Study and compensation of low frequencies thermal drift of high sensitive magnetometers based on Giant Magneto-Impedance (GMI) effect

Etude et réductiοn des dérives en température aux basses fréquences des magnétοmètres à haute sensibilité à base de Μagnetο-Ιmpédance Géante (ΜΙG) : réduction des fluctuations l'offset en température

Alexandre Esper (1)

1 Equipe Electronique - Laboratoire GREYC - UMR6072

The Giant Magneto-Impedance (GMI) effect is manifested by a strong variation in the impedance of a ferromagnetic conductor when an alternating current flows through it and it is submitted simultaneously to a variable magnetic field. Over the last few years, numerous research activities have been devoted to improving the field sensitivity of these devices. The values reached today make it possible to produce a very high sensitive magnetometer. However, only a few studies have investigated the temperature effects on the GMI material and its long-term stability. My thesis presents a detailed study of the temperature sensitivity of GMI magnetometers, and we proposed some methods to remedy the fluctuations induced by the temperature variation. Based on a theoretical model, an analytic study of the offset fluctuations generated by the temperature variations was carried out. This model takes into account the physic mechanisms involved when a temperature variation occurs, supposed to be the magnetic permeability and the electrical resistivity. From this modeling, a compensation technique for the different modes of operation has been proposed. Subsequently, a magnetometer prototype based on off-diagonal GMI wire was implemented to verify the effectiveness of the proposed method. The latter injects a double current modulation in the GMI sensitive element. The experimental results were compared to the classical configuration (simple modulation) and to the expected values. They show, on the one hand, the efficiency of this technique and, on the other hand, the coherence of the obtained results. A significant reduction in the GMI offset drift depending on temperature has been achieved, especially at very very low frequencies (< 10- 3 Hz) with a drift of - 1.8 nT/K for a temperature variation of 24 K, and a drift of 130 pT/h over 12 hours of acquisition.

L'effet Magnéto-Impédance Géante (MIG) se manifeste par une forte variation de l’impédance d’un conducteur ferromagnétique parcouru par un courant alternatif et soumis à un champ magnétique variable. Ces dernières années, de nombreuses activités de recherches ont porté sur l'accroissement de la sensibilité en champ de ces dispositifs. Les valeurs atteintes aujourd’hui permettent de réaliser un magnétomètre à très haute sensibilité. Cependant, peu d’études se sont intéressées aux effets de la variation de la température de MIG et à sa stabilité à long terme. Mon travail de thèse présente une étude détaillée de la sensibilité en température des magnétomètres MIG et des méthodes permettant de s’affranchir des fluctuations induites par la variation de cette température. Sur la base d’un modèle théorique, une étude analytique des fluctuations d’offset engendrées par les variations de température a été réalisée. Ce modèle prend notamment en compte les principaux mécanismes mis en jeu : supposés être la perméabilité magnétique et la résistivité électrique. À partir de cette modélisation, une technique de compensation pour les différents modes de fonctionnement a été proposée. Un prototype de magnétomètre basé sur un micro-fil MIG off-diagonal a été mis en œuvre afin de vérifier l’efficacité de la méthode proposée. Cette dernière met principalement en œuvre une double modulation en courant de l’élément sensible. Les résultats expérimentaux ont été comparés à la configuration classique (simple modulation) et aux valeurs attendues. Ils montrent d’une part l'efficacité de cette technique et d’autre part la cohérence des résultats obtenus. Soit une réduction importante des fluctuations d’offset en température, notamment aux très très basses fréquences (< 10-3 Hz) avec une dérive de -1,8 nT/K pour une variation en température de 24 K et une dérive de 130 pT/h sur 12 heures d’acquisition.

Mots clés: Magnetic sensor; Magnetometer; Measurement; Instrumentation; Prototype; Analytical model; Field sensitivity; Temperature sensitivity; Offset drift; Thermal stability

Mots clés: Capteur magnétique; Instrumentation; Modèle analytique; Sensibilité au champ; Sensibilité à la température; Dérive de l'offset; Stabilité thermique

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Alexandre Esper. Etude et réductiοn des dérives en température aux basses fréquences des magnétοmètres à haute sensibilité à base de Μagnetο-Ιmpédance Géante (ΜΙG) : réduction des fluctuations l'offset en température. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Normandie Université, 2019. Français. ⟨NNT : 2019NORMC247⟩. ⟨tel-02555537⟩