Implementation and optimization of high sensitivity magnetic sensor based on magneto-electric hetero-structures
Etude et mise en oeuvre de capteurs magnétiques à très haute sensibilité à base d'hétérostructures Magnéto(Elasto)Electriques
Résumé
The purpose of this dissertation was to study and to optimize magnetic sensors based on magnetoelectric (ME) composites and associated detection units for noise reduction.
It is to take those first critical steps of understanding the origins of different noise sources and their interactions with the detection system. The analysis has been made especially by measuring the equivalent magnetic noise spectral density.
Next step, the study on the ME sensor with constitutive equations, contribution of various noise sources and the amplification system allows establishing a complete electro-mechanical model of sensors under research. Various numerical simulations drawn from this model allow estimating the observed phenomena, improving sensor performances and adapting to the electronic implementation for best.
Therefore, this work allows optimizing the achieved device by considering the geometry and the properties of magnetostrictive and piezoelectric materials implemented in ME sensors. The lowest noise performance is 5 pT/√Hz at 1 Hz for achieved ME sensors.
L'objectif de ce travail de thèse est l’étude et l'optimisation des performances en bruit de capteurs magnétiques réalisés à l’aide de composites magnéto(élasto)électrique (ME).
Une première étape a permis de comprendre l’origine des différentes sources de bruit et leurs interactions avec le système de détection. Cette analyse a été effectuée notamment par la mesure de densités spectrales de bruit magnétique équivalent (BME).
Puis, l’étude des équations constitutives du capteur ME, des diverses contributions en bruit et de la chaine d’amplification, a permis d’établir un modèle électrique et mécanique complet des capteurs étudiés. Des simulations numériques établies à partir de ce modèle ont permis d’apprécier la réalité des phénomènes observés, d’améliorer les performances des capteurs et d’adapter au mieux l’étage de conditionnement électronique.
Ces travaux ont donc permis d’optimiser les dispositifs réalisés tout en tenant compte des géométries et des propriétés des matériaux magnétostrictives et piézoélectriques mis en oeuvre. Les meilleurs capteurs réalisés sont l’état de l’art de ce type de développement et affichent des performances en bruit équivalent de 5 pT/√Hz à 1 Hz.
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