A multiscale model for anisotropic magnetoresistance

Un modèle multi-échelle de la magnétorésistance anisotrope

• Auteur / Autrice : Andras Bartok
• Direction : Adel Razek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Mazaleyrat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adel Razek, Frédéric Mazaleyrat, Olivier Hubert, Stéphane Flament, Laurent Daniel, Christophe Coillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Hubert, Stéphane Flament

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes d'homogénéisation numérique

Microcapteurs

Magnétorésistance

Mots clés libres

Modèle multi-Échelle

Magnétorésistance anisotrope

Capteur de champ magnétique

Multiscale model

Anisotropic magnetoresistance

Magnetic field sensor

Résumé

La magnétorésistance anisotrope (AMR) des matériaux ferromagnétiques est largement utilisée comme le phénomène de base pour la mesure ou la détection de champ magnétique. En raison de la relation entre la configuration en domaines magnétiques et la résistivité macroscopique, l'application d'un champ magnétique externe modifie la résistivité des matériaux ferromagnétiques. Bien que cet effet soit largement utilisé dans des applications industrielles, certains aspects fondamentaux du comportement AMR sont encore assez mal compris. Par exemple, le rôle de la texture cristallographique dans le comportement effectif n'est pas décrit avec précision par les outils classiques de modélisation. En raison de ce lien direct entre la microstructure en domaines et l'effet AMR, les modèles de description de l'effet AMR reposent généralement sur des calculs micromagnétiques. Pour ces calculs, le nombre de degrés de liberté et d'interactions peuvent se multiplier rapidement si on recherche à décrire un comportement macroscopique (cas des polycristaux par exemple).La thèse porte sur la modélisation numérique de l'effet de magnétorésistance anisotrope des matériaux ferromagnétiques. Ce nouvel outil de modélisation 3D peut remédier à cet inconvénient majeur des approches micromagnétiques. Un modèle permettant de décrire les effets de couplage magnéto-élastique en utilisant une approche micro-macro est disponible au laboratoire GeePs. Sur la base des mêmes principes de la modélisation micro-macro, un outil de simulation de l'effet AMR en fonction de la contrainte mécanique et de la texture cristallographique des matériaux a été développé.La stratégie de modélisation est la suivante:Trois échelles de description du comportement sont introduites: le Volume Elémentaire Représentatif (VER) polycristallin (échelle macro), le monocristal ou grain, et enfin le domaine magnétique (échelle micro).Une première étape dite de localisation permet de déterminer le chargement magnéto-mécanique (champ magnétique et contrainte mécanique) à l'échelle d'un grain en fonction du chargement extérieur appliqué. L'introduction de variables internes et des lois d'évolution correspondantes permet de décrire de façon statistique l'évolution de la microstructure en domaines magnétiques sous l'influence de ce chargement local. Toujours à cette échelle, l'utilisation du modèle phénoménologique de Doring permet, pour chaque domaine, de calculer la résistivité en fonction de l'orientation relative entre aimantation locale et courant électrique. Une fois cette résistivité locale connue, une étape dite d'homogénéisation s'appuyant sur le modèle de Bruggeman permet de déterminer la résistivité macroscopique du VER polycristallin. Il est ainsi possible de prédire la variation de la résistivité entre un état initial désaimanté et un état sous chargement magnéto-mécanique quelconque.Les résultats obtenus par cette démarche ont été comparés avec succès à des résultats expérimentaux extraits de la littérature portant sur des polycristaux de Nickel, de Fer pur ou encore de Permalloy.Ensuite des simulations reproduisant les conditions de fonctionnement des capteurs AMR ont été effectuées. Ces simulations permettent de conclure qu'il est possible d'améliorer la sensibilité des capteurs AMR en générant une contrainte résiduelle biaxiale.

The anisotropic magnetoresistance (AMR) of ferromagnetic materials is widely used as the basic phenomenon for measuring or detecting magnetic field. Owing to the relationship between magnetic domain configuration and macroscopic resistivity, the application of an external magnetic field changes the resistivity of ferromagnetic materials. Although this effect is widely used in industrial applications, some basic aspects of AMR behavior are still unsufficiently understood. For example, the role of crystallographic texture is not accurately described by conventional modeling tools. As a consequence of the direct relationship between microstructure and AMR, models for AMR effect are generally based on micromagnetic calculations. For these calculations, the number of degrees of freedom and interactions can grow exponentially when investigating macroscopic behavior (case of polycrystals for example).The thesis deals with the numerical modeling of AMR effect in ferromagnetic materials. This new 3D modeling tool can overcome this major drawback of micromagnetic approaches. A model to describe the effects of magneto-elastic coupling using a micro-macro approach is available at the laboratory GeePs. Based on the same principles of micro-macro modeling, an AMR effect simulation tool has been developed including the effect of mechanical stress and the role of crystallographic texture of materials.The modeling strategy is as follows:Three scales of description of the behavior are introduced: the Representative Volume Element (RVE) of polycrystals (macro scale), the single crystal or grain, and finally the magnetic domain (micro scale).A first step, named localization, determines the magneto-mechanical loading (magnetic field and mechanical stress) within a grain depending on the external applied load. The introduction of internal variables and corresponding evolution laws allow describing in a statistical way the evolution of the magnetic domain microstructure under the influence of the local load. Also at this scale, the use of the phenomenological Doring model allows for each area, to calculate the resistivity as a function of the relative orientation between local magnetization and electric current. Once this local resistivity is known, a so-called homogenization step based on the Bruggeman model is used to determine the macroscopic resistivity of the RVE. It is thus possible to predict the variation in resistivity between an initial demagnetized state and a state under any magneto-mechanical loading.The results obtained by this approach were successfully compared to experimental results from literature on polycrystalline nickel, pure iron or Permalloy.Then simulations reproducing AMR sensors operating conditions were carried out. These simulations lead to the conclusion that it is possible to improve the sensitivity of AMR sensors by introducing an appropriate biaxial residual stress.