Brevet FR2693021A1 — publié le 19931231

DéTECTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE L'invention concerne un détecteur de champ magnétique et notamment un détecteur de champ magnétique à effet magnétorésistif, à savoir un détecteur utilisant la variation de résistivité d'une partie au moins du détecteur en fonction d'une variation de champ magnétique auquel est soumise cette partie de capteur. Des capteurs utilisant l'effet magnétorésistif sont mis en oeuvre dans divers systèmes de lecture d'enregistrement magnétique. Ces capteurs sont réalisés en un alliage ferromagnétique à forte magnétorésistance qui est placé dans le circuit magnétique d'une tête de lecture. Dans ce cas, on détecte les variations de la résistance électrique du capteur lors du passage de la bande. Les alliages à forte magnétorésistance actuellement utilisés sont en général des alliages ferromagnétiques à base de nickel, tels que les alliages de type NiFe ou NiCo, pour lesquels la magnétorésistance à température ambiante correspond à une variation de résistance de quelques pour cent. Dans des capteurs plus récents, I'élément sensible du capteur est constitué par une multicouche métallique magnétique monocristalline formée d'un empilement de couches d'un matériau magnétique, la multicouche étant réalisée de telle sorte que les couches en matériau magnétique présentent une situation de type anti-ferromagnétique en l'absence de champ extérieur et que la transition entre l'état d'arrangement anti-parallèle et l'état d'arrangement parallèle se réalise sur un intervalle de champ magnétique faible. Ainsi, en utilisant certains types de matériaux magnétiques et non magnétiques, associés selon une structure spécifique, on a pu observer une magnétorésistance géante se produisant dans un domaine de champ restreint, ce qui permet donc son utilisation comme élément sensible d'un capteur à effet magnétorésistif. Cette forte magné toré sistance observée notamment dans le cadre des multicouches métalliques magnétiques telles que Fe/Cr est due à la transition sous champ magnétique entre les deux états d'aimantation du système, à savoir l'état où l'alternance des aimantations des couches magnétiques est anti-parallèle et l'état où toutes ces aimantations sont parallèles. Le principal inconvénient de ces capteurs reste la haute valeur du champ magnétique H nécessaire pour faire s transiter les aimantations de ltétat anti-parallèle à l'état parallèle. En effet, la sensibilité du capteur se mesure par la pente de variation de la magnétorésistance en fonction du champ magnétique. La valeur élevée de H relativise l'avantage que s constitue la magnétorésistance géante de ces matériaux. L'objet de l'invention est d'obtenir un capteur de type magnétorésistif sensible à de très faibles champs magnétiques. L'invention concerne donc un détecteur de champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une alternance de couches en matériau magnétique et de couches en matériau non magnétique, une ou plusieurs ouvertures traversant l'alternance de couches, au moins deux électrodes placées sur des flancs de l'alternance de couches, en vis-à-vis l'une de l'autre par rapport à l'alternance de couches de telle façon qu'au moins un chemin électrique puisse exister entre les deux électrodes. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent - les figures la, lb et 2, un exemple de réalisation simplifié du dispositif selon l'invention - la figure 3, une vue en perspective du dispositif de l'invention; - la figure 4, un dispositif dans lequel les ouvertures sont des rainures - la figure 5, une figure explicative concernant les ouvertures - la figure 6, une variante de réalisation dans laquelle les ouvertures sont de forme polygonale - la figure 7, une variante de réalisation dans laquelle les ouvertures sont remplies d'un matériau non magnétique ou magnétique afin de modifier les propriétés de couplage entre les couches magnétiques. L'invention permet de réaliser un capteur de champs magnétiques faibles à effet magnétorésistif et à couplage latéral supplémentaire en utilisant pour le capteur un matériau à base de multicouches. Le matériau représenté en figure la est une multicouche constituée de couches alternées de matériaux magnétiques 1, 1', l" et non magnétiques 2, 2', 2". Dans l'application considérée, le matériau est gravé de manière à obtenir des flancs qui permettent alors un couplage latéral supplémentaire entre les différentes couches magnétiques de la multicouche (figure lb). L'invention consiste à graver l'élément magnétorésistif du capteur, avec des motifs créant des discontinuités dans la structure. Ces discontinuités peuvent avoir la double action, d'une part de modifier le processus de déplacement des parois des domaines magnétiques, et d'autre part d'introduire un couplage supplémentaire dans le cas où le film composant le capteur est à base de matériau multicouches. Les deux effets ont pour conséquence une modification du champ pour lequel la magnétorésistance de la couche est maximale. Cela peut améliorer alors la sensibilité en champ magnétique des capteurs magnétorésistifs. La figure 2 montre un exemple de motif gravé permettant d'augmenter la magnétorésistance à faible champ. Dans cet exemple les parois des domaines magnétiques sont bloquées par les motifs de gravure. Les grains délimités par ces parois forment des monodomaines magnétiques. Cette collection de gros moments magnétiques est connue pour sa forte susceptibilité en champs faibles, en d'autres termes le système réagit à des champs plus faibles. La figure 3 représente une vue en perspective du capteur selon l'invention permettant de situer les éléments du capteur les uns par rapport aux autres. On trouve, dans ce capteur, l'empilement de couches 1, 2, 1', 2',... et les ouvertures tels que 5 traversant ces couches. De façon préférentielle, les ouvertures sont sensiblement perpendiculaires aux plans des couches 1 à 2'. Sur les flancs 6 et 7 des couches l à 2' sont situées des électrodes 3 et 4 permettant de connecter un appareil (non représenté) pour mesurer la résistance des couches 1 à 2' selon le plan de ces couches. Les couches 1, l' étant en matériau magnétique et les couches 2, 2' étant en matériau non magnétique il existe un couplage anti-ferromagnétique entre les couches l et 1'. En l'absence d'application de champ magnétique la résistance mesurée entre les électrodes est minimale. Sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, le champ magnétique dans les différentes couches en matériau magnétique s 'aligne selon la direction de ce champ magnétique et la résistance entre les électrodes augmente. De préférence, il faut que ce champ magnétique possède une composante de valeur importante située parallèlement aux plans des couches. Les ouvertures telles que 5 peuvent avoir des formes différentes de façon à réaliser dans les couches des ouvertures de formes différentes. C'est ainsi que les ouvertures peuvent être réalisées sous forme de bandes comme cela est représenté en figure 4. Sur cette figure, les ouvertures sous forme de bandes joignent les deux électrodes 3 et 4. Cependant, elles pourraient s'arrêter avant les flancs 6 et 7 qui portent les électrodes. Dans le cas de ces bandes, la force de couplage dépend de la largeur des bandes et de l'épaisseur des couches magnétiques : par exemple, en considérant des bandes de 5 pin de large, avec des couches individuelles de fer de 2nm d'épaisseur, séparées par des couches non magnétiques de même épaisseur, le couplage latéral entre les couches est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel dispositif, les couches sont en l'absence de champ magnétique dans un alignement anti-parallèle. Il faut un champ de 100 Oe pour les placer dans un alignement parallèle et donc obtenir la magnétorésistance maximale. 1l est important de noter que la force du couplage est directement reliée à la longueur des bords des discontinuités, rapportée à la surface de l'échantillon. Ainsi, pour un motif de gravure du type de celui de la figure 1, c'est le périmètre des trous qui détermine la force de ce couplage. Le principe de l'invention s'applique d'une part aux multicouches présentant en l'absence de gravure, un couplage de type ferromagnétique entre les couches magnétiques, et d'autre part lorsque les couches magnétiques ne sont pas couplées entre elles, comme c'est le cas dans les systèmes Fe/Ag, Co/Ag. Dans le premier cas, les paramètres des motifs gravés seront calculés pour que le couplage anti-ferromagnétique supplémentaire annule juste le couplage ferromagnétique afin que la résultante des deux soit un faible couplage de type anti-ferromagnétique. Dans le second cas, le couplage pourra être aussi faible que voulu. I1 est à noter toutefois, que dans les deux cas, le couplage résultant de type anti-ferromagnétique doit être supérieur à toutes les autres énergies magnétiques mises en jeu dans les couches minces ; l'anisotropie, et la coercivité, etc... Dans les meilleurs systèmes cette valeur limite peut être de l'ordre du Gauss. L'intérêt essentiel de la présente invention provient de la grande maniabilité du type de couplage considéré. En effet, il est possible de diminuer ou d'augmenter la force du couplage simplement en faisant varier la forme des motifs de gravure, la longueur des flancs, ou l'espacement entre les couches magnétiques successives du matériau multicouche. Comme en plus des couplages sus-cités, il existe un couplage direct entre les morceaux de film situés de part et d'autre d'un motif de gravure (figure 5) agissant jusqu'à des distances de l'ordre de quelques microns, il est possible d'ajuster le couplage en faisant varier la largeur d des ouvertures. La forme des flancs de découpe peut être optimisée pour augmenter les interactions entre les différentes parties du matériau séparées pas les ouvertures. I1 est alors important de définir des angles inférieurs à 90 degrés afin de permettre aux lignes de champs de se refermer. Dans l'exemple de réalisation de cette extension de l'invention, présentée sur la figure 6, des motifs poligonaux présentant des angles à sensiblement 60 degrés créent un champ de fuite sur les lignes de transport de courant. Dans un autre prolongement de l'invention, il est possible de modifier la force du couplage supplémentaire latéral, en remplissant les trous de gravure par un matériau 9 dont la perméabilité magnétique est différente de celle de l'air (figure 7). Le matériau peut être non magnétique mais il peut également être magnétique suivant que l'on désire renforcer ou diminuer le couplage. REVENDICATIONS 1. Détecteur de champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une alternance de couches en matériau magnétique (1, 1t 1") et de couches en matériau non magnétique (2, 2', 2"), une ou plusieurs ouvertures (5) traversant l'alternance de couches, au moins deux électrodes (3, 4) placées sur des flancs de l'alternance de couches, de telle façon qu tau moins un chemin électrique puisse exister entre les deux électrodes. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (3, 4) sont placées sur deux flancs opposés de l'alternance de couches en vis-à-vis l'une de l'autre par rapport à l'alternance de couches. 3. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures (5) ont leur section parallèle au plan des couches, de forme circulaire ou polygonale. 4. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ouvertures ont leur section de forme sensiblement carrée. 5. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures sont des découpes allongées non parallèles au plan des électrodes. 6. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures joignent sensiblement les deux électrodes. 7. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures sont perpendiculaires au plan des électrodes. 8. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ouverture comporte un matériau (9) et dont la perméabilité magnétique est supérieure à celle de l'air. 9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau (9) de chaque ouverture est un matériau non magnétique 10. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau (9) de chaque ouverture est un matériau magnétique.