Nouvelles solutions de capteurs à effet de magnétoimpédance géante : principe, modélisation et performances

par Joël Moutoussamy

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique

Sous la direction de Gérard M. Chanteur et de Francisco Alvès.

Soutenue en 2009

à Cachan, Ecole normale supérieure .


  • Résumé

    Parmi les principes de la mesure du champ magnétique haute sensibilité, éligibles pour l’investigation des ondes plasmas des environnements terrestre et planétaire, les capteurs à effet de magnétoimpédance géante (GMI) suscitent un intérêt certain, qui dépasse les applications spatiales. Connue comme la variation de l’impédance de micro-fils, de films ou de sandwichs ferromagnétiques provoquée par l’amplitude du champ magnétique, ils sont excités directement par un courant, de fréquence de quelques mégahertz à plusieurs dizaines de mégahertz. La modification de la profondeur de peau à travers la variation de la perméabilité provoque une atténuation géante de l’impédance. Héritant du même principe, les nouvelles solutions de GMI utilisent soit un ruban ferromagnétique sur lequel est enroulé un bobinage de N spires à la manière d’inductances planaires soit deux rubans enserrant un bobinage à la manière de sandwichs bobinés. Le bobinage isolé électriquement, réalise à la fois l’excitation magnétique et la prise de mesure et son comportement inductif permet de transposer dans les très basses fréquences (5kHz- 1MHz) la détection du champ magnétique statique ou lentement variable (F<1kHz). La structure bobinée simplifie le procédé de fabrication et améliore l’excitation magnétique qui peut être dirigée dans les deux directions du plan du ruban ferromagnétique permettant ainsi d’accéder à toutes les composantes du tenseur anisotrope des perméabilités associées aux différentes directions relatives entre l’anisotropie magnétique et le champ magnétique statique tout en bénéficiant du champ démagnétisant le plus favorable. Le début des travaux concerne une étude expérimentale des GMI classiques puis des GMI bobinées utilisant différents matériaux magnétiques tels que les rubans nanocristallins recuit sous champ transverse ou longitudinal, les rubans mumetal ou encore les noyaux ferrite. Cette étude montre également l’influence principale de l’effet de la forme géométrique du ruban ferromagnétique sur la sensibilité intrinsèque et le champ de polarisation. La caractérisation des performances repose sur la mesure de l’impédance et de la sensibilité intrinsèque en lieu et place du MI ratio. Concluant sur le rôle majeur de la perméabilité différentielle, la suite des travaux concerne le calcul du tenseur des perméabilités à partir de l’équation de Landau-Lifshitz-Gilbert couplé à un modèle de perméabilité de décroissance monotone corrélée avec l’expérience. Le modèle proposé repose sur la combinaison d’une perméabilité transversale et longitudinale de rotation de l’aimantation d’une part et d’une perméabilité longitudinale de déplacement de parois magnétiques d’autre part. A partir d’un modèle électromagnétique tenant compte de l’effet de peau et de la parité du champ magnétique inhérente à ces structures bobinées, le concept de GMI bobiné est généralisé aux deux positions possibles du bobinage qui permet d’exploiter en plus des composantes diagonales du tenseur des perméabilités, les perméabilités croisées. Les modèles des impédances et des sensibilités intrinsèques sont comparés aux résultats associés au ruban à anisotropie transversale associé au bobinage transverse puis longitudinal.

  • Titre traduit

    New solutions of giant magnetoimpedance sensors : principle, modeling and performances


  • Résumé

    Among the high sensitivity magnetic field measurements principles that are eligible for terrestrial and planetary plasmas wave investigations, Giant MagnetoImpedance (GMI) sensors arouse interest even beyond space applications. Known as the variation of micro-wire, ribbon and sandwich impedance provoked by the magnetic field amplitude, GMI are excited with a high frequency current directly flowing through the ferromagnetic conductor element. It is known that the skin depth is the main responsible phenomenon that involves the giant impedance collapse through the variation of the differential magnetic permeability. Inheriting from the latter principle, new GMI transducers use either one ferromagnetic ribbon with a coil wounded around like planar inductor or either two ribbons gripping the N turns as wounded sandwich. The insulated coil is used both for magnetic excitation and for the measurement, and its inductive behaviour shifts at very low frequency excitation (5kHz- 1MHz), the detection of the static magnetic field or slowly dynamic magnetic field (F<1kHz). Coiled GMI pattern simplify the process of transducer design and improve the magnetic excitation which can be apply in the two ribbon axis direction allowing to access to all component of the anisotropic magnetic permeability tensor corresponding to the relative directions between the static magnetic field and the magnetic anisotropy in a favourable demagnetizing field configuration. The beginning of the present study concerns an experimental investigation of the classical GMI and the coiled GMI using different magnetic material such nanocristallin ribbon annealed under transverse or longitudinal magnetic field, mumetal ribbon and ferrite core. Results have also concerned the main influence of the demagnetizing field occurred in sample with different geometry. Performances criteria are defined by the impedance and the intrinsic sensitivity which replaced the MI ratio. Concluding on the major role of the differential permeability, the work concerns the modeling of the permeability tensor from the Landau-Lisfhitz-Gilbert dynamic magnetization equation combined with monotonous decreasing permeability which has been correlated with the experiment. The model that is proposed consists in a combination between the transverse and longitudinal permeability related to the magnetization rotation mechanism and the longitudinal permeability related to the wall displacement phenomenon. From the electromagnetic model based on the skin effect and the intrinsic parity of the magnetic excitation field appearing in coil, the coiled GMI concept is generalized with the two positions of the coil and both the diagonal component and crossed component of the permeability tensor can be exploited. In order to valid the complete model, the calculated impedance and intrinsic sensitivity are compared to the experimental results in the case of the transverse anisotropy and longitudinal and transverse coil.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (217 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 212-217

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