Anisotropic magnetoresistive sensor based on manganite oxide targeting biomedical application - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Anisotropic magnetoresistive sensor based on manganite oxide targeting biomedical application

Capteur magnétorésistif anisotrope à base de manganite pour des applications biomédicales

Résumé

This work presents the design, fabrication, characterization and ultimately the optimization of single layer magnetic field sensors based on the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect present in La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) thin films. The magnetic and electrical properties of this manganite oxide are linked through the double exchange mechanism. Thanks to the very low intrinsic noise of the material in the low frequency region, it presents itself as a competitive candidate for sensing magnetic fields targeting biomedical applications, such as the one envisioned by the European project ByAxon. The sensor must be of small size, operate at body temperature and achieve detectivity values in the range of hundreds of pT Hz-1/2 below 1 kHz. The fabrication of this AMR sensor is quite simple when comparing to giant magnetoresistance and tunneling magnetoresistance devices, and its operation is based on a step-induced uniaxial magnetic anisotropy explained using the Stoner-Wohlfarth model. This is obtained by growing epitaxial films with Pulsed Laser Deposition (PLD) technique on top of vicinal SrTiO3 (STO) substrates. To have the dominant contribution for the total electrical noise of the whole system coming from the sample itself, a low noise amplifier adapted to sample characteristics was built. Two Wheatstone bridge structures were etched in the LSMO thin films, presenting different current density directions regarding the easy magnetization axis. One structure is ruled by the planar Hall effect and presents a linear operation around zero magnetic field, whereas the second depends on standard AMR terms and requires a static bias field for correct operation. The operation mode of both structures was validated with Magneto-optical Kerr Effect imaging and fitting a numerical physical model to experimental data, which also allows the extraction of physical parameters. Several studies were performed in order to achieve lower detectivity values, thus improved performance: effect of thin film thickness, vicinal angle of the STO substrate, PLD deposition temperature and lithography masks designs variations. The sample with best low frequency performance presents 1.4 nT Hz-1/2 detectivity at 1 Hz and 240 pT Hz-1/2 at 1 kHz, while working at 310 K. Some samples were mounted on printed circuit boards with wire bonding, and covered with polydimethylsiloxane, a biocompatible polymer. Characterization with alternating and inhomogeneous magnetic fields was performed, and different gradiometer arrangements were validated. No live records of magnetic fields emitted by spontaneous activity of incubated neuronal cells were obtained by the time this thesis was concluded, however this work presents a real application of a spintronics device based on a functional oxide and pushes further development in this growing area of new technologies.
Cette thèse est dédiée au design, à la fabrication, la caractérisation et finalement l'optimisation de capteurs de champ magnétique monocouche, basés sur l'effet magnétorésistif anisotrope (AMR) dans des couches minces de La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Les propriétés magnétiques et électriques de cet oxyde sont liées par le mécanisme de double échange. Grâce à son très bas bruit intrinsèque dans le domaine basse fréquence, ce matériau se présente comme un candidat compétitif pour détecter des champs magnétiques avec pour cible potentielle des applications biomédicales, comme cela est par exemple envisagé dans le projet européen ByAxon. Dans ce projet, le capteur doit présenter une taille réduite, fonctionner à la température du corps humain et atteindre des valeurs de détectivité de quelques centaines de pT Hz-1/2 en dessus de 1 kHz. La fabrication de ce capteur AMR est simple comparée aux dispositifs basés sur la magnétorésistance géante ou la magnétorésistance à effet tunnel, et son mode opératoire utilise l'anisotropie magnétique uniaxiale et est décrite par le modèle de Stoner-Wohlfarth. Une telle anisotropie uniaxiale est obtenue via la croissance épitaxiale par ablation laser pulsé de couches minces sur des substrats SrTiO3 vicinaux. Afin d'avoir un bruit de mesure inférieur au bruit propre de l'échantillon, un circuit de pré-amplification à très bas bruit et adapté aux caractéristiques des échantillons a été conçu. Deux structures de pont de Wheatstone ont été gravées sur les couches minces de LSMO, avec différentes orientations pour la densité de courant par rapport à l'axe facile. Une structure est régie par l'effet Hall planaire et présente une opération linéaire en champ nul, et la deuxième structure est régie par la magnétorésistance anisotrope classique et a besoin d'un champ statique de polarisation. Le principe physique qui régit les deux structures a été validé par imagerie magnéto-optique à effet Kerr et par ajustement d'un modèle numérique à des données expérimentales. Ce qui permet aussi l'extraction des paramètres physiques du dispositif. Plusieurs études ont été réalisés pour réduire la détectivité, c'est-à-dire améliorer la performance: étude de l'effet de l'épaisseur des couches, de l'angle vicinal du substrat, de la température de dépôt et de la géométrie des dispositifs. L'échantillon le plus performant en basse fréquence atteint une détectivité de 1.4 nT Hz-1/2 à 1 Hz, et 240 pT Hz-1/2 à 1 kHz. Des échantillons sélectionnés ont été connectés sur des plaques de circuit imprimé par wire bonding et recouverts de polydimethylsiloxane, un polymère biocompatible. Des caractérisations sous champs magnétiques alternatifs et inhomogènes ont été réalisées, et différentes configurations gradiométriques ont été validées. L'enregistrement en direct du champ magnétique émis par l'activité spontanée de cellules neuronales n'a pas été obtenu à la date de rédaction de ce manuscrit. Cependant ce travail présente une application réelle d'un dispositif spintronique basé sur un oxyde fonctionnel et constitue une contribution au développement de ces nouvelles technologies.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03609152 , version 1 (15-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03609152 , version 1

Citer

Luiz Guilherme Enger. Anisotropic magnetoresistive sensor based on manganite oxide targeting biomedical application. Automatic Control Engineering. Normandie Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021NORMC257⟩. ⟨tel-03609152⟩
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