Capteur magnétorésistif anisotrope à base de manganite pour des applications biomédicales
Auteur / Autrice : | Luiz Guilherme Enger |
Direction : | Stéphane Flament |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes |
Date : | Soutenance le 14/12/2021 |
Etablissement(s) : | Normandie |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen) |
Partenaire(s) de recherche : | établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....) |
Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image, automatique et instrumentation de Caen (1995-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Laurent Daniel |
Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Flament, Myriam Pannetier-Lecœur, Claire Baraduc, Susana Cardoso de Freitas, Hervé Gilles, Laurence Méchin, Paolo Perna | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Pannetier-Lecœur, Claire Baraduc |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Cette thèse est dédiée au design, à la fabrication, la caractérisation et finalement l'optimisation de capteurs de champ magnétique monocouche, basés sur l'effet magnétorésistif anisotrope (AMR) dans des couches minces de La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Les propriétés magnétiques et électriques de cet oxyde sont liées par le mécanisme de double échange. Grâce à son très bas bruit intrinsèque dans le domaine basse fréquence, ce matériau se présente comme un candidat compétitif pour détecter des champs magnétiques avec pour cible potentielle des applications biomédicales, comme cela est par exemple envisagé dans le projet européen ByAxon. Dans ce projet, le capteur doit présenter une taille réduite, fonctionner à la température du corps humain et atteindre des valeurs de détectivité de quelques centaines de pT Hz-1/2 en dessus de 1 kHz. La fabrication de ce capteur AMR est simple comparée aux dispositifs basés sur la magnétorésistance géante ou la magnétorésistance à effet tunnel, et son mode opératoire utilise l'anisotropie magnétique uniaxiale et est décrite par le modèle de Stoner-Wohlfarth. Une telle anisotropie uniaxiale est obtenue via la croissance épitaxiale par ablation laser pulsé de couches minces sur des substrats SrTiO3 vicinaux. Afin d'avoir un bruit de mesure inférieur au bruit propre de l'échantillon, un circuit de pré-amplification à très bas bruit et adapté aux caractéristiques des échantillons a été conçu. Deux structures de pont de Wheatstone ont été gravées sur les couches minces de LSMO, avec différentes orientations pour la densité de courant par rapport à l'axe facile. Une structure est régie par l'effet Hall planaire et présente une opération linéaire en champ nul, et la deuxième structure est régie par la magnétorésistance anisotrope classique et a besoin d'un champ statique de polarisation. Le principe physique qui régit les deux structures a été validé par imagerie magnéto-optique à effet Kerr et par ajustement d'un modèle numérique à des données expérimentales. Ce qui permet aussi l'extraction des paramètres physiques du dispositif. Plusieurs études ont été réalisés pour réduire la détectivité, c'est-à-dire améliorer la performance: étude de l'effet de l'épaisseur des couches, de l'angle vicinal du substrat, de la température de dépôt et de la géométrie des dispositifs. L'échantillon le plus performant en basse fréquence atteint une détectivité de 1.4 nT Hz-1/2 à 1 Hz, et 240 pT Hz-1/2 à 1 kHz. Des échantillons sélectionnés ont été connectés sur des plaques de circuit imprimé par wire bonding et recouverts de polydimethylsiloxane, un polymère biocompatible. Des caractérisations sous champs magnétiques alternatifs et inhomogènes ont été réalisées, et différentes configurations gradiométriques ont été validées. L'enregistrement en direct du champ magnétique émis par l'activité spontanée de cellules neuronales n'a pas été obtenu à la date de rédaction de ce manuscrit. Cependant ce travail présente une application réelle d'un dispositif spintronique basé sur un oxyde fonctionnel et constitue une contribution au développement de ces nouvelles technologies.