Low-frequency noise considerations for sensors based on manganites

International audienceLow frequency noise considerations for sensors based on La0.33Sr0.67MnO3 (LSMO) thin films are discussed in this paper. Thanks to special attention on the film quality, onthe electrical readout electronics and on the patterned geometries, epitaxially grown LSMO thin films can show a very low level of low-frequency noise and can thus be used to fabricate high signal-to-noise ratio sensors such as uncooled bolometers and uncooled low-field magnetoresistances

Sub-nT resolution of single layer sensor based on the AMR effect in La_2/_3Sr_1/_3MnO_3 Thin Films

Single-layer magnetoresistive sensors were designed in a Wheatstone bridge configuration using La_2/_3Sr_1/_3MnO_3 ferromagnetic oxide thin film. Uniaxial anisotropy was induced by performing epitaxial deposition of the films on top of vicinal SrTiO_3 substrate. X-ray scan confirms the high crystalline quality of the films and the magnetic anisotropy was checked by magneto-optical Kerr effect measurements. Thanks to the anisotropic magnetoresistive effect and the very low noise measured in the devices, sub-nT resolution was achieved above 100 Hz at 310 K

Simulação elétrica comparativa de portas lógicas com MOSFETs de distintas gerações tecnológicas

Neste projeto foram realizadas medidas sobre transistores experimentais 5μm fabricados no Laboratório de Microeletrônica do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Estas medidas foram utilizadas para extrair parâmetros físicos do dispositivos, que por sua vez foram aplicados no modelo SPICE BSIM, apresentado no simulador Synopsys®HSPICE®como level 13. As curvas experimentais de corrente por tensão foram então utilizadas para um ajuste dos parâmetros, até a obtenção de um modelo SPICE satisfatório. Foram então obtidos os parâmetros do modelo BSIM3 dos transistores da tecnologia 0.6μm da foundry X-FAB, através do Process Design Kit, e dos transistores de tecnologia 16nm FinFET, cujo modelo preditivo foi desenvolvido e disponibilizado pela Arizona State University. Obtidos os modelos, foi descrito em SPICE, para as três tecnologias, um conjunto composto de 34 células digitais. Deste total, há células cuja lógica é idêntica porém apresentam diferentes dimensionamentos dos transistores. Foram utilizados critérios de dimensionamento diferentes para as tecnologias planares, 5μm e 0.6μm, e a tecnologia Fin- FET. Realizaram-se simulações com software Cadence®Spectre®sobre circuitos osciladores em anel descritos em HSPICE®, obtendo resultados de atrasos de propação, frequência, potência e energia dissipada. Como esperado, a tecnologia 16nm FinFET apresentou os menores valores de atraso e consumo de potência, com uma diferenças de até três ordens de grandeza em comparação com a tecnologia 0.6μm e seis ordens de grandeza em comparação com os transistores experimentais de 5μm. Também foi utilizada a ferramenta acadêmica desenvolvida na UFRGS Static Noise Margin Estimation Tool (SET) para obter a margem estática de ruído para diversos pares de células. Das três tecnologias, a de 5μm apresentou menor percentual de margem estática, computada como percentual da respectiva tensão de alimentação utilizada. Por último, foram gerados arquivos de parâmetros de temporização e de dissipação no formato .lib para as tecnologias 0.6μm e 16nm FinFET, através da caracterização do conjunto de células utilizando o software Cadence®Virtuoso®Liberate™. Esta etapa permitiu a realização da síntese lógica de circuitos digitais CMOS de benchmark. Para todos os circuitos sintetizados, a utilização da tecnologia 16nm FinFET resultou em menores valores de atraso, menor consumo total de potência e células utilizadas, porém com maior consumo de potência estática.In this project, electrical measurements were conducted over 5μm transistors, an experimental device construction technology done at Laboratório de Microeletrônica, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The results were used to extract physical and electrical parameters of the devices, which were applied in BSIM SPICE model, available in Synopsys®HSPICE®as level 13. Then, the measured I-V curves were used for parameters fitting, and satisfactory BSIM SPICE model parameters were extracted. The X-FAB foundry 0.6μm technology electrical model parameters were obtained through its Process Design Kit, and 16nm FinFET predictive model was developed and is available by Arizona State University. Once the models were obtained, a set of 34 logic cells was described in SPICE for each technology. From this set, some cells present the same logic functions but with different transistors sizing. Distinct sizing criteria were applied to planar technology, 5μm and 0.6μm, and to FinFET technology. Ring oscillators circuits described in HSPICE®were simulated using Cadence®Spectre®, and results on timing, frequency, power and energy were gathered. As expected, 16nm FinFET technology achieve lower delay and power consumption, with a difference up to three orders of magnitude from 0.6μm and six orders of magnitude from 5μm experimental transistors. Static noise margin between pairs of logic cells were obtained using Static Noise Margin Estimation Tool (SET), an academic tool developed at UFRGS. Among all three technologies, the UFRGS 5μm presents the lowest noise margin with respect to supply voltage used. Finally, .lib files were generated for 0.6μm and 16nm FinFET technologies, by running Cadence®Virtuoso®Liberate™characterization software. That in turn allowed for logic synthesis of benchmark circuits. For all circuits synthesised, the use of 16nm FinFET technology presented lower delay values, less total power consumption and number of cells used, but higher static power consumption

Capteur magnétorésistif anisotrope à base de manganite pour des applications biomédicales

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.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

Capteur magnétorésistif anisotrope à base de manganite pour des applications biomédicales

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

Capteur magnétorésistif anisotrope à base de manganite pour des applications biomédicales

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

Effect of deposition temperature on La2/3Sr1/3MnO3 magnetic field sensor performance

International audienc

AMR effect in patterned La2/3Sr1/3MnO3 thin films on SrTiO3 vicinal substrates at body temperature (310K)

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Sub-nT AMR sensors based on low noise La0.7Sr0.3MnO3 thin films for neuronal activity measurement

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Sub-nT AMR sensors based on low noise La0.7Sr0.3MnO3 thin films for neuronal activity measurement

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