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