FR3114883A1 - Systeme et procede de suppression du bruit magnetique basse frequence de capteurs magneto-resistifs - Google Patents
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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.
Figure à publier avec l’abrégé : 1A
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
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.
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.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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 ;
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Avantageusement, le fonctionnement des moyens de modulation uniquement pendant la mesure permet de limiter la consommation d’énergie par le système selon l’invention.
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.
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.
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.
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.
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.
Avantageusement, cela permet de réduire la consommation d’énergie du procédé selon l’invention.
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.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
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 :
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La 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.
Avantageusement, dans le mode de réalisation 111, le capteur MR 101 est alimenté par un courant continu IDCqui 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 IDCou 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.
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.
La 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.
Avantageusement, dans le mode de réalisation 112, le capteur MR 101 est alimenté par un courant électrique alternatif IACqui 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 IACou 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.
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.
La 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.
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.
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.
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.
La 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 peuvent comprendre chacune un empilement de couches, comportant des matériaux et épaisseurs différents choisis de sorte à obtenir la fonction souhaitée.
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.
Selon un mode de réalisation, le capteur MR est un capteur TMR composé d’un empilement de type Si/SiO2pour 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)/ CoFe30(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.
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.
La 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 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 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.
La illustre la réponse en résistance dans les mêmes conditions que celles mises en place pour la . La réponse du capteur est linéaire sur la gamme comprise entre -30 Oe et 80 Oe (où 1 Oersted est égal à 1000/(4π) A.m-1 en unité du système international).
La illustre la réduction du bruit magnétique basse fréquence grâce à l’utilisation du système selon l’invention dans la configuration de la .
Le graphique de la 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 . 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 montre donc que le système selon l’invention permet de réduire efficacement le bruit magnétique basse fréquence.
La 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 . 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 , la montre donc que le système selon l’invention permet de réduire efficacement le bruit magnétique basse fréquence.
Dans les cas des figures 5 et 6 le capteur MR est dans le régime d’auto-oscillation avec un courant DC appliqué de 8 mA et un champ magnétique perpendiculaire de 4 kOe (où 1 Oersted est égal à 1000/(4π) A.m-1en unité du système international).
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 . 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.
La 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 . La mesure a été faite pour un courant RF dans le capteur de puissance -25 dBm, correspondant à environ 3 µW. 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.
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.
La 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.
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.
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.
Selon un mode de réalisation, l’état d’aimantation de la couche libre est une aimantation en configuration vortex.
Le procédé PRO comprend en outre une étape DY consistant à entraîner une dynamique de l’aimantation de la couche magnétique libre.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Typiquement, pour les configurations 111 et 112, des densités de courant de quelques 10^7 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.
Claims (15)
- 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 ;
- Système (111,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’aimantation de la couche magnétique libre présente une configuration spatialement non homogène.
- Système (111,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’aimantation de la couche magnétique libre est en configuration vortex.
- Système (111,112,113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 3 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.
- 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.
- Système (111) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 1 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.
- Système (112) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 1 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.
- Système (113) de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 1 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.
- Système de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 2 et une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que la densité de courant injectée dans le capteur magnéto-résistif est supérieure à une densité critique prédéterminée.
- Système de suppression du bruit magnétique basse fréquence selon la revendication 2 et la revendication 8 caractérisé en ce que le champ magnétique oscillant appliqué est supérieur à un champ critique prédéterminé.
- 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.
- 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 :
- 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.
- 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.
- Procédé selon la revendication 12 ou 13 caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de mesure de la résistance du capteur magnéto-résistif.
- Procédé selon la revendication 14 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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