Le principe de ce dispositif électronique est intéressant notamment pour le marché grand public, l’automobile et l’industrie en général. La mesure de champ se fait par la détection de transitions périodiques entre deux états de résistance, soit par une mesure directe du temps ou une conversion par modulation de largeur d’impulsion. C’est une alternative aux capteurs magnétiques classiques à effet hall ou magnéto-résistif. Le capteur magnétique est conçu à partir de jonction tunnel utilisant l’effet de transfert de spin, un composant élémentaire développé pour une mémoire non-volatile, mais habilement mis à profit ici dans un autre contexte. Sa dimension nanométrique est d’une taille plusieurs milliers de fois plus petite comparée aux autres capteurs à effet hall ou à magnétorésistance. Dans une première itération, le capteur montre déjà des performances comparables : une gamme de détection de 80 mT, une bande de fréquence de 30 kHz, et un très faible niveau de bruit. Tous les composants électroniques utilisés sont standards pour faciliter une intégration dans un circuit intégré.
Un inconvénient des capteurs magnétiques conventionnels est que leur fonctionnement implique un compromis entre l'amplitude du signal et la force du champ magnétique à mesurer ; ainsi les capteurs à haute sensibilité ont une gamme de mesure limitée. Pour rappel, la sensibilité du capteur dépend de la variation de résistance par unité de champ magnétique ; et la gamme du capteur est la plage de résistance où la mesure de champ magnétique reste linéaire.
Les chercheurs de l’Irig [collaboration] ont développé un capteur basé sur une jonction tunnel magnétique à couple de transfert de spin. Grâce au principe physique de ce dernier, la détection, n'est plus limitée par la précision de la mesure de la résistance. En effet, les changements de résistance entre deux valeurs haut et bas de la jonction sont mesurés à l’aide une tension périodique sinusoïdale ou triangulaire appliquée. La tension à laquelle la jonction change d'état varie donc linéairement avec le champ appliqué.
Deux modes de détection du champ magnétique sont possibles : une conversion de temps pour trouver les tensions de commutation ou une modulation d’un signal par les transitions de résistance. Le mode de modulation a permis d'obtenir un bruit plus faible et une meilleure résolution de la mesure, grâce à une électronique de détection plus performante. Les principaux avantages du capteur proposé sont sa petite taille, donc une faible consommation d'énergie et un encombrement réduit de l'électronique de conditionnement. La plage de détection peut être plus large que celle des autres capteurs magnétiques, car la détectivité n'est plus limitée par la portée du champ. De plus, ce capteur est insensible aux champs intenses qui causent des dommages irréversibles aux capteurs magnéto-résistifs. La conception de ce capteur est similaire aux cellules de mémoire magnétique à jonction tunnel STT MRAM dont la technologie est déjà mature, ce qui permet l'intégration du capteur dans les circuits CMOS. Ainsi sa production en masse peut être réalisées dans les fonderies de MRAM avec peu de changement.
Les performances du capteur n'atteignent pas encore le niveau des capteurs magnétiques commercialisés. Mais des améliorations simples de l'élément de détection ou de l'électronique de conditionnement sont en cours pour réduire encore le niveau de bruit. Ce type de capteur pourrait trouver des applications dans divers domaines, depuis les applications industrielles jusqu'au domaine médical, intégré dans une puce, ou en réseau de détecteurs pour réaliser des images 2D.
Image par microcopie électronique d'une jonction tunnel magnétique de diamètre 50nm. Credit CEA
Collaboration : University of Applied Sciences Northwestern, Suisse, et ICube (Université de Strasbourg)
Avec le soutien financier du Swiss Nanoscience Institute (No. A16.10), ERC-2020-PoC (MAGALIGN No. 963895)