Possibilités d'application des couches minces magnétiques à la détection des champs magnétiques faibles

Abstract
We have made a study on the possible applications of thin ferromagnetic films, used as sensitive elements, to the detection of very small magnetic fields. The films, during their evaporation under vacuum, were submitted to a magnetic field, thus inducing a uniaxial anisotropy parallel to an axis in their plane, called the easy axis. Their use as field detectors can be explained thus [2, 3] : the magnetization of the film, either along the easy or hard axis is submitted to a 100 kHz sinusoidal magnetic field, large if compared to the coercitive or anisotropy fields ; detection is made through a coil at right angle to the applied field. In the presence of an ambient field, the induced signal in the pick-up coil shows both the direction and intensity of the axial component of this field. Low frequency fluctuations of the detected signal sets the threshold to 5 × 10-6 Oe; we have set the bandwith to 5 Hz but we can bring it up to 50 kHz. The apparatus that we will describe has the advantages of requiring low operating power (450 mW) and small physical dimensions. Emphasis was to minimize noise and optimize stability ; thus the limitating residual fluctuations are essentially those of the films themselves. For example a minimum Signal Noise Ratio is obtained for those with a minimum dispersion of the easy and anisotropy axis. Several structures were studied : polycristalline or epitaxial and coupled FeNi films. The observed fluctuations may be due either to a general property of ferromagnetic materials (thermal fluctuation, magnetic aftereffect) or to properties inherent to thin films (inhomogeneities, non coherent rotation).

Résumé
Nous avons effectué une étude sur les possibilités d'application des couches minces ferromagnétiques comme élément sensible à la détection des champs magnétiques très faibles. Les couches minces ont été préparées par évaporation sous vide en présence d'un champ magnétique et possèdent donc une anisotropie induite uniaxiale dans leur plan dont l'axe est appelé axe de facile aimantation. Le principe d'application, déjà connu [2, 3], repose sur la base suivante : un champ magnétique sinusoïdal (100 kHz) d'amplitude grande devant le champ coercitif ou le champ d'anisotropie de la couche mince, excite l'aimantation de celle-ci le long de son axe facile ou de son axe difficile, la détection se fait par une bobine placée perpendiculairement au champ d'excitation. En présence d'un champ magnétique ambiant, la tension induite dans la bobine de détection indique la direction et la grandeur de la composante axiale de ce champ. Nous avons été limités par suite des fluctuations basse fréquence du signal détecté à la mesure de 5 × 10-6 Oe qui constitue actuellement le plus petit champ détectable par ce montage ; la bande passante était volontairement limitée à 5 Hz, mais le montage permettrait de mesurer des champs de haute fréquence jusqu'à 50 kHz. Nous décrirons le dispositif expérimental ainsi réalisé dont les avantages sont la faible consommation (450 mW) et le faible encombrement. Nous nous sommes attachés à diminuer au maximum la dérive et le bruit de l'électronique. Ainsi les fluctuations résiduelles qui limitent actuellement la mesure proviennent des couches utilisées. Parmi celles-ci, le rapport signal sur bruit optimum est obtenu pour les valeurs les plus faibles de la dispersion de l'axe facile et du champ d'anisotropie. Diverses structures magnétiques ont été étudiées, en particulier des films de FeNi polycristallins ou épitaxiaux, des films couplés. Les fluctuations observées peuvent avoir deux origines, soit une propriété générale des ferromagnétiques (fluctuation thermique, traînage), soit des effets particuliers aux structures en couches minces (inhomogénéités, basculement incohérent).