CAPTEURS ELECTROMAGNETIQUES A BASE DE CRISTAUX MAGNONIQUES POUR DES APPLICATIONS DANS LES DOMAINES DU CND ET BIOMEDICAL

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1 Journées Scientifiques 2015 de l URSI SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES CAPTEURS ELECTROMAGNETIQUES A BASE DE CRISTAUX MAGNONIQUES POUR DES APPLICATIONS DANS LES DOMAINES DU CND ET BIOMEDICAL Ph. TALBOT (*), A. FESSANT (**) et J. GIERALTOWSKI (***) (*) Lab-STICC UMR CNRS 6285 UEB (**) LMB UEB (***) LDO-IUEM UMR CNRS 6538 UEB

2 Plan de l exposé 2 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

3 Objectifs 3 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 Tesla, nano à picotesla) * Fluxgate (10-9 à Tesla) Capteurs à cristaux magnoniques avec une sensibilité espérée : à 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

4 Capteurs à effet magnonique : Cristaux magnoniques YIG sur substrat GGG (EPL) 4 Le YIG pur : Y3 Fe5 O12, YIG/GGG Le YIG avec structures périodiques artificielles : Gravé sur le YIG Bandes d or déposées Matériaux réalisés à l Université de Bialystok en Pologne (Professeur A. Maziewski )

5 Excitations des Ondes de Spin Magnétostatiques de Surface (MSSW) 5 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.

6 Simulations électromagnétiques (HFSS) : 6 Ligne micro-ruban et structures "antennaires" Ligne microruban : W=340 µm, longueur = 2,54 cm Substrat (Taclamplus) : = 2,1 tan = 0,0008 (F = 10 GHz) Epaisseur du substrat : 1,117 mm Structure "antennaire" : W = 2,55 mm, 30 µm < W_ant. < 400 µm, Epaisseur_Ligne = 200 µm, Epaisseur_Ant = 100 µm Substrat (Epoxy FR4) : = 4,7 tan = 0,014 (F = 1 MHz) Epaisseur du substrat = 1,52 mm Impédance des lignes = 50

7 Réalisation des Lignes de Transmission par Micro-Usinage et Photolithographie 7 Structures "antennaires" (Epoxy FR4) Ligne micro-ruban (Taclamplus) Dimensions : Largeur ligne = 340 µm Epaisseur Substrat = 1,1 mm Epaisseur Ligne = 17 µm Dimensions géométriques : Largeur ligne = 2,55 mm Epaisseur Substrat = 1,52 mm Largeur Antenne = 400 µm Ecart Antenne = 3, 5 et 9 mm

8 Banc de test et mesures 8

9 Résultats: Ligne micro-ruban sur YIG pur (Substrat Taclamplus) 9 Origine de l absorption : gyrorésonance ou MSSW => décalage en fréquence de l ordre de 500 MHz pour H dc d environ 100 Oe soit 0,2 µoe/hz => 2x10-11 Tesla (GMI et GMR)

10 Résultats : Ligne micro-ruban et YIG avec structures périodiques (Substrat Alumine) 10 Ligne microruban : W=340 um, L= 2,54 mm, H=0,10 mm Substrat (Alumine) : = 9,8 tan = 0,0008 (F = 10 GHz) => décalage en fréquence de l ordre de 500 MHz pour H dc d environ 100 Oe soit 0,2 µoe/hz => 2 x Tesla - 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

11 Résultats : Structures "antennaires" sur YIG pur avec Substrat Epoxy FR4 11 Dimensions géométriques : Largeur ligne = 2,55 mm Epaisseur Substrat = 1,52 mm Largeur Antenne = 400 µm Ecart Antenne = 5 mm Positionnement = central - 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

12 CONCLUSION et PERSPECTIVES 12 Matériaux : YIG pur et YIG avec structures périodiques Circuits : lignes micro-ruban et structures "antennaires" Résultats expérimentaux : influence de la variation du champ magnétique sur l 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 structures périodiques des cristaux magnoniques => Réalisation d un démonstrateur de capteur à effet magnonique (résolution, sensibilité, bruit, )

13 Merci de votre attention