Caractérisation et modélisation d'un micro-capteur magnétoélectrique

par Thi ngoc Nguyen

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Philippe Lecoeur et de Guillaume Agnus.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-04-2015 .


  • Résumé

    Capteur de champ magnétique ont beaucoup attiré l'intérêt pour de nombreuses applications telles que des magnétomètres, des compas magnétiques, capteur de courant, capteurs automobiles, systèmes de navigation, ... Aujourd'hui, les capteurs magnétiques sont encore le principal moyen de navigation. Outre les types traditionnels de capteurs magnétiques sur la base de fluxgate, effet Hall, l'interférence quantique supraconducteur et valves magnétorésistance spin géant, un tel capteur peut être réalisé récemment grâce à l'effet magnéto-électrique (ME). Ce capteur simple, à faible coût, en outre, est caractérisé par à la température ambiante ment fonction. L'effet de ME a été observée dans multiferroïques et / ou composites ferromagnétiques-ferroélectrique (ci-après désignés par ME matériaux). Dans ces matériaux, une polarisation électrique P dans le matériau doit répondre à la appliquée magnétique champ H, alors qu'une aimantation M répondra à la fi électrique appliqué champ E. Le processus de polarisation dans un échantillon M'en réponse à l'exté- nal appliquée magnétique fi eld est crée un champ électrique E = aE • H, où aE (= dE / dH) désigne la tension magnétoélectrique coef fi cient. Par conséquent, une tension VME = t • E (t = aE • • H) apparaît entre les sur-faces de l'échantillon de l'épaisseur t. La transformation directe de l'énergie du champ magnétique en un signal électrique de sortie offre une grande route périphérique potentiel en tant que plate-forme très sensible de détection de champ magnétique. Cependant, pour des applications pratiques de ces composites sont limitées. Minimiser capteur à l'échelle du micromètre en utilisant microfabrications est un défi important. Cela peut être fait en utilisant des films minces magnétostrictifs / multicouches piézoélectriques alternés. Furthemore, cette structure multicouche est expexted être bien supérieure aux matériaux composites en vrac depuis la couche piézoélectrique peut facilement être polarisé électriquement afin d'améliorer la piézoélectricité et l'effet ME.

  • Titre traduit

    Characterization and Modeling of Magnetoelectric Micro Sensors


  • Résumé

    Abstract : Magneto-electric (ME) sensors have been demonstrated as a promising alternative for the detection of weak magnetic signals with high sensitivity. To date, most applications focused on the use of bulk piezoelectric materials on which magnetostrictive thin films are deposited leading to millimeter-sized devices. The integration of such devices into micro-electro-mechanical systems (MEMS), bringing smaller size and lower power consumption, involves addressing several scientific issues ranging from the integration of active materials on silicon to the strong reduction in amplitude of generated signals related to the size reduction of the sensor. In this context, the first goal of this thesis work was to integrate high crystalline quality piezoelectric thin films on silicon. Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) with a morphotropic composition (x=0.52) having high electromechanical coupling factor was chosen. Silicon is a necessary template as it allows for the use of conventional clean room processes for the realization of the microsystem. The crystalline quality of the active films is directly linked to the buffer layers that promote the crystalline growth on silicon. For this purpose, Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) was used in combination with CeO2 and SrTiO3 to allow further growth of epitaxial perovskites. The choice of the bottom electrode material (SrRuO3 or La0.66Sr0.33MnO3 in this work) further tunes the crystalline orientation of the PZT layer. To probe the potential of such PZT thin films for ME devices, the first step was to characterize the electromechanical properties of this material in a free standing cantilever structure. Under an applied electric field, the measured displacement of the epitaxial PZT-based cantilevers is characterized by a coefficient d_31=-53pmV^(-1) , a reduced value with respect to the bulk material but that can be enhanced by further optimizing the film growth. The second step consists in ascertaining the ability of the cantilever to be used as resonator. For that purpose, first characterizations of oscillators have been performed to extract the resonant frequencies and the associated quality factors. Then, the resonant frequency shift with DC bias-induced stress was measured. Finally, a magnetostrictive layer of TbFeCo was added on the PZT cantilevers to sense magnetic field based on the ME effect. The resulting resonant frequency shift with external applied magnetic field was characterized with a typical sensitivity of 10's of µT. Keywords: Magneto-electric effect, piezoelectric, magnetostrictive materials, magnetic sensors, ME sensors.