La magnétorésistance anisotrope (AMR) des matériaux ferromagnétiques est largement utilisée comme le phénomène de base pour la mesure ou la détection de champ magnétique. En raison de la relation entre la configuration en domaines magnétiques et la résistivité macroscopique, l'application d'un champ magnétique externe modifie la résistivité des matériaux ferromagnétiques. Bien que cet effet soit largement utilisé dans des applications industrielles, certains aspects fondamentaux du comportement AMR sont encore assez mal compris. Par exemple, le rôle de la texture cristallographique dans le comportement effectif n'est pas décrit avec précision par les outils classiques de modélisation. En raison de ce lien direct entre la microstructure en domaines et l'effet AMR, les modèles de description de l'effet AMR reposent généralement sur des calculs micromagnétiques. Pour ces calculs, le nombre de degrés de liberté et d'interactions peuvent se multiplier rapidement si on recherche à décrire un comportement macroscopique (cas des polycristaux par exemple).La thèse porte sur la modélisation numérique de l'effet de magnétorésistance anisotrope des matériaux ferromagnétiques. Ce nouvel outil de modélisation 3D peut remédier à cet inconvénient majeur des approches micromagnétiques. Un modèle permettant de décrire les effets de couplage magnéto-élastique en utilisant une approche micro-macro est disponible au laboratoire GeePs. Sur la base des mêmes principes de la modélisation micro-macro, un outil de simulation de l'effet AMR en fonction de la contrainte mécanique et de la texture cristallographique des matériaux a été développé.La stratégie de modélisation est la suivante:Trois échelles de description du comportement sont introduites: le Volume Elémentaire Représentatif (VER) polycristallin (échelle macro), le monocristal ou grain, et enfin le domaine magnétique (échelle micro).Une première étape dite de localisation permet de déterminer le chargement magnéto-mécanique (champ magnétique et contrainte mécanique) à l'échelle d'un grain en fonction du chargement extérieur appliqué. L'introduction de variables internes et des lois d'évolution correspondantes permet de décrire de façon statistique l'évolution de la microstructure en domaines magnétiques sous l'influence de ce chargement local. Toujours à cette échelle, l'utilisation du modèle phénoménologique de Doring permet, pour chaque domaine, de calculer la résistivité en fonction de l'orientation relative entre aimantation locale et courant électrique. Une fois cette résistivité locale connue, une étape dite d'homogénéisation s'appuyant sur le modèle de Bruggeman permet de déterminer la résistivité macroscopique du VER polycristallin. Il est ainsi possible de prédire la variation de la résistivité entre un état initial désaimanté et un état sous chargement magnéto-mécanique quelconque.Les résultats obtenus par cette démarche ont été comparés avec succès à des résultats expérimentaux extraits de la littérature portant sur des polycristaux de Nickel, de Fer pur ou encore de Permalloy.Ensuite des simulations reproduisant les conditions de fonctionnement des capteurs AMR ont été effectuées. Ces simulations permettent de conclure qu'il est possible d'améliorer la sensibilité des capteurs AMR en générant une contrainte résiduelle biaxiale. / The anisotropic magnetoresistance (AMR) of ferromagnetic materials is widely used as the basic phenomenon for measuring or detecting magnetic field. Owing to the relationship between magnetic domain configuration and macroscopic resistivity, the application of an external magnetic field changes the resistivity of ferromagnetic materials. Although this effect is widely used in industrial applications, some basic aspects of AMR behavior are still unsufficiently understood. For example, the role of crystallographic texture is not accurately described by conventional modeling tools. As a consequence of the direct relationship between microstructure and AMR, models for AMR effect are generally based on micromagnetic calculations. For these calculations, the number of degrees of freedom and interactions can grow exponentially when investigating macroscopic behavior (case of polycrystals for example).The thesis deals with the numerical modeling of AMR effect in ferromagnetic materials. This new 3D modeling tool can overcome this major drawback of micromagnetic approaches. A model to describe the effects of magneto-elastic coupling using a micro-macro approach is available at the laboratory GeePs. Based on the same principles of micro-macro modeling, an AMR effect simulation tool has been developed including the effect of mechanical stress and the role of crystallographic texture of materials.The modeling strategy is as follows:Three scales of description of the behavior are introduced: the Representative Volume Element (RVE) of polycrystals (macro scale), the single crystal or grain, and finally the magnetic domain (micro scale).A first step, named localization, determines the magneto-mechanical loading (magnetic field and mechanical stress) within a grain depending on the external applied load. The introduction of internal variables and corresponding evolution laws allow describing in a statistical way the evolution of the magnetic domain microstructure under the influence of the local load. Also at this scale, the use of the phenomenological Doring model allows for each area, to calculate the resistivity as a function of the relative orientation between local magnetization and electric current. Once this local resistivity is known, a so-called homogenization step based on the Bruggeman model is used to determine the macroscopic resistivity of the RVE. It is thus possible to predict the variation in resistivity between an initial demagnetized state and a state under any magneto-mechanical loading.The results obtained by this approach were successfully compared to experimental results from literature on polycrystalline nickel, pure iron or Permalloy.Then simulations reproducing AMR sensors operating conditions were carried out. These simulations lead to the conclusion that it is possible to improve the sensitivity of AMR sensors by introducing an appropriate biaxial residual stress.

L'effet MagnétoElectrique (ME) traduit la polarisation d'un élément diélectrique et l'aimantation d'un diélectrique lorsqu’il est soumis, respectivement, à un champ magnétique et à un champ électrique. Cette propriété a permis de mettre en œuvre des capteurs Magnéto(Elasto)Electrique pour la mesure du champ magnétique ou électrique. De nombreuses études sur les couplages de matériaux (forme, taille, dimension…) ont été effectuées afin d’améliorer les performances en terme de sensibilité et de bruit de ces capteurs. Les meilleurs niveaux de bruit (en termes de densité spectrale) mesurés pour ce type de dispositif en mode passif sont, respectivement, de 5 pT/sqrt(Hz), 0,2 pT/sqrt(Hz) et environ une cinquantaine de 50 fT/sqrt(Hz), respectivement à 1 Hz, en zone de bruit blanc et à la résonance.Certains laboratoires, dont le GREYC, s’intéressent plus particulièrement à l’étude des performances ultimes de capteurs magnétiques en optimisant, notamment, l’électronique de conditionnements et en utilisant leurs propriétés non linéaires. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre. Elle avait pour objectif l’étude des performances de capteur Magnéto(Elasto)Electrique en mode non linéaire et aux basses fréquences. Pour cela, des structures originales de conditionnent ont été développées en termes de polarisation, d’excitation et d’asservissement. L’étude théorique des performances montre que le bruit du capteur peut atteindre des niveaux bien inférieurs au pT/sqrt(Hz) à 1 Hz pour les capteurs étudiés, si les performances obtenues ne sont pas limitées par le bruit de l’électronique de conditionnement et leur sensibilité. Cette étude a été l’objet de ce travail de thèse. / The MagnetoElectric effect traduces the polarization of a dielectric element and the magnetization of a dielectric under respectively a magnetic field and an electric field. This property allows the development of Magneto(Elasto)Electric sensors for measuring a magnetic or an electric field. Several analyses regarding the material coupling (shape, size, dimensions…) have been made in order to increase the performances in terms of sensibility and in terms of noise of these sensors. The best noise levels (in term of spectral density) measured for these types of sensors are respectively 5 pT/sqrt(Hz), 0.2 pT/sqrt(Hz) and around 50 fT/sqrt(Hz) at 1 Hz, at white noise zone and at resonant frequency.Some laboratories, including the GREYC, are interested more specifically on the studies of the ultimate performances of magnetic sensor by optimizing the conditioning electronics and by using their nonlinear properties. This thesis lies in this framework. It had for objective, to study the performances of the Magneto(Elasto)Electric sensor in nonlinear mode and at low frequencies. For these, some original conditioning structures have been developed in terms of polarization, excitation and servo system. The theoretical study of these performances show the sensor intrinsic noise can reach lower than pT/sqrt(Hz) at 1 Hz for the studied sensor if the obtained performances are not limited by the conditioning electronics and their sensitivity. This study has been the object of this thesis work.

La thématique de ce sujet de thèse porte sur l'étude des capteurs de champ magnétique intégrés en technologie CMOS standard basse tension sans étapes de fabrication supplémentaires. La co-intégration du transducteur (l'élément sensible qui transforme le champ magnétique en une grandeur électrique) et de son électronique de conditionnement du signal sur la même puce permet réaliser des fonctions spécifiques qui améliorent significativement les performances du capteur. Les travaux présentés dans cette thèse portent plus particulièrement sur deux types de transducteur : le transducteur à effet Hall dit vertical et un magnéto-transistor particulier appelé « CHOPFET ». Nous avons développé des modèles numériques de ces transducteurs afin d’analyser finement leurs comportement mais aussi d’optimiser leurs performances. En nous basant sur ces résultats, nous avons adapté des techniques de traitement du signal et proposé plusieurs architectures originales dédiées au conditionnement du signal magnétique. Cela a permis d’améliorer significativement les performances de ces capteurs en termes de résolution, d’offset et de consommation électrique. / The subject of thesis subject concerns the study of magnetic field sensors integrated in low-voltage standard CMOS process without additional post-processing steps. Co-integrating the magnetic transducer (the sensitive element transforming the magnetic field into an electrical quantity) together with its conditioning electronics onto a same chip allows to implement specific features, which dramatically improve the sensor performances. This work particularly focuses on two types of transducer: the vertical Hall device and a specific magneto-transistor called “CHOPFET”. We developed numerical simulation models in order to predict and optimize the behavior of these transducers. Based on the results, we adapted dedicated signal processing techniques and proposed several innovative magnetic signal conditioning architectures. This led to significant improvement in terms of resolution, offset and power consumption.

L'effet tunnel dépendant du spin dans les structures métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique fait l'objet de nombreuses études motivées par de multiples applications (capteurs de champ magnétique, mémoires vives magnétiques non volatiles, têtes de lecture, etc). La résistance de ces dispositifs est liée à l'orientation relative des aimantations de chacune des électrodes. Au cours de ce travail de thèse, l'extrême sensibilité de l'effet tunnel dépendant du spin à la configuration magnétique des électrodes a été utilisée à la fois comme une sonde du comportement micromagnétique des électrodes et pour réaliser des capteurs de champ magnétique. De plus, l'élaboration de doubles jonctions tunnel magnétiques à trois entrées a permis mettre en évidence la présence d'un courant d'électrons chauds qui pourrait être à la base d'un nouveau type de transistor magnétique.