Journées Scientifiques 2015 de l’URSISONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
Ph. TALBOT (*), A. FESSANT (**) et J. GIERALTOWSKI (***)
(*) Lab-STICC UMR CNRS 6285 – UEB(**) LMB – UEB(***) LDO-IUEM UMR CNRS 6538 – UEB
CAPTEURS ELECTROMAGNETIQUES A BASE DE CRISTAUX MAGNONIQUES POUR DES APPLICATIONS DANS LES DOMAINES
DU CND ET BIOMEDICAL
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Plan de l’exposé
Objectifs
Matériaux : YIG pur et YIG avec structures périodiques
Simulations électromagnétiques (HFSS)
Réalisation des lignes de transmission
Banc de test et mesures
Résultats expérimentaux
Conclusion et perspectives
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Objectifs
Conception et développement de capteurs innovants à haute sensibilité pour la mesure de champ magnétique faible à température ambiante
Techniques existantes :* Spectroscopie atomique (10-18 Tesla, attotesla)* SQUID (10-15 Tesla, femtotesla)* GMI ou GMR (10-9 à 10-12 Tesla, nano à picotesla)* Fluxgate (10-9 à 10-10 Tesla)
Capteurs à cristaux magnoniques avec une sensibilité espérée : 10-12
à 10-15 Tesla en concurrence avec la technique SQUID [1][1] Mitsuteru Inoue, Alexander Baryshev, Hiroyuki Takagi, Pang Boey Lim, Kohei Hatafuku, Josho Noda, and
Kenji Togo, Applied Physics Letters 98, (2011)132511
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Le YIG pur : Y3 Fe5 O12, YIG/GGG
Le YIG avec structures périodiques artificielles :
Gravé sur le YIG
Bandes d’or déposées
Capteurs à effet magnonique : Cristaux magnoniques YIG sur substrat GGG (EPL)
Matériaux réalisés à l’Université de Bialystok en Pologne (Professeur A. Maziewski )
5Excitations des Ondes de Spin Magnétostatiques de Surface (MSSW)
Pourquoi des Ondes de Spin Magnétostatiques ?* adaptée à la réalisation de capteur par utilisation de structures
périodiques artificielles (modulation)
* caractère non réciproque des MSSW idéal pour l’utilisation des hyperfréquences (YIG)
* Excitation des MSSW plus facile par lignes de transmission microruban
[2] A. V. Chumak, A A Serga and B. Hillebrands, YIG magnonics, Journal of Physics D : Applied Physics, 43, 2010.
6Simulations électromagnétiques (HFSS) : Ligne micro-ruban et structures "antennaires"
Ligne microruban : W=340 µm, longueur = 2,54 cm
Structure "antennaire" : W = 2,55 mm, 30 µm < W_ant. < 400 µm, Epaisseur_Ligne = 200 µm, Epaisseur_Ant = 100 µm
• Impédance des lignes = 50
Substrat (Taclamplus) : ’ = 2,1 – tan = 0,0008 (F = 10 GHz)Epaisseur du substrat : 1,117 mm
Substrat (Epoxy FR4) : ’ = 4,7 – tan = 0,014 (F = 1 MHz)Epaisseur du substrat = 1,52 mm
7Réalisation des Lignes de Transmission par Micro-Usinage et Photolithographie
Ligne micro-ruban(Taclamplus)
Structures "antennaires" (Epoxy FR4)
Dimensions géométriques : Largeur ligne = 2,55 mmEpaisseur Substrat = 1,52 mmLargeur Antenne = 400 µmEcart Antenne = 3, 5 et 9 mm
Dimensions : Largeur ligne = 340 µmEpaisseur Substrat = 1,1 mmEpaisseur Ligne = 17 µm
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Banc de test et mesures
9Résultats: Ligne micro-rubansur YIG pur (Substrat Taclamplus)
=> décalage en fréquence de l’ordre de 500 MHz pour Hdc d’environ 100 Oesoit 0,2 µOe/Hz => 2x10-11 Tesla (GMI et GMR)
Origine de l’absorption : gyrorésonance ou MSSW
10Résultats : Ligne micro-ruban et YIG avec structures périodiques (Substrat Alumine)
=> décalage en fréquence de l’ordre de 500 MHz pour Hdc d’environ 100 Oe soit 0,2 µOe/Hz
=> 2 x 10-11 Tesla
Ligne microruban : W=340 um, L= 2,54 mm, H=0,10 mmSubstrat (Alumine) : ’ = 9,8 – tan = 0,0008 (F = 10 GHz)
- décalage en fréquence (2,5 à 3,7 GHz) et amplitude (-1,5 à -11 dB) pour H = 500 Oe=> Effet des structures périodiques
- Mesures complémentaires (BLS : Brillouin Light Scattering technique)=> Discrimination des ondes de spin MSSW
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- Résultats expérimentaux cohérents avec ceux obtenus sur le YIG pur sur ligne microruban
- Sans structure périodique et pour une valeur de H de 500 Oe=> phénomène d’absorption largement atténué
Résultats : Structures "antennaires" sur YIG pur avec Substrat Epoxy FR4
Dimensions géométriques : Largeur ligne = 2,55 mmEpaisseur Substrat = 1,52 mmLargeur Antenne = 400 µmEcart Antenne = 5 mmPositionnement = central
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CONCLUSION et PERSPECTIVES Matériaux : YIG pur et YIG avec structures périodiques
Circuits : lignes micro-ruban et structures "antennaires"
Résultats expérimentaux : influence de la variation du champ magnétique surl’absorption
Mesures sur des YIG avec structures périodiques en structures "antennaires"
Optimisation des structures antennaires (écartement, nature du substrat, …)
Analyse des phénomènes physiques mis en jeu dans les structurespériodiques des cristaux magnoniques
=> Réalisation d’un démonstrateur de capteur à effet magnonique (résolution, sensibilité, bruit, …)
Merci de votre attention