1A shows a first embodiment 111 of the low frequency magnetic noise suppression system according to the invention.
  • the 111 system comprises an MR sensor 101 and means 102 for modifying the magnetization of the free magnetic layer of the MR sensor 101.
  • the means 102 comprise means for injecting a direct electric current IDC into the MR sensor 101.
  • the system 111 for suppressing low-frequency magnetic noise may further comprise means 103 for measuring the resistance of the MR sensor 101 .
  • the MR sensor 101 is powered by a direct current IDC which makes it possible to drive the dynamics of the magnetization in the free magnetic layer of the sensor 101 and therefore to reduce or even eliminate the noise. of magnetic origin.
  • the measurement of this current IDC OR of the voltage across the terminals of sensor 101 provides access to the variation in the resistance of sensor 101 and therefore to the magnetic signal to be detected.
  • the dynamics of the magnetization of the free layer of system 111 can be maintained.
  • This mode of operation is also called self-oscillating regime.
  • the system can operate in a damped or subcritical regime.
  • To reach the sustained oscillation regime it is necessary to inject a current density greater than a critical density.
  • the critical current density necessary to reach the self-oscillation regime is determined by a measurement of the radiofrequency power emitted by the sensor when a direct current is injected.
  • FIG. 1B illustrates a second embodiment 112.
  • the system 112 for suppressing low frequency magnetic noise comprises an MR sensor 101 and means 104 for modifying the magnetization of the free layer of the MR sensor 101 .
  • the means 104 are suitable for injecting an alternating electric current IAC into the MR sensor 101.
  • the system 112 for suppressing low-frequency magnetic noise may further comprise means 103 for measuring the resistance of the MR sensor 101.
  • the MR sensor 101 is powered by an alternating electric current IAC which makes it possible to drive the dynamics in the free layer of the sensor 101 and therefore to reduce or even eliminate the noise of magnetic origin.
  • IAC alternating electric current
  • the measurement of this IAC current OR of the voltage at the terminals of sensor 101 makes it possible to measure the variation in the resistance of sensor 101 and therefore the intensity of the magnetic field to be detected.
  • the dynamics of the magnetization of the free layer of the system 112 can be maintained. This mode of operation is also called self-oscillating regime.
  • the system can operate in a damped or subcritical regime. To reach the sustained oscillation regime, it is necessary to inject a current density greater than a critical density.
  • FIG. 1C illustrates a third embodiment 113.
  • the system 113 for suppressing low frequency magnetic noise comprises an MR sensor 101 and means 106 for modifying the magnetization of the free layer of the MR sensor 101.
  • the means 106 are adapted to apply an oscillating magnetic field close to the MR sensor 101.
  • the system 112 for suppressing low-frequency magnetic noise can further comprise means 105 for injecting a direct or alternating current into the sensor 101 .
  • the means 105 for injecting an AC or DC current allow measurement of the voltage at the terminals of the sensor.
  • the variation in the resistance of sensor 101 therefore makes it possible to measure the magnetic field to be detected.
  • the system 113 for suppressing low-frequency magnetic noise may further comprise means 103 for measuring the resistance of the MR sensor 101.
  • the means 106 for modifying the magnetization of the free layer of the sensor can comprise coils or a field line close to the sensor which are powered by an oscillating electric current at radio frequencies or RF.
  • the dynamics of the magnetization of the free layer of system 113 can be maintained.
  • This mode of operation is also called self-oscillating regime.
  • the system can operate in a damped or subcritical regime. To reach the sustained oscillation regime, it is necessary to apply an oscillating magnetic field greater than a critical oscillating field.
  • Figure 2 shows a typical stack 200 of MR sensor composed of a cover layer 201, a first ferromagnetic layer 202 having a free magnetization, a non-magnetic layer 203, a second ferromagnetic layer 204 having a fixed magnetization and a buffer layer 205.
  • the two ferromagnetic layers 202 and 204 are therefore separated by a non-magnetic spacer 203, respectively metallic for a GMR and insulating for a TMR.
  • the layers represented in FIG. 2 can each comprise a stack of layers, comprising different materials and thicknesses chosen so as to obtain the desired function.
  • the second so-called “reference” ferromagnetic layer 204 has a magnetization independent of the magnetic field to be detected.
  • the first so-called “free” ferromagnetic layer 202 has a magnetization which follows the magnetic field to be detected.
  • the buffer layer allows the resumption of growth on the substrate.
  • the protective layer makes it possible to protect the sensor from oxidation in particular and makes it possible to resume electrical contacts.
  • the reference layer, the free layer, the protection layer and the buffer layer can be composed of one or more layers.
  • the first free ferromagnetic layer 202 comprises a plurality of free magnetic layers.
  • the free magnetic layers can be spaced apart two by two, for example by means of a non-magnetic layer.
  • Said non-magnetic layer implements for example an indirect coupling between the two adjacent free magnetic layers.
  • the free magnetic layers can be in contact two by two, so as to improve the measurable magnetoresistance signal at the terminals of the stack. Said free magnetic layers are in partial or total contact. When the free magnetic layers are in direct contact, the dynamics of the resulting magnetization is also improved.
  • the MR sensor is a TMR sensor composed of a stack of Si/SiC>2 type for the substrate/buffer layer/PtMn(15)/CoFe 2 9 (2.5)/Ru ( 0.85)/ CoFeB (1.6)/ CoFe_30 (2.5)/ MgO (1 )/ FeB (6)/ MgO (1 )/ cover layer.
  • the figures in parentheses here indicate the thicknesses of the layers in nm.
  • This stack can be fabricated in a pillar with a diameter of typically 300 nm connected by metal contacts.
  • This vortex configuration is interesting because it makes it possible to obtain a linear response from the sensor as a function of the field over a wide range of magnetic fields to be measured.
  • the size of the pads and the MR stacking allow control of the field response and the range of linearity.
  • the 1/f and RTN noise in these sensors increases strongly over this linearity range and is of magnetic origin, which limits the performance of the sensor over its operating range.
  • the use of the system according to the invention makes it possible to reduce the noise associated with this type of sensor while maintaining linearity over a wide range of magnetic fields to be measured.
  • Figure 3 shows the noise response measured on TMR pillars 350 nm in diameter and comprising the stack of layers described in paragraphs [0057-0059], Figure 3 shows the rise in magnetic noise in the operating mode of the sensor, that is to say around zero field and over the linearity range of the sensor, this magnetic noise being suppressed at a strong magnetic field.
  • the graph of Figure 3 shows the Hooge parameter as a function of the external magnetic field applied in the plane of the thin layers and in the direction parallel to the direction of the magnetization of the reference layer, i.e. along the sensitivity axis of the sensor.
  • the Hooge parameter determines the noise amplitude in 1/f and is extracted from the noise spectral density measurement.
  • the circles indicate the transition from the state of the sensor having the magnetization of the free layer parallel to the magnetization of the reference layer P to the state of the sensor having the two antiparallel magnetizations AP.
  • the squares illustrate the inverse transition, from the AP configuration to the P configuration.
  • the chirality and the polarization of the vortex are indicated respectively by the letters P and C.
  • the noise reduction has been verified for the 4 states of the vortex: +P, -P, +C and -C.
  • Figure 4 illustrates the resistance response under the same conditions as those set up for Figure 3.
  • the response of the sensor is linear over the range between -30 Oe and 80 Oe (where 1 Oersted is equal to 1000 /(4TT) A.nr 1 in international system unit).
  • Figure 5 illustrates the reduction of low frequency magnetic noise through the use of the system according to the invention in the configuration of Figure 1 C.
  • the graph of FIG. 5 represents the Hooge parameter as a function of the power of the RF magnetic field applied to drive a dynamics of the vortex of the magnetization of the free layer according to the invention.
  • the dots connected by a continuous line represent the Hooge parameter measured in the configuration 113 of FIG. 1C.
  • the dashed line represents the magnetic noise measured without an applied magnetic field, namely when the system according to the invention is not used.
  • Figure 5 therefore shows that the system according to the invention makes it possible to effectively reduce low-frequency magnetic noise.
  • FIG. 6 illustrates the Hooge parameter as a function of the frequency of the oscillating magnetic field applied to drive a dynamics of the vortex of the magnetization of the free layer according to the invention.
  • the dots connected by a continuous line represent the Hooge parameter measured in the configuration 113 of FIG. 1C.
  • the dashed line represents the magnetic noise measured without an applied magnetic field, namely when the system according to the invention is not used. As in the case of Figure 5, Figure 6 therefore shows that the system according to the invention makes it possible to effectively reduce low-frequency magnetic noise.
  • the MR sensor is in the self-oscillation regime with an applied DC current of 8 mA and a perpendicular magnetic field of 4 kOe (where 1 Oersted is equal to 1000/(4TT) A .rrr 1 in SI units).
  • an AC line positioned above the free layer makes it possible to apply an oscillating magnetic field parallel to the plane of the disc with an RF current injected into line 106 of FIG. 1C. It is possible to further reduce the noise, by placing itself in the self-oscillation regime, making it possible to approach the noise value in the parallel state of the magnetizations of the sensors (the lowest in general) while keeping the advantage linearity of vortex-based TMR sensors.
  • Figure 7 illustrates the Hooge parameter as a function of the frequency of the alternating electric current injected into the MR sensor according to configuration 112 shown in Figure 1B. The measurement was made for an RF current in the power sensor -25 dBm, corresponding to about 3 pW. As in FIGS. 5 and 6, the points connected by a continuous line correspond to the Hooge parameter measured and show the noise reduction compared to the dashed line, corresponding to the case where the system according to the invention is not used. .
  • the measuring means 103 is advantageously configured to measure the variation in resistance of the sensor by measuring a low-frequency component of a signal coming from the sensor.
  • the signal coming from the sensor is for example an electric voltage or an electric current.
  • the low frequency component of the signal advantageously has a maximum frequency of less than 1 MHz, for example less than 50 kHz.
  • the measuring means 103 makes it possible to directly measure the variation in the resistance of the sensor. It also has the advantage of not having to use a polarization tee and is therefore simpler. A low pass type filter can be used to eliminate the high frequency component of the signal coming from the sensor.
  • FIG. 8 illustrates the PRO method for suppressing low-frequency magnetic noise associated with the measurement of an external magnetic field by a measuring device comprising a magnetoresistive sensor.
  • the PRO method comprises a first step PL comprising placing the free magnetic layer of the magnetoresistive sensor in a predetermined magnetization state.
  • this step makes it possible to determine the magnetization state of the free layer of the MR sensor. Placing the magnetization of the free layer in a well-determined state is essential in order to be able to effectively train its dynamics during the implementation of the method according to the invention.
  • the magnetization state of the free layer is a magnetization in vortex configuration.
  • the PRO method further comprises a step DY consisting in causing a dynamics of the magnetization of the free magnetic layer.
  • this step makes it possible to reduce the low-frequency magnetic noise by preventing the magnetization of the free magnetic layer from being trapped in defects in the layer.
  • the dynamics of the free layer can include a displacement of the core of the vortex in the plane of the layer, preventing its trapping and reducing the low frequency magnetic noise.
  • the method PRO according to the invention further comprises a step RES for measuring the resistance of the sensor MR.
  • this step makes it possible to measure the external magnetic field.
  • the step DY consisting in driving the dynamics of the free magnetic layer and the step RE consisting in measuring the resistance of the sensor MR are carried out simultaneously.
  • the dynamics of the magnetization of the free layer is driven only during the measurement of the external magnetic field.
  • this makes it possible to limit the energy consumption during the implementation of the method according to the invention, because the dynamics of the magnetization of the free layer is driven only during the measurement operation of the external magnetic field.
  • this same current can be used to read the magnetic response of the sensor without an additional power source.
  • the PRO method according to the invention can also comprise a step for determining the conditions necessary to drive the dynamics of the magnetization of the free layer.
  • the PRO method according to the invention can comprise a step of determining the properties of the means for modifying the magnetization of the free layer in order to obtain the dynamics of the magnetization of the free layer. desired.
  • the current and/or magnetic field and/or frequency and/or amplitude conditions necessary to cause a dynamics of the magnetization of the free layer can be measured beforehand on the MR sensor using a spectrum analyzer.
  • the critical current density of the direct current is greater than or equal to 6.2-10 10 A/m 2 .
  • the frequency range of the dynamics of the magnetization corresponding to this critical current density can be the radio frequency range, for example around 300 MHz, for example between 200 MHz and 400 MHz. In the aforementioned example, the frequency of the magnetization dynamics can be 240 MHz.

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Abstract

L'invention a pour objet un système (111,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs, ledit système comprenant : - Au moins un capteur magnéto-résistif (101) comprenant une couche magnétique libre ayant une aimantation variable; - Des moyens (102,104,105,106) de modification de l'aimantation de la couche magnétique libre; ledit système (111,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence étant caractérisé en ce que les moyens (102,104,105,106) de modification de l'aimantation de la couche libre sont adaptés pour entraîner une dynamique de l'aimantation de la couche magnétique libre.

Description

DESCRIPTION
TITRE : SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE SUPPRESSION DU BRUIT MAGNÉTIQUE BASSE FRÉQUENCE DE CAPTEURS MAGNÉTO-RÉSISTIFS
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001] L’invention appartient au domaine des capteurs magnéto-résistifs pour la mesure de champs magnétiques. Un objet de l’invention est un système de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs. Un autre objet de l’invention est un procédé de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs.
[0002] Les capteurs magnéto-résistifs couvrent par exemple les capteurs à magnétorésistance géante (« Giant Magnetoresistance » en anglais ou GMR) et les capteurs à magnétorésistance tunnel (« Tunnel Magnetoresistance » en anglais ou TMR), mais l’invention concerne tout capteur de champ magnétique de type magnéto-résistif.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0003] Les capteurs magnéto-résistifs (MR) à magnétorésistance tunnel TMR ou à magnétorésistance géante GMR sont composés typiquement de deux couches ferromagnétiques séparées par un espaceur non magnétique, respectivement métallique pour une GMR et isolant pour une TMR. Une couche ferromagnétique dite « de référence » possède une aimantation indépendante du champ magnétique à détecter. L’autre couche magnétique dite « libre » possède une configuration d’aimantation qui est influencée par le champ magnétique à détecter.
[0004] Les performances des capteurs MR sont souvent limitées par la présence de bruit d’origine magnétique, due aux fluctuations magnétiques de la couche magnétique libre des empilements. La réduction de ce bruit magnétique permettrait une amélioration substantielle des performances des capteurs MR, par exemple pour les applications dans le domaine automobile ou dans le domaine du contrôle non-destructif. [0005] Les sources de bruit basse fréquence peuvent être intrinsèques telles que les fluctuations de l'aimantation pour les dispositifs à capteurs magnétiques, l'incidence de défauts et/ou d'inhomogénéités dans les couches magnétiques ou de fluctuations électriques dans la barrière tunnel, dues notamment au procédé de fabrication. En plus des origines intrinsèques, les fluctuations externes du courant continu de commande ou du champ magnétique appliqué peuvent également contribuer au bruit de mesure.
[0006] On connait des façons de réduire le bruit électrique dans les capteurs MR (voir par exemple la demande de brevet EP3631484 « Système et procédé de suppression du bruit basse fréquence dans les capteurs magnéto-résistifs » déposée au nom de la demanderesse).
[0007] Pour tenter de réduire le bruit magnétique, habituellement, les techniques utilisées sont basées sur l’amélioration des propriétés des empilements MR telles que la croissance des couches, les matériaux utilisés, ou encore les couplages (voir par exemple « Optimizing magnetoresistive sensor signal-to-noise via pinning field tuning » de J. Moulin et al., publié dans Applied Physics Letters en 2019). Ceci permet d’obtenir une stabilisation de l’aimantation de la couche magnétique libre.
[0008] Une autre approche utilisée est de mettre en série un grand nombre de capteurs MR afin d’augmenter le volume magnétique de l’ensemble et donc de réduire le bruit magnétique.
[0009] Cependant, ces solutions connues de l’homme du métier ne sont pas satisfaisantes. Par exemple, avec le travail sur les empilements, notamment pour les capteurs TMR, la principale difficulté est de parvenir à avoir une couche magnétique libre stabilisée et sensible au champ extérieur. Par ailleurs, dans le cas d’un dispositif avec un grand nombre d’éléments MR en série, la consommation du capteur augmente significativement ainsi que l’encombrement du système final.
[0010] En d’autres termes, il n’existe pas aujourd’hui une façon de réduire le bruit magnétique dans les capteurs MR permettant de garder une bonne sensibilité de la couche libre et une réponse linéaire du capteur sur une grande plage de champs magnétiques à mesurer. RÉSUMÉ DE L’INVENTION
[0011] L’invention vise à résoudre au moins partiellement les problèmes mentionnés ci-dessus en proposant un système de suppression du bruit magnétique basse fréquence de faible encombrement, comportant une faible consommation en énergie et présentant une réponse linéaire sur une grande plage de champs magnétiques extérieurs.
[0012] A cette fin, un premier objet de l’invention est un système de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs, ledit système comprenant : au moins un capteur magnéto-résistif comprenant une couche magnétique libre ayant une aimantation variable ; des moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre ; ledit système de suppression du bruit magnétique basse fréquence étant caractérisé en ce que les moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre sont adaptés pour entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre.
[0013] On entend par capteur magnéto-résistif tout capteur présentant une résistance qui dépend d’un champ magnétique extérieur et basé sur l’électronique de spin. Les capteurs MR possèdent une couche magnétique de référence et une couche magnétique libre, dont l’aimantation est sensible au champ magnétique à mesurer. Des exemples de capteurs magnéto-résistifs sont les capteurs GMR ou TMR introduits ci-dessus.
[0014] On entend par suppression du bruit magnétique une réduction ou une suppression du bruit magnétique. Le bruit magnétique peut par exemple être divisé par deux grâce au capteur selon l’invention. La réduction du bruit magnétique grâce au capteur selon l’invention peut aussi être supérieure à un facteur deux, allant jusqu’à la suppression complète du bruit magnétique.
[0015] On entend par moyens de modification de l’aimantation de la couche libre, des moyens adaptés pour modifier une propriété de l’aimantation de la couche libre. Par exemple, ces moyens peuvent comprendre des moyens pour injecter un courant continu ou alternatif dans le capteur magnéto-résistif ou encore des moyens pour appliquer un champ magnétique oscillant. Les moyens de modification de l’aimantation de la couche libre peuvent également comprendre des moyens adaptés pour provoquer un chauffage local modifiant l’aimantation de la couche libre. Par exemple, les moyens de modification de l’aimantation de la couche libre peuvent comprendre une source de lumière pulsée telle qu’un laser.
[0016] On entend par dynamique de l’aimantation une variation dans le temps d’une propriété de l’aimantation de la couche libre. Par exemple, les moyens de modification de l’aimantation de la couche libre peuvent être adaptés pour appliquer un couple sur l’aimantation de la couche libre. Dans ce cas, le couple peut être généré par un transfert de spin entre les couches magnétiques présentes dans le capteur dû à un courant ou par effet Zeeman dû à un champ magnétique.
[0017] Selon un mode de réalisation, l’aimantation de la couche libre présente une configuration spatialement non homogène. En d’autres termes, l’aimantation de la couche libre possède une intensité et une direction variable dans l’espace.
[0018] Selon un mode de réalisation, l’aimantation de la couche libre présente une configuration de type vortex. On entend par configuration de type vortex, une configuration magnétique spatialement inhomogène dans laquelle l’aimantation a une orientation différente selon le point où l’on se trouve. L’aimantation se trouve dans le plan de la couche magnétique libre et tourne soit dans le sens horaire soit dans le sens contra-horaire, le comportement circulaire de l’aimantation s’expliquant par la minimisation spontanée du champ de fuite. On observe par ailleurs une singularité au centre du vortex dans une zone appelée « cœur de vortex » dans laquelle l’aimantation pointe hors du plan.
[0019] Dans ce cas la dynamique de l’aimantation de la couche libre comprend un déplacement du cœur du vortex, à cause du ou des couples appliqués par les moyens de modification de l’aimantation. Selon un mode de réalisation, le déplacement du cœur du vortex se fait dans le plan de la couche libre. La dynamique de l’aimantation de la couche libre peut par exemple induire un mouvement gyrotropique du cœur du vortex, à savoir un mouvement du cœur du vortex autour de sa position d’équilibre. [0020] Avantageusement, la mise en dynamique de l’aimantation du vortex magnétique l’empêche d’être piégée sur les sites ou défauts qui sont à l’origine du bruit magnétique.
[0021] En d’autres termes, le fait d’entraîner une dynamique du cœur de vortex dans une grande gamme de fréquences permet de réduire, voire supprimer le bruit basse fréquence d’origine magnétique dans les capteurs MR. Le bruit concerné par cette réduction est par exemple le bruit 1/f ou le bruit de type « random telegraph noise » ou RTN selon l’acronyme anglais ou bruit télégraphique aléatoire en français.
[0022] Alternativement, l’aimantation de la couche libre peut présenter des configurations comprenant plusieurs vortex. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la couche libre comprend un empilement comprenant plusieurs couches magnétiques ayant une aimantation libre, chaque couche de l’empilement présentant une aimantation spatialement non homogène. Par exemple, chaque couche de l’empilement peut présenter une aimantation ayant un ou plusieurs vortex.
[0023] Selon un autre mode de réalisation, l’aimantation de la couche libre présente une configuration de type anti-vortex, paires vortex anti-vortex, skyrmion ou une configuration ayant des propriétés topologiques voisines de celle d’un vortex. [0024] Selon un mode de réalisation, le système de suppression du bruit magnétique selon l’invention comprend plusieurs capteurs magnéto-résistifs. Dans ce cas, les couches libres de capteurs différents peuvent être couplées entre elles au moyen du champ magnétique de fuite, d’un courant injecté ou encore d’un champ magnétique extérieur.
[0025] Selon un mode de réalisation, les moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre comprennent des moyens adaptés pour injecter un courant électrique continu ou alternatif dans le capteur MR. Alternativement, les moyens de modification de l’aimantation de la couche libre peuvent comprendre des moyens adaptés pour appliquer un champ magnétique extérieur oscillant empêchant son piégeage et réduisant le bruit magnétique. Dans la suite de ce document, on parlera indifféremment de courant électrique continu ou DC et de courant électrique alternatif ou AC. [0026] Par piégeage, on entend piégeage magnétique de l'aimantation.
[0027] Avantageusement, l’injection d’un courant électrique dans le capteur MR génère un couple de transfert de spin qui agit sur l’aimantation de la couche magnétique libre, empêchant son piégeage et en réduisant le bruit magnétique.
[0028] Avantageusement, l’application d’un champ magnétique oscillant crée un couple sur l’aimantation de la couche magnétique libre par effet Zeeman, empêchant son piégeage et en réduisant le bruit magnétique.
[0029] Avantageusement, la réduction du bruit magnétique basse fréquence permet d’augmenter le rapport signal sur bruit lors de la mesure d’un champ magnétique appliqué, tout en augmentant la fiabilité et la précision de la mesure.
[0030] Avantageusement, le système selon l’invention permet d’obtenir des capteurs MR avec un faible bruit et une réponse linéaire sur une grande plage de champs magnétiques à mesurer.
[0031] La dynamique de l’aimantation peut être induite dans deux régimes différents : un régime sous-critique et un régime auto-oscillant. Dans le premier cas, le couple appliqué par les moyens de modification de l’aimantation libre est inférieur à l’amortissement du système. Dans le deuxième cas, le couple appliqué dépasse l’amortissement du système et génère des oscillations auto-entretenues du cœur du vortex.
[0032] Dans tous les modes de réalisation de l’invention, l’injection d’un courant électrique ou l’application d’un champ magnétique oscillant ne sont nécessaires que pendant la réalisation de la mesure à l’aide du capteur MR.
[0033] Il est important de noter que le contrôle de la dynamique de vortex a des applications diverses à haute fréquence, grâce à sa non linéarité, comme les composants pour la communication radio fréquence. La dynamique du vortex peut être induite par l’application d’un champ RF extérieur ou bien par l’injection d’un courant DC ou AC dans le capteur MR. Ces moyens induisent un couple sur l’aimantation du vortex, par transfert de spin ou par effet Zeeman, qui se met à osciller. Il n’est pas connu d’utiliser la dynamique pour réduire le bruit basse fréquence dans les vortex. De plus, ce contrôle de la dynamique n’a jamais été utilisé pour des capteurs magnétiques utilisant en particulier des vortex pour la linéarisation. Une réponse linéaire du capteur selon l’invention sur une large gamme de champs magnétiques est obtenue aussi pour des configurations magnétiques différentes, par exemple présentant plusieurs vortex couplés.
[0034] Avantageusement, le fonctionnement des moyens de modulation uniquement pendant la mesure permet de limiter la consommation d’énergie par le système selon l’invention.
[0035] Avantageusement, lorsque la dynamique du cœur de vortex est entraînée par un courant injecté dans le capteur, ce même courant peut être utilisé pour lire la réponse magnétique du capteur sans source d’alimentation supplémentaire. Cela permet de réduire à la fois l’encombrement et la consommation d’énergie du système selon l’invention.
[0036] Le système selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
L’aimantation de la couche magnétique libre comporte une configuration spatialement non homogène ; l’aimantation de la couche magnétique libre est en configuration vortex ; l’aimantation de la couche magnétique libre comporte plusieurs vortex ; la couche magnétique libre comprend un empilement de couches magnétiques libres, chaque couche magnétique libre de l’empilement comportant une aimantation spatialement non homogène ; l’aimantation de chaque couche de l’empilement comporte un ou plusieurs vortex ; les moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre sont adaptés pour entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre comportant un déplacement du vortex ; les moyens de modifications de l’aimantation de la couche magnétique libre comprennent des moyens pour injecter un courant électrique continu dans le capteur magnéto-résistif ; les moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre comprennent des moyens pour injecter un courant électrique alternatif dans le capteur magnéto-résistif ; les moyens de modification de l’aimantation de la couche libre comprennent des moyens pour générer un champ magnétique oscillant ; la densité de courant injectée dans le capteur magnéto-résistif est supérieure à une densité critique prédéterminée ; le champ magnétique oscillant appliqué est supérieur à un champ critique prédéterminé ; le système selon l’invention comprend en outre des moyens adaptés pour mesurer la résistance du capteur magnéto-résistif.
[0037] Un autre objet de l’invention est un procédé de suppression du bruit magnétique basse fréquence associé à la mesure d’un champ magnétique extérieur par un dispositif de mesure comprenant un capteur magnéto-résistif, ledit capteur magnéto-résistif comprenant une couche magnétique libre ayant une aimantation variable.
[0038] Le procédé selon l’invention comprend les étapes suivantes :
Placer la couche magnétique libre du capteur magnéto-résistif dans un état d’aimantation prédéterminé ;
Entraîner, à l’aide de moyens de modifications de l’aimantation de la couche magnétique libre, une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre.
[0039] Le procédé selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le procédé comprend en outre une étape de mesure de la résistance du capteur magnéto-résistif ; l’aimantation de la couche magnétique libre est en configuration vortex et l’étape consistant à entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre comporte une étape de déplacement du vortex ; le procédé comprend en outre une étape de mesure de la résistance du capteur magnéto-résistif ; les étapes consistant à produire une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre et à mesurer la résistance du capteur magnéto- résistif sont réalisées simultanément. [0040] Avantageusement, cela permet de réduire la consommation d’énergie du procédé selon l’invention.
[0041] Avantageusement, la mise en œuvre du procédé selon l’invention permet de réduire voire supprimer le bruit magnétique basse fréquence associé à la mesure d’un champ magnétique extérieur. Cela est possible grâce au fait que la dynamique entraînée empêche le piégeage de l’aimantation de la couche libre, en éliminant une des causes du bruit basse fréquence dans les capteurs MR.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0042] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
[0043] [Fig. 1A] montre un de réalisation du système selon l’invention.
[0044] [Fig. 1 B] montre un de réalisation du système selon l’invention.
[0045] [Fig. 1 C] montre un de réalisation du système selon l’invention.
[0046] [Fig. 2] montre un exemple d’empilement de couches utilisé pour la réalisation d’un capteur MR de type GMR ou TMR.
[0047] [Fig. 3] montre la réponse en bruit du système selon l’invention.
[0048] [Fig. 4] montre la réponse en résistance du système selon l’invention.
[0049] [Fig. 5] montre la réduction du bruit en fonction de la puissance du champ magnétique oscillant appliqué dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 1 C.
[0050] [Fig. 6] montre la réduction du bruit en fonction de la fréquence du champ magnétique oscillant appliqué dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 1 C.
[0051] [Fig. 7] montre la réduction du bruit magnétique en fonction de la fréquence du courant électrique alternatif injecté dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 1 B.
[0052] [Fig. 8] illustre les étapes du procédé de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l’invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION
[0053] La figure 1 A montre un premier mode de réalisation 111 du système de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l’invention. Le système 111 comprend un capteur MR 101 et des moyens 102 de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre du capteur MR 101. Selon ce mode de réalisation, les moyens 102 comprennent des moyens pour injecter un courant électrique continu IDC dans le capteur MR 101. Le système 111 de suppression du bruit magnétique basse fréquence peut comprendre en outre des moyens 103 de mesure de la résistance du capteur MR 101 .
[0054] Avantageusement, dans le mode de réalisation 111 , le capteur MR 101 est alimenté par un courant continu IDC qui permet d’entraîner la dynamique de l’aimantation dans la couche magnétique libre du capteur 101 et donc de réduire voire supprimer le bruit d’origine magnétique. La mesure de ce courant IDC OU bien de la tension aux bornes du capteur 101 permet d’accéder à la variation de la résistance du capteur 101 et donc au signal magnétique à détecter.
[0055] Selon un mode de réalisation, la dynamique de l’aimantation de la couche libre du système 111 peut être entretenue. Ce mode de fonctionnement est également appelé régime auto-oscillant. Alternativement, le système peut fonctionner dans un régime amorti ou sous-critique. Pour atteindre le régime d’oscillation entretenue, il est nécessaire d’injecter une densité de courant supérieure à une densité critique. La densité de courant critique nécessaire pour atteindre le régime d’auto-oscillation est déterminée par une mesure de la puissance radiofréquence émise par le capteur lorsqu’un courant continu est injecté.
[0056] La figure 1 B illustre un deuxième mode de réalisation 112. Le système 112 de suppression du bruit magnétique basse fréquence comprend un capteur MR 101 et des moyens 104 de modification de l’aimantation de la couche libre du capteur MR 101 . Les moyens 104 sont adaptés pour injecter un courant électrique alternatif IAC dans le capteur MR 101. Le système 112 de suppression du bruit magnétique basse fréquence peut comprendre en outre des moyens 103 de mesure de la résistance du capteur MR 101.
[0057] Avantageusement, dans le mode de réalisation 112, le capteur MR 101 est alimenté par un courant électrique alternatif IAC qui permet d’entraîner la dynamique dans la couche libre du capteur 101 et donc de réduire voire supprimer le bruit d’origine magnétique. La mesure de ce courant IAC OU bien de la tension aux bornes du capteur 101 permet de mesurer la variation de la résistance du capteur 101 et donc l’intensité du champ magnétique à détecter.
[0058] Selon un mode de réalisation, la dynamique de l’aimantation de la couche libre du système 112 peut être entretenue. Ce mode de fonctionnement est également appelé régime auto-oscillant. Alternativement, le système peut fonctionner dans un régime amorti ou sous-critique. Pour atteindre le régime d’oscillation entretenue, il est nécessaire d’injecter une densité de courant supérieure à une densité critique.
[0059] La figure 1 C illustre un troisième mode de réalisation 113. Le système 113 de suppression du bruit magnétique basse fréquence comprend un capteur MR 101 et des moyens 106 de modification de l’aimantation de la couche libre du capteur MR 101. Les moyens 106 sont adaptés pour appliquer un champ magnétique oscillant à proximité du capteur MR 101. Le système 112 de suppression du bruit magnétique basse fréquence peut comprendre en outre des moyens 105 d’injection d’un courant continu ou alternatif dans le capteur 101 .
[0060] Avantageusement, les moyens 105 d’injection d’un courant AC ou DC permettent une mesure de la tension aux bornes du capteur. La variation de la résistance du capteur 101 permet donc de mesurer le champ magnétique à détecter. Le système 113 de suppression du bruit magnétique basse fréquence peut comprendre en outre des moyens 103 de mesure de la résistance du capteur MR 101.
[0061] Les moyens 106 de modification de l’aimantation de la couche libre du capteur peuvent comprendre des bobines ou une ligne de champ proche du capteur qui sont alimentés par un courant électrique oscillant aux radiofréquences ou RF.
[0062] Selon un mode de réalisation, la dynamique de l’aimantation de la couche libre du système 113 peut être entretenue. Ce mode de fonctionnement est également appelé régime auto-oscillant. Alternativement, le système peut fonctionner dans un régime amorti ou sous-critique. Pour atteindre le régime d’oscillation entretenue, il est nécessaire d’appliquer un champ magnétique oscillant supérieur à un champ oscillant critique.
[0063] La figure 2 présente un empilement typique 200 de capteur MR composé d’une couche de couverture 201 , une première couche ferromagnétique 202 ayant une aimantation libre, une couche non magnétique 203, une deuxième couche ferromagnétique 204 ayant une aimantation fixe et une couche de buffer 205. Les deux couches ferromagnétiques 202 et 204 sont donc séparées par un espaceur non magnétique 203, respectivement métallique pour une GMR et isolant pour une TMR. Les couches représentées à la figure 2 peuvent comprendre chacune un empilement de couches, comportant des matériaux et épaisseurs différents choisis de sorte à obtenir la fonction souhaitée.
[0064] La deuxième couche ferromagnétique 204 dite « de référence » possède une aimantation indépendante du champ magnétique à détecter. La première couche ferromagnétique 202 dite « libre » possède une aimantation qui suit le champ magnétique à détecter. La couche de buffer permet la reprise de croissance sur le substrat. La couche de protection permet de protéger le capteur des oxydations notamment et permet de reprendre des contacts électriques. La couche de référence, la couche libre, la couche de protection et la couche de buffer peuvent être composées d’une ou de plusieurs couches.
[0065] Selon un mode de réalisation, la première couche ferromagnétique 202 libre comprend une pluralité de couches magnétiques libres. Les couches magnétiques libres peuvent être espacées deux à deux, par exemple au moyen d'une couche non magnétique. Ladite couche non-magnétique implémente par exemple un couplage indirect entre les deux couches magnétiques libres adjacentes. Selon une variante, les couches magnétiques libres peuvent être en contact deux à deux, de manière à améliorer le signal de magnétorésistance mesurable aux bornes de l'empilement. Lesdites couches magnétiques libres sont en contact partiel ou total. Lorsque les couches magnétiques libres sont en contact direct, la dynamique de l'aimantation résultante est également améliorée.
[0066] Selon un mode de réalisation, le capteur MR est un capteur TMR composé d’un empilement de type Si/SiC>2 pour le substrat/ couche de buffer/ PtMn(15)/ CoFe29 (2.5)/ Ru (0.85)/ CoFeB (1.6)/ CoFe_30 (2.5)/ MgO (1 )/ FeB (6)/ MgO (1 )/ couche de couverture. Les chiffres entre parenthèses indiquent ici les épaisseurs des couches en nm. Cet empilement peut être fabriqué dans un pilier de diamètre typiquement de 300 nm connecté par des contacts métalliques. L’aimantation de la couche de référence PtMn (15)/ CoFe29 (2.5)/ Ru (0.86)/ CoFeB (1.6)/ CoFeso (2.5) est bloquée dans le plan des couches minces et l’aimantation de la couche libre FeB (6) est stabilisée dans un état vortex grâce à son épaisseur et à la dimension du plot.
[0067] Cette configuration en vortex est intéressante car elle permet d’obtenir une réponse linéaire du capteur en fonction du champ sur une large gamme de champs magnétiques à mesurer. La taille des plots et l’empilement MR permettent de contrôler la réponse en champ et la gamme de linéarité. Le bruit 1/f et RTN dans ces capteurs augmente fortement sur cette gamme de linéarité et est d’origine magnétique, ce qui limite les performances du capteur sur sa gamme de fonctionnement. Avantageusement, l’utilisation du système selon l’invention permet de réduire le bruit associé à ce type de capteur tout en gardant la linéarité sur une grande plage de champs magnétiques à mesurer.
[0068] La figure 3 présente la réponse en bruit mesurée sur des piliers de TMR de 350 nm de diamètre et comprenant l’empilement de couches décrit dans les paragraphes [0057-0059], La figure 3 montre l’élévation du bruit magnétique dans le régime de fonctionnement du capteur, c’est-à-dire autour du champ nul et sur la gamme de linéarité du capteur, ce bruit magnétique étant supprimé à fort champ magnétique. Le graphique de figure 3 montre le paramètre de Hooge en fonction du champ magnétique extérieur appliqué dans le plan des couches minces et dans la direction parallèle à la direction de l’aimantation de la couche de référence, c’est à dire le long de l’axe de sensibilité du capteur. Le paramètre de Hooge détermine l’amplitude du bruit en 1/f et est extrait à partir de la mesure de la densité spectrale de bruit. Les cercles indiquent la transition de l’état du capteur ayant l’aimantation de la couche libre parallèle à l’aimantation de la couche de référence P vers l’état du capteur ayant les deux aimantations antiparallèles AP. Les carrés illustrent la transition inverse, depuis la configuration AP vers la configuration P. La chiralité et la polarisation du vortex sont indiquées respectivement par les lettres P et C. La réduction de bruit a été vérifiée pour les 4 états du vortex : +P, -P, +C et -C.
[0069] La figure 4 illustre la réponse en résistance dans les mêmes conditions que celles mises en place pour la figure 3. La réponse du capteur est linéaire sur la gamme comprise entre -30 Oe et 80 Oe (où 1 Oersted est égal à 1000/(4TT) A.nr1 en unité du système international). [0070] La figure 5 illustre la réduction du bruit magnétique basse fréquence grâce à l’utilisation du système selon l’invention dans la configuration de la figure 1 C.
[0071 ] Le graphique de la figure 5 représente le paramètre de Hooge en fonction de la puissance du champ magnétique RF appliqué pour entraîner une dynamique du vortex de l’aimantation de la couche libre selon l’invention. Les points connectés par une ligne continue représentent le paramètre de Hooge mesuré dans la configuration 113 de la figure 1 C. La ligne en tiret représente le bruit magnétique mesuré sans champ magnétique appliqué, à savoir quand le système selon l’invention n’est pas utilisé. La figure 5 montre donc que le système selon l’invention permet de réduire efficacement le bruit magnétique basse fréquence.
[0072] La figure 6 illustre le paramètre de Hooge en fonction de la fréquence du champ magnétique oscillant appliqué pour entraîner une dynamique du vortex de l’aimantation de la couche libre selon l’invention. Les points connectés par une ligne continue représentent le paramètre de Hooge mesuré dans la configuration 113 de la figure 1 C. La ligne en tiret représente le bruit magnétique mesuré sans champ magnétique appliqué, à savoir quand le système selon l’invention n’est pas utilisé. Comme dans le cas de la figure 5, la figure 6 montre donc que le système selon l’invention permet de réduire efficacement le bruit magnétique basse fréquence.
[0073] Dans les cas des figures 5 et 6 le capteur MR est dans le régime d’autooscillation avec un courant DC appliqué de 8 mA et un champ magnétique perpendiculaire de 4 kOe (où 1 Oersted est égal à 1000/(4TT) A.rrr1 en unité du système international).
[0074] Selon un mode de réalisation, une ligne AC positionnée au-dessus de la couche libre permet d’appliquer un champ magnétique oscillant parallèle au plan du disque avec un courant RF injecté dans la ligne 106 de figure 1 C. Il est possible de diminuer d’avantage le bruit, en se plaçant dans le régime d'auto-oscillation, permettant d’approcher la valeur de bruit dans l’état parallèle des aimantations du capteurs (la plus faible en général) tout en gardant l’avantage de la linéarité des capteurs TMR à base de vortex.
[0075] La figure 7 illustre le paramètre de Hooge en fonction de la fréquence du courant électrique alternatif injecté dans le capteur MR selon la configuration 112 illustrée à la figure 1 B. La mesure a été faite pour un courant RF dans le capteur de puissance -25 dBm, correspondant à environ 3 pW. Comme dans les figures 5 et 6, les points connectés par une ligne continue correspondent au paramètre de Hooge mesuré et montrent la réduction du bruit par rapport à la ligne en tirets, correspondant au cas où le système selon l’invention n’est pas utilisé.
[0076] Les mesures illustrées aux figures 5, 6 et 7 indiquent que le système selon l’invention permet de réduire le bruit magnétique d’un facteur 3 dans les configurations considérées ici. Un gain d’un facteur 3 est ainsi directement obtenu sur le rapport signal sur bruit. A noter que pour obtenir ce gain de facteur 3 sur le rapport signal sur bruit sans utiliser d’excitation AC supplémentaire, il serait nécessaire d’augmenter le moyennage de la mesure d’un facteur 10.
[0077] Le moyen de mesure 103 est avantageusement configuré pour mesurer la variation de résistance du capteur par une mesure d'une composante basse fréquence d'un signal issu du capteur. Le signal issu du capteur est par exemple une tension électrique ou un courant électrique. La composante basse fréquence du signal présente avantageusement une fréquence maximale inférieure à 1 MHz, par exemple inférieure à 50 kHz.
[0078] Il est connu de la personne du métier de mesurer la valeur d'un champ magnétique externe en séparant une composante haute fréquence d'un signal issu d'un capteur et en déterminant le décalage en fréquence de la composante haute fréquence lorsque le champ externe est appliqué ou non. La composante haute fréquence dudit signal présente une fréquence supérieure à 1 MHz, par exemple de l'ordre de quelques gigahertz. Cette méthode ne mesure pas la variation de résistance du capteur, mais uniquement la variation de fréquence de la composante haute fréquence. Cette méthode connue de la personne du métier met par exemple en œuvre un té de polarisation afin de séparer la composante haute fréquence de la composante basse fréquence.
[0079] Le moyen de mesure 103 selon l'invention permet en revanche de mesurer directement la variation de la résistance du capteur. Il présente également l'avantage de ne pas recourir à un té de polarisation et est donc plus simple. Un filtre de type passe bas peut être utilisé pour éliminer la composante haute fréquence du signal issu du capteur. [0080] La figure 8 illustre le procédé PRO de suppression du bruit magnétique basse fréquence associé à la mesure d’un champ magnétique extérieur par un dispositif de mesure comprenant un capteur magnéto-résistif.
[0081] Le procédé PRO comprend une première étape PL comprenant le placement de la couche magnétique libre du capteur magnéto-résistif dans un état d’aimantation prédéterminé.
[0082] Avantageusement, cette étape permet de déterminer l’état d’aimantation de la couche libre du capteur MR. Placer l’aimantation de la couche libre dans un état bien déterminé est essentiel pour pouvoir efficacement entraîner sa dynamique lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
[0083] Selon un mode de réalisation, l’état d’aimantation de la couche libre est une aimantation en configuration vortex.
[0084] Le procédé PRO comprend en outre une étape DY consistant à entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre.
[0085] Avantageusement, cette étape permet de réduire le bruit magnétique basse fréquence en empêchant que l’aimantation de la couche magnétique libre soit piégée dans des défauts de la couche.
[0086] Quand l’aimantation de la couche magnétique libre est en configuration vortex, la dynamique de la couche libre peut comporter un déplacement du cœur du vortex dans le plan de la couche, empêchant son piégeage et réduisant le bruit magnétique basse fréquence.
[0087] Selon un mode de réalisation, le procédé PRO selon l’invention comprend en outre une étape RES de mesure de la résistance du capteur MR. Avantageusement cette étape permet de mesurer le champ magnétique extérieur.
[0088] Selon un mode de réalisation, l’étape DY consistant à entraîner la dynamique de la couche magnétique libre et l’étape RE consistant à mesurer la résistance du capteur MR sont réalisées simultanément. En d’autres termes, la dynamique de l’aimantation de la couche libre est entraînée uniquement pendant la mesure du champ magnétique extérieur.
[0089] Avantageusement, cela permet de limiter la consommation d’énergie pendant la mise en œuvre du procédé selon l’invention, car la dynamique de l’aimantation de la couche libre n’est entraînée que pendant l’opération de mesure du champ magnétique extérieur.
[0090] Avantageusement, lorsque la dynamique AC du cœur de vortex est produite par un courant injecté dans le capteur, ce même courant peut être utilisé pour lire la réponse magnétique du capteur sans source d’alimentation supplémentaire.
[0091] Le procédé PRO selon l’invention peut en outre comprendre une étape de détermination des conditions nécessaires pour entraîner la dynamique de l’aimantation de la couche libre.
[0092] En d’autres termes, le procédé PRO selon l’invention peut comprendre une étape de détermination des propriétés des moyens de modifications de l’aimantation de la couche libre afin d’obtenir la dynamique de l’aimantation de la couche libre souhaitée.
[0093] Par exemple, les conditions de courant et/ou champ magnétique et/ou fréquence et/ou amplitude nécessaire pour entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche libre peuvent être mesurées au préalable sur le capteur MR à l’aide un analyseur de spectre.
[0094] Typiquement, pour les configurations 111 et 112, des densités de courant de quelques 10A7 A/cm2 (i.e. de l’ordre du mA pour les tailles de capteurs considérés) sont nécessaires et induisent des fréquences du mode gyrotropique allant de 100 MHz à 600-700 MHz typiquement pour les matériaux magnétiques standards. Noter que pour les systèmes vortex couplés, il est possible d’augmenter de manière substantielle cette gamme de fréquence. Pour la configuration 113, un champ AC de l’ordre de la centaine de MHz doit être appliqué.
[0095] Selon un mode de réalisation, la densité de courant critique du courant continu est supérieure ou égale à 6,2- 1010 A/m2. Ainsi, la circulation d'un courant de 6 mA sur un empilement tel que décrit en référence à la figure 2, et présentant par exemple un diamètre de 350 nm, permet d'atteindre un régime d'auto-oscillation de l'aimantation et donc une réduction de bruit améliorée. La gamme de fréquence de la dynamique de l'aimantation correspondant à cette densité de courant critique peut être la gamme radiofréquence, par exemple autour de 300 MHz, par exemple comprise entre 200 MHz et 400 MHz. Dans l'exemple précité, la fréquence de la dynamique de l'aimantation peut être de 240 MHz.
[0096]

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1 ] Système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence de capteurs magnéto-résistifs, ledit système comprenant :
- au moins un capteur magnéto-résistif (101 ) comprenant une couche magnétique libre ayant une aimantation variable ;
- des moyens (102,104,106) de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre ; ledit système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence étant caractérisé en ce que les moyens (102,104,105,106) de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre sont adaptés pour entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre pour empêcher son piégeage et réduire le bruit magnétique basse fréquence.
[Revendication 2] Système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’aimantation de la couche magnétique libre présente une configuration spatialement non homogène.
[Revendication s] Système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’aimantation de la couche magnétique libre est en configuration vortex.
[Revendication 4] Système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens (102,104,106) de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre sont adaptés pour entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche libre comportant un déplacement du vortex.
[Revendication s] Système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 2 caractérisé en ce que la couche magnétique libre comprend un empilement de couches magnétiques libres, chaque couche magnétique libre de l’empilement comportant une aimantation spatialement non homogène.
[Revendication s] Système (111 ,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication précédente caractérisé en ce que les couches magnétiques libres sont en contact direct deux à deux.
[Revendication 7] Système (111 ) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de modifications de l’aimantation de la couche magnétique libre comprennent des moyens (102) pour injecter un courant électrique continu dans le capteur magnéto-résistif.
[Revendication s] Système (112) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre comprennent des moyens (104) pour injecter un courant électrique alternatif dans le capteur magnéto-résistif.
[Revendication 9] Système de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l'une des deux revendications précédentes caractérisé en ce que la densité de courant injectée dans le capteur magnéto-résistif est supérieure à une densité critique prédéterminée, la densité critique prédéterminée étant supérieure ou égale à 6,2- 1010 A/m2
[Revendication 10] Système (113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de modification de l’aimantation de la couche magnétique libre comprennent des moyens (106) pour générer un champ magnétique oscillant.
[Revendication 11 ] Système de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication précédente caractérisé en ce que le champ magnétique oscillant appliqué est supérieur à un champ critique prédéterminé.
[Revendication 12] Système de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens (103) adaptés pour mesurer la résistance du capteur magnéto-résistif.
[Revendication 13] Procédé de suppression du bruit magnétique basse fréquence associé à la mesure d’un champ magnétique extérieur par un dispositif de mesure comprenant un capteur magnéto-résistif, ledit capteur magnéto-résistif comprenant une couche magnétique libre ayant une aimantation variable, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a. Placer la couche magnétique libre du capteur magnéto-résistif dans un état d’aimantation prédéterminé ; b. Entraîner, à l’aide de moyens de modifications de l’aimantation de la couche magnétique libre, une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre pour empêcher son piégeage et réduire le bruit magnétique basse fréquence.
[Revendication 14] Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’aimantation de la couche magnétique libre est en configuration vortex et l’étape consistant à entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre comporte une étape de déplacement du vortex.
[Revendication 15] Procédé selon l'une des deux revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de mesure de la résistance du capteur magnéto-résistif.
[Revendication 16] Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que les étapes consistant à produire une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre et à mesurer la résistance du capteur magnéto- résistif sont réalisées simultanément.
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