MAROT : Un magnétomètre miniature pour l'exploration spatiale

Cette thèse porte sur la réalisation d'un magnétomètre dans le but de mesurer les fluctuations de champ magnétique dans les plasmas spatiaux du système solaire. Des magnétomètres de type Search-coil et Fluxgate sont couramment embarqués sur des satellites scientifiques et produisent des mesures de haute qualité. De nos jours, la recherche utilise de plus en plus de petits satellites dont l'archétype est le « Cubsat » qui est un cube de 10 cm de côté. Cependant, l'instrumentation actuelle ne peut pas être miniaturisée sans compromettre les performances. C'est dans ce cadre que le projet MAROT propose l'élaboration d'un magnétomètre miniature utilisant comme élément sensible des jonctions tunnel magnétiques (MTJ), pour mesurer des champs de l'ordre du picotesla. Les jonctions tunnel magnétiques sont des éléments convertissant une variation d'aimantation en variation de résistance, permettant ainsi de mesurer les variations de champ magnétique. Ces magnétomètres sont déjà utilisés comme capteurs dans de nombreuses applications (automobile, imagerie médicale, capteurs dans des systèmes électroniques…) de par leur haute sensibilité. Cependant, les MTJs souffrent d'une perte de détectivité à basse fréquence car leur bruit évolue inversement à la fréquence du signal mesuré. Or les basses fréquences (< 100 Hz) sont les fréquences pertinentes pour les plasmas spatiaux. Pour compenser cette limitation, le capteur MAROT contient des concentrateurs de flux (FC) pour amplifier le champ magnétique sur la jonction. L'optimisation du capteur passe d'une part par l'augmentation de sa sensibilité et d'autre part par la diminution du bruit, afin d'atteindre une détectivité de l'ordre du pT/√Hz à 10 Hz. Les jonctions tunnels sont constituées d'un empilement constitué de plusieurs blocs : couche de référence, barrière tunnel, couche libre. Dans ma thèse, j'ai utilisé et réalisé des jonctions tunnels à réponse symétrique, présentant un état antiparallèle à champ nul, obtenu après un recuit sous champ. Cet état, ainsi que la configuration macrospin de la couche libre, minimisant l'hystérèse, est réalisée en piégeant légèrement la couche libre par une couche antiferromagnétique. Lors de cette thèse, tout d'abord, j'ai pu avoir accès à une couche libre à base de FeCoSiB, couche plus amorphe et plus douce que le NiFe précédemment utilisé, permettant une amélioration du rapport de magnétorésistance (TMR) d'un facteur supérieur à 2, jusqu'à 250%. L'augmentation de la TMR a permis de gagner un facteur 3 dans la sensibilité des jonctions. Dans un second temps, j'ai réalisé des simulations de l'amplification du champ magnétique par les concentrateurs de flux (gain) en fonction des dimensions et caractéristiques de l'entrefer. Cette étude m'a permis de dessiner un nouveau design de capteur dans lequel des jonctions en série-parallèle sont ajoutées dans l'entrefer afin d'augmenter le volume magnétique, pour réduire le bruit, tout en maintenant un gain suffisant. Des capteurs avec ce design ont été fabriqués. Les premières mesures indiquent des sensibilités de l'ordre de 2000 %/mT. Les mesures de bruit sont en cours, et semblent indiquer que les FC, à base de NiFe déposés par électrolyse, apportent du bruit supplémentaire. La composition de ces FC sera donc à optimiser afin d'améliorer la détectivité, actuellement autour de quelques centaines de pT/√Hz à 10 Hz. Pour finir, j'ai commencé à développer une méthode de hachage de champ magnétique pour réduire le bruit. Une couche magnétostrictive, déposée sur un substrat piézoélectrique soumis à une tension, peut voir sa direction d'anisotropie modifiée. Ce dispositif pourra être placé au-dessus de l'entrefer des FC et utilisé comme un interrupteur magnétique, qui alternativement modifie le flux magnétique sur les jonctions. Un gain d'un facteur au moins 10 sur la détectivité est attendu, ce qui permettra de s'approcher de l'objectif du pT/√Hz à 10 Hz.