Conception and fabrication of a strain-gage magnetometer

Abstract

Ce travail de th`ese est consacré à la conception, la réalisation technologique et la caractérisation fonctionnelle d'un nouveau type de capteur de champ magnétique MEMS 3D. Différent de l'approche classique utilisée pour des magnétomètres MEMS 3D, le capteur conçu dans le cadre de cette thèse n'a pas comme base le principe de la force de Lorentz, mais se sert des avantages qu'offrent les matériaux magnétiques intégrés dans des systèmes MEMS. Le matériau magnétique subit un moment lorsqu'il est soumis à un champ magnétique environnant. Le principe de détection du signal est basé sur la piézorésistivité et utilise des jauges en silicium mono-crystallin avec une section nanométrique. Le concept technologique convient également pour la fabrication de capteurs inertiels et est donc une approche prometteuse pour la fabrication des centrales de mesure inertielle (IMUs). La conception est principalement basée sur un modèle de bruit. En dehors de la considération des limitations technologiques, des aspects mécaniques, magnétiques et thermiques sont également pris en compte. Deux pistes ont été étudiées pour l'intégration du matériau magnétique. Une première option consiste dans l'intégration d'aimants terres-rares comme SmCo et NdFeB. Une deuxième option a pour objet l'intégration des multi-couches antiferromagnétiques et ferromagnétiques, couplées par le couplage d'échange. La réalisation technologique bien exigeante des ces deux approches sera présentée avec une concentration particulière sur les propriétés magnétiques des matériaux utilisés. Une autre partie sera consacrée à la caractérisation des contraintes mécaniques dans des couches minces qui peuvent devenir problématiques pour les micro-systèmes conçus dans le cadre de ce travail. Au final, la fabrication du capteur ainsi que des caractérisations fondamentales seront présentées afin d'établir une preuve expérimentale pour le concept du capteur.This PhD thesis deals with the design, the technological implementation, and functional characterizations of a new type of monolothic 3D MEMS magnetometer. Other than for the classical approach used for 3D MEMS magnetometers, the sensor developed in this work is not based on the principle of Lorentz force, but takes advantage of magnetic material which is integrated into the MEMS device and experiences a torque when surrounded by a magnetic field. Signal detection is based on piezoresistive detection using gauges of monocrystalline silicon with nanometric section. The technological concept is also suitable for the fabrication of inertial sensors and thus a very promising approach for fabrication of inertial measurement units (IMUs). Sensor design mainly relies on a noise model. Besides technological limitations, mechanical, magnetic and thermal aspects are also taken into account. Two different methods for integration of magnetic material were explored. A first option consists in the integration of rare-earth magnets like SmCo and NdFeB, a second option is about the integration of exchange-bias coupled antiferromagnetic and ferromagnetic multilayers. The technologically challenging implentation of both approaches will be discussed with a special focus on magnetic properties of the used materials. A further part will be dedicated to the characterization of mechanical stress in thin layers, which may become problematic for the microsystems conceived in this work. Finally, sensor fabrication and fundamental characterizations will be presented as experimental proof of concept for the sensor