Magnétométrie à effet Magnéto-Impédant Géant (MIG)

Historique de la MIG

Le magnétisme classique est un phénomène qui se traduit par des forces répulsives ou attractives d’un matériau aimanté à un autre ou par le même aimant immobile. Il se produit également en présence des charges électriques en mouvement. Les premiers matériaux magnétiques ont été découverts, il y a plus de 3000 ans, sous forme de pierres magnétiques dans la région de la Magnésie en Anatolie, d’où le nom de magnétisme associé à cette région. Plus tard, la science du magnétisme a intéressé les Chinois. Ils ont réalisé la première boussole en 1044. En 1117, cette dernière était essentielle pour la navigation maritime et terrestre. Au XVI siècle, les recherches du physicien anglais Gilbert ont abouti à l’hypothèse que la terre est un aimant géant. En 1819, Oersted arrive à observer un champ magnétique quand un courant électrique parcourt un fils conducteur. En 1820, Bio et Savart puis Ampère fondent les relations entre les champs magnétique et électrique. En 1865, Maxwell introduit la notion du courant de déplacement. En 1935, Harisson et al., [1][2] ont découvert le phénomène de Magnéto-Impédance, MI, dans un fil à base de Fer et Nickel. Cet effet consiste en une variation de l’impédance d’un conducteur ferromagnétique amorphe (rubans amorphes ou nanocristallins ou fils), parcouru par un courant d’excitation et soumis à un champ magnétique externe. Cette variation est de l’ordre de 20% par rapport à l’impédance statique. En 1992, Mohri et al., [3][4] ont établi le phénomène magnéto-inductif dans des µfils ferromagnétiques à base de CoFeSiB. En 1995, Panina et al., [5] ont découvert l’effet Magnéto-Impédance Géante, MIG (Giant Magneto-Impedance, GMI en anglais) dans des films et des fils. Cette large variation peut atteindre 500-600% par rapport à l’impédance statique .

La MIG repose sur le phénomène de l’effet de peau. Ce dernier est fortement prononcé à une fréquence d’excitation élevée. Il se traduit par une inhomogénéité de la densité de courant à l’intérieur du matériau. Il entraîne donc la diminution de la profondeur de pénétration, ߜ, de l’onde électromagnétique, EM, traversant le dispositif. Il en résulte une augmentation de la variation d’impédance vis-à-vis du signal magnétique [9][3][10]. Ce phénomène a attiré l’attention de plusieurs groupes de recherche [3][5][17][18][19][20][21][22][23], en particulier, l’équipe électronique du Groupe de Recherche En Informatique, Image, automatique et Instrumentation de Caen GREYC. Ce dernier a investi plus d’une dizaine d’années dans la recherche, le développement et l’optimisation du capteur MIG.

Capteur magnétique et critères de performance

Un capteur magnétique est un élément sensible qui convertit l’intensité du champ magnétique à détecter en une grandeur électrique qui est généralement une tension ou un courant. Il est usuellement associé à un conditionneur permettant d’obtenir une grandeur de sortie proportionnelle aux variations du champ magnétique à mesurer. La complexité du conditionneur varie en fonction du principe de fonctionnement de capteur. Il peut être un simple amplificateur ou bien une chaine plus complexe, d’amplification, de démodulation et de filtrage. Par ailleurs, des techniques [11] existent permettant de linéariser la réponse du dispositif sensible. La méthode la plus utilisée pour corriger cette non-linéarité du capteur est de l’asservir en champ (Field Feedback loop en anglais). Elle permet de placer le capteur autour d’un point de fonctionnement optimal. Cette technique est usuelle en magnétométrie à haute sensibilité. Ce principe sera décrit par la suite. Un étage de post-traitement est généralement indispensable et suit ce premier conditionnement. Il permet une lecture aisée de la valeur du champ notamment par des traitements numériques, le tout formant un instrument de mesure appelé magnétomètre .

Plusieurs critères de performances caractérisent un magnétomètre. Les performances ne dépendent pas seulement de l’élément sensible mis en œuvre, mais aussi de la chaine électronique de conditionnement.

Les principales caractéristiques sont rappelées ci-après :

1- Sensibilité en champ Ω/T : le rapport, SΩ, entre la variation du signal de sortie du capteur par rapport à celle du mesurande. SΩ correspond à la pente de la réponse du capteur en fonction du mesurande au point de fonctionnement en champ.
2- Sensibilité en température Ω/K : le rapport, ST, entre la variation du signal de sortie par rapport à la température qui est, dans ce cas, une grandeur d’influence. Elle doit être la plus faible possible.
3- Fluctuation d’offset en température en T/K: la variation de l’offset, équivalent en champ, vis-à-vis de la température. C’est le rapport entre les sensibilités en température et en champ, FOT = ST/SΩ, définies précédemment.
4- Stabilité à long terme en T/h : capacité à maintenir la réponse du capteur au fil du temps, pour des conditions expérimentales constantes. En d’autres termes, elle présente l’offset du signal de sortie détecté pour un certain temps.
5- Bande passante en Hz : l’intervalle de fréquence dans lequel l’amplitude de la réponse décroît au plus de 3 dB par rapport à l’amplitude maximale du signal dans la bande passante. Elle caractérise la limite d’usage de la chaîne de mesure dans le domaine fréquentiel.
6- Dynamique en dB : rapport entre la valeur maximale et la valeur minimale du champ mesurable.
7- Linéarité : caractérise la proportionnalité entre la grandeur de sortie (électrique) et le mesurande, sur une plage de fonctionnement déterminée.
8- Consommation en W : puissance nécessaire pour alimenter la chaîne d’acquisition. Elle dépend de la complexité du circuit mis en œuvre.
9- Hystérésis : différence de la réponse d’un capteur, pour la même valeur de la grandeur mesurée, suivant le sens de variation de celle-ci (croissant ou décroissant).
10- Slew-Rate en T/s : aptitude d’un magnétomètre à suivre les variations rapides et brusques du mesurande.
11- Densité spectrale de puissance de bruit équivalente en champ en T/√Hz : c’est les fluctuations du signal de sortie caractérisant la plus petite variation du champ magnétique détectable.

Il est à noter qu’en fonction des domaines d’applications visées l’importance accordée à chacune de ces caractéristiques peut varier.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Magnétométrie à effet Magnéto-Impédant Géant (MIG) – État de l’art
1- Historique de la MIG
2- Capteur magnétique et critères de performance
3- Mise en œuvre d’un magnétomètre MIG
3.1- Chaîne d’acquisition
3.2- Réponse du dispositif MIG
4- Principe de fonctionnement de la MIG
4.1- Régime de basse fréquence
4.2- Régime de moyenne fréquence
4.3- Régime de haute fréquence
5- Modélisation analytique de la MIG
5.1-Domaines magnétiques et position d’équilibre statique
5.2- Relation de dispersion – Tenseur d’impédance
6- Sensibilité intrinsèque en champ
7- Configurations possibles du capteur filaire MIG
8- Calcul de l’impédance électrique
9- État de l’art
9.1- Méthode d’amélioration de la stabilité à long terme et de la dérive en température des transducteurs magnétiques
9.2- Description simplifiée du principe d’opération d’une modulation du courant DC de bias pour un µfil amorphe
10- Motivations et enjeux actuels
11- Bibliographie du chapitre
Chapitre 2 : Approche théorique des fluctuations en température de la MIG
1- Introduction
2- Les fluctuations magnétiques aux basses fréquences
3- Origine des fluctuations aux très basses fréquences
3.1- Les paramètres dépendant de la température
3.1.1- Le volume
3.1.2- La perméabilité magnétique
3.1.3- La résistivité électrique
4- Développement des équations théoriques
5- Sensibilité en champ de la MIG
5.1- Dérivé de l’impédance en fonction de l’angle de l’aimantation
5.2- Dérivé de l’angle de la direction de l’aimantation en fonction du champ magnétique
5.3- Dérivé de l’impédance en fonction du champ magnétique
6- Sensibilité en température de la MIG
6.1- Dérivé de l’angle de la direction de l’aimantation en fonction de la température
6.2- Dérivé de l’impédance en fonction de la température
7- Evaluation des fluctuations en température de la MIG équivalent en champ
8- Conclusion
9- Bibliographie du chapitre
Chapitre 3 : Modélisation et expérience
1- Introduction
2- Mesure de longue durée de la réponse de la MIG off-diagonal
3- Amélioration de la stabilité à long terme. Technique de modulation à l’aide d’un courant DC de bias
4- Impédance de la MIG
4.1- Evaluation des impédances, Z11 et Z21, en fonction du champ
4.2- Effet de la température sur les termes de l’impédance
5- Expression générale de la tension de la MIG
6- Sensibilité en champ de la MIG
6.1- Evaluation du terme ?Zij/??M
6.2- Evaluation du terme ??M/?
6.3- Evaluation du terme ?Zij/?
6.4- Evaluation de la sensibilité en champ de la MIG, SΩij
7- Evaluation des angles ?M et ?k pour un point de fonctionnement optimal en champ, Bp
7.1- Angle de la direction de l’aimantation, θM
7.2- Angle d’anisotropie, θk
8- Sensibilité en température de la MIG
8.1- Evaluation du terme ??M/??
8.2- Evaluation du terme ?Zij/??
8.3- Evaluation de la sensibilité en température de la MIG, STij
9- Fluctuation d’offset en température de la MIG FOTij ≡ STij/SΩij
10- Mise en œuvre d’une double modulation
11- Résultats expérimentaux
11.1- Stabilité à long terme et en température
11.2- Densité spectral de bruit équivalent en champ aux extrêmement basses fréquences
11.3- Fonction de transfert et bande passante des magnétomètres
11.4- Dynamique du magnétomètre
11.5- Amélioration des FOT21 de la MIG classique
12- Conclusion
13- Bibliographie du chapitre
Conclusion générale