Développement d'un magnétomètre miniature exploitant un résonateur MEMS et une structure multicouche de matériaux magnétiques

Conception of a micro-magnetometer based on a MEMS resonator and a stack of magnetic materials

• Auteur / Autrice : Charles Mauc
• Direction : Johan Moulin, Thomas Perrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Mazaleyrat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Legrand, Nora Dempsey, Gaëlle Lissorgues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Legrand, Nora Dempsey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs à quartz

Matériaux -- Propriétés magnétiques

Couches minces

Magnétomètres

Éléments finis, Méthode des

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Magnétomètre

MEMS

Résonateur

Couches minces

Magnétisme

Modélisation

Magnetometer

MEMS

Resonator

Thin films

Magnetism

Modelling

Résumé

Les outils de navigation modernes utilisant des satellites s'avèrent très efficaces mais ne sont pas toujours disponibles par manque de réseau ou par choix géopolitique. Il est alors nécessaire de pouvoir naviguer de manière autonome. Pour ce faire, des cellules inertielles compactes composées de d'accéléromètres et de gyromètres sont utilisées. Cependant, du fait des intégrations successives pour remonter à la position ainsi qu'au cap, des biais et dérives de biais de mesures sont introduits, rendant erronés les mesures sur le long terme. Pour corriger ces biais, il est possible d'associer aux accéléromètres et aux gyromètres des magnétomètres (navigation magnéto-inertielle) permettant l'estimation de la vitesse par la mesure du gradient local du champ magnétique terrestre ou bien permettant l'identification du nord magnétique terrestre pour recaler le cap périodiquement. Les travaux réalisés dans cette thèse ont pour but de concevoir et caractériser un magnétomètre se basant sur un résonateur MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) en quartz et une structure multicouche de matériaux magnétiques permettant d'adresser les applications de la navigation magnéto-inertielle. Parmi les critères d'intérêt, il doit avoir une une résolution inférieure à 10nT ainsi qu'être le moins sensible possible aux grandeurs inertielles. Dans le deuxième chapitre, grâce à des simulations numériques exploitant la méthode des éléments finis, nous avons conçu un design de magnétomètre exploitant le couple magnétostatique induit par l'interaction entre le champ d'induction magnétique extérieur et le moment magnétique unidirectionnel des matériaux magnétiques. Ce couple entraine l'apparition de deux forces égales en norme mais opposées en sens sur deux poutres résonants en flexion. La mesure différentielle des fréquences de résonances des deux poutres évoluant en sens opposés est directement proportionnelle à une composante du champ magnétique extérieur. Nous avons optimisé le design de la structure pour trouver le meilleur compromis entre grande sensibilité au champ magnétique et faible sensibilité à l'accélération et à la vitesse de rotation. Dans les simulations numériques, nous avons fait l'hypothèse d'un grand moment magnétique unidirectionnel des matériaux magnétiques utilisés. Dans le troisième chapitre, qui a pour but de satisfaire au mieux cette hypothèse, nous avons élaboré une structure multicouche composée d'une alternance de matériaux ferromagnétique (FeCo) et antiferromagnétique (NiMn) qui, traitée thermiquement sous champ magnétique, acquiert une anisotropie d'échange unidirectionnelle. La valeur, la direction et la stabilité du moment magnétique de cette structure multicouche affectent directement la sensibilité du magnétomètre au champ magnétique. Après des caractérisations physico-chimique de l'empilement, nous avons identifié les paramètres géométriques (épaisseur et nombre des couches, anisotropie de forme), et d'élaboration (durée et température du traitement thermiques) permettant assurer une sensibilité au champ magnétique nominale. Dans le dernier chapitre, nous avons fabriqué le résonateur en quartz dimensionné au chapitre 2, déposé les matériaux magnétiques sur les emplacements adéquats et nous l'avons intégré avec son électronique de proximité. Après avoir validé son principe de fonctionnement, nous avons mesuré sa résolution, ses sensibilités à la température et à l'accélération. Ces caractérisations nous ont permis de mettre en évidence un phénomène limitant, non prévu initialement, qui dégrade les performances du capteur, en particulier sa résolution.

Modern navigation tools using satellites are very efficient but are not always available due to lack of network or geopolitical choice. It is then necessary to be able to navigate autonomously. In order to do this, we use compact inertial cells combining accelerometers and gyros. However, because of the successive integrations to get the position and the direction, biases and drifts of biases of measurements are introduced, making long-term erroneous measurements. To correct these biases, it is possible to associate magnetometers (magneto-inertial navigation) to accelerometers and gyros, allowing the estimation of the speed by measuring the local gradient of the earth's magnetic field or allowing the identification of the earth's magnetic north in order to periodically recalibrate the heading. The purpose of this thesis is to design and characterize a magnetometer based on a quartz MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) resonator and a multilayer of magnetic materials for magneto-inertial navigation applications. Among the criteria of interest, it must have a resolution lower than 10nT as well as being the least sensitive to acceleration and rotation speed. In the second chapter, using to finite element simulations, we designed a magnetometer exploiting the magnetostatic torque induced by the interaction between the external magnetic induction field and the unidirectional magnetic moment of the magnetic materials. This torque leads to the appearance of two forces equal in norm but opposite in direction on two resonant beams in bending. The differential measurement of the resonance frequencies of the two beams moving in opposite directions is directly proportional to a component of the external magnetic field. We have optimized the design of the structure to find the best compromise between high sensitivity to the magnetic field and low sensitivity to acceleration and rotation speed. In the numerical simulations, we assumed a large and unidirectional magnetic moment of the magnetic materials. In the third chapter, which aims to satisfy this assumption, we developed a multilayer structure composed of alternating ferromagnetic material (FeCo) and antiferromagnetic material (NiMn) which, when annealed under a magnetic field, acquires a unidirectional exchange anisotropy. The value, direction and stability of the magnetic moment of this multilayer structure directly affect the sensitivity of the magnetometer to the magnetic field. After physico-chemical characterizations of the multilayer, we identified the geometrical parameters (thickness and number of layers, shape anisotropy), and processing parameters (duration and temperature of the heat treatment) to ensure a nominal magnetic field sensitivity. In the last chapter, we manufactured the quartz resonator designed in chapter 2, deposited the magnetic materials on the planned locations and integrated it with its proximity circuit. After having validated its operating principle, we measured its resolution, its sensitivities to temperature and to acceleration. These characterizations allowed us to highlight a limiting phenomenon, not initially foreseen, which degrades the performances of the sensor, in particular its resolution.