Les matériaux oxydes possèdent une physique très riche et une large gamme de propriétés qui en font des matériaux très attractifs les applications. Notre but est d'utiliser ces matériaux oxydes pour améliorer les performances de capteurs magnétiques ultrasensibles appelés capteurs mixtes à 77K. Ces capteurs combineraient un transformateur flux champ supraconducteur en YBaCuO fonctionnant à 77K et la magnétorésistance d'une jonction tunnel dont les électrodes sont composées du manganite demi-métallique La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). Durant cette thèse, nous avons développé l'élément clé de ce capteur qu'est la jonction tunnel. Toutes les hétérostructures oxydes ont été déposées par ablation laser. Après avoir vérifié les propriétés de films minces de LSMO et obtenu une couche de référence avec des bicouches LSMO dopé Ru / LSMO, nous avons étudié des jonctions tunnel de type LSMO dopé Ru / LSMO/SrTiO3/LSMO. Sur cet empilement inédit, des magnétorésistances tunnel (TMR) allant jusqu'à 300% ont été mesurés. Le bruit a été caractérisé pour la première fois dans des jonctions tunnel oxydes. Nous nous sommes aussi intéressés au couplage antiferromagnétique à l'interface du LSMO et du SrRuO3 afin de piéger un film de LSMO. Des cycles asymétriques inhabituels ont été observés sur ces bicouches. Des mesures magnétométriques, de réflectivité de neutrons polarisés et des simulations ont alors été combinées pour comprendre le comportement magnétique des bicouches. Cette étude a montré que le couplage antiferromagnétique n'est pas homogène à l'interface entre le LSMO et le SrRuO3

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne / Continuous pulse rate, blood pressure and blood flow monitoring are important for the assessment of physiological vital signs as these are able to provide continuous feedback on the health condition of an individual. Existing commercial, medical and research methods to continuously acquire such these physiological vital signs require good electrical or optical contact. During this research, a magnetic based sensing method, at room temperature, for blood pulse, flow and pressure is developed to achieve data acquisition through fabric, environmental contaminants and body-fluids. This method is named Modulated Magnetic Signature of Blood (MMSB) and physical measurements were conducted on multiple subjects, mathematically modelled and simulated in a multi-physics environment with verification through use of measurement data. Measurement results, using MMSB, for blood pressure and blood flow were compared, and found to be well correlated, with lifestyle device and medical research instruments respectively. In addition, two devices are developed, and are in the midst of commercialization, to support lifestyle applications

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne

Dans un effort de combiner le bénéfice des propriétés magnétiques et électroniques, les semi-Conducteurs magnétiques dilués sont projetés pour être à la base de composants reliant dans leur fonctionnement, à la fois la charge et le spin des électrons. Par l'utilisation d'une technique de magnétométrie à effet Hall, on a fait la caractérisation de ces matériaux par la détermination de l'orientation magnétique à basse température. Nous nous sommes aussi intéressés aux matériaux moléculaires à transition de spin (SCO). La technologie des capteurs magnétiques offre une voie vers la vulgarisation des techniques de détection par l'utilisation de systèmes rapides et sensibles. La détection de la transition de spin des nanoparticules est réalisée par un capteur à effet Hall planaire, fabriqué à base de multicouches magnétiques. Le travail effectué est pionnier dans le domaine de la détection nano magnétique, il ouvre la voie à de nouvelles perspectives dans la recherche fondamentale et dans le développement technologique des capteurs magnétiques. Des améliorations du dispositif ont été réalisées et d'autres sont en stage de développement pour l'amélioration de la sensibilité et la réduction du bruit. L'optimisation devrait fournir un dispositif original de détection de transition de spin des nanoparticules à température ambiante. / In an effort to combine the benefits of magnetic and electronic properties, diluted magnetic semiconductors are projected to be the basis for devices combining in their operation, both the charge and spin of electrons. Using Hall Effect magnetometer, a characterization of these materials is done by determining the magnetic orientation at low temperatures. We were also interested in molecular materials spin crossover. The magnetic sensor technology provides a path to the extension of detection techniques through the use of rapid and sensitive systems. The detection of the spin crossover nanoparticles is achieved by a planar Hall Effect sensor, made from magnetic multilayers. The work is a pioneer in the field of nano magnetic detection; it opens up new perspectives in basic research and the technological development of magnetic sensors. Improvements of the device have been completed and others are under development in order to improve sensitivity and reduce noise. The optimization should provide a novel system for detecting spin transition nanoparticles at room temperature.

Comme tout accélérateur de particules, le GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions<br />Lourds) doit être réglé et surtout surveillé en temps réel.<br /><br /><br />Cette surveillance du faisceau est obtenue par mesure de son intensité. Cette mesure<br />est assurée par des transformateurs d'intensité basses fréquences (TI-BF). Le mode de<br />fonctionnement de ces capteurs génère une perte de 9% de faisceau. De plus, ces capteurs<br />mesurent difficilement les faibles intensités.<br /><br /><br />De plus en plus à le recherche d'évènements rares, les physiciens réclament plus<br />d'intensités faisceau augmentant ainsi la probabilité d'apparition de ces évènements. Le projet<br />T.H.I. (Transport des Hautes Intensités) et le projet S.P.I.R.A.L. (Source de Production d'Ions<br />Radioactifs Accélérés en Ligne) prévoient des puissances de faisceau de 6KW, limitées à<br />400W en mode normal. A haute énergie de faisceau, de telles puissances peuvent engendrer<br />une détérioration matérielle. Les systèmes de sécurité doivent se déclencher instantanément.<br />Les TI-BF sensibles aux chocs mécaniques (basses fréquences) ne répondent pas à ces<br />exigences.<br /><br /><br />Les transformateurs d'intensité hautes fréquences (TI-HF) sont capables de mesurer les<br />paquets d'ions. Cette caractéristique permet de supprimer la perte de 9% de faisceau. De<br />même, leur temps de réponse répond aux exigences de déclenchement des sécurités. Enfin, les<br />TI-HF ont une dynamique supérieure aux TI-BF.

Les travaux décrits dans cette thèse portent sur la mesure de courant à partir de mesure de champ magnétique sans canalisation de flux. Une nouvelle structure de capteur de courant basée sur une mesure différentielle du champ magnétique a été réalisée. Elle consiste à disposer un seul capteur magnétique différentiel linéaire du type fluxgate au-dessus des sections d'un conducteur en forme U traversé par le courant à mesurer. Utilisant cette structure, nous avons pu améliorer la précision et assurer une bonne réjection des perturbations magnétiques extérieures. Cette structure a été étudiée théoriquement et validée expérimentalement. Les impacts de divers facteurs de réalisation ont été étudiés à l'aide de calculs analytiques, des simulations par éléments finis et des mesures. L'intégration de cette nouvelle structure faciliterait la dissémination de capteurs de courant.

La ré-identification de véhicules permet d’estimer deux paramètres clés en gestion dynamique de trafic : les temps de parcours et les matrices origine-destination. Dans cette thèse, nous avons choisi d'effectuer cette ré-identification par analyse des signatures magnétiques mesurées par des capteurs tri-axiaux placés sur la chaussée. La signature magnétique est générée par l'aimantation du véhicule : elle est alors susceptible de varier en fonction de l'orientation du véhicule par rapport au champ magnétique terrestre (à cause de l'aimantation induite dans le plan horizontal), et en fonction de sa position latérale relative par rapport aux capteurs. Les expérimentations que nous avons menées nous ont permis d'obtenir une base de données de signatures magnétiques, et ainsi d'évaluer les performances des deux méthodes de ré-identification que nous avons élaborées.La première méthode consiste à comparer directement des paires de signatures magnétiques mesurées par les capteurs. Les calculs de distances entre les paires sont effectués avec des algorithmes classiques comme la distance euclidienne. Les résultats obtenus sont très bons, et baissent peu lorsque le véhicule change d'orientation. Toutefois, ils sont très sensibles à la déformation des signaux due au décalage latéral du véhicule, et nécessitent donc de positionner un capteur tous les 0.20m sur toute la largeur de la voie.Dans un second temps, nous proposons une méthode de ré-identification qui compare des paires de modèles magnétiques de véhicules. Ces modèles sont composés de plusieurs dipôles, et sont calculés à partir des signatures mesurées. La modélisation a pour but de s’affranchir du décalage latéral du véhicule, en remontant à la position relative du véhicule par rapport aux capteurs. Avec deux fois moins de capteurs que la méthode précédente, les résultats obtenus sur signaux réels sont également très bons, même s'ils sont un peu plus sensibles au changement d'orientation du véhicule. De plus, une simulation nous permet d'extrapoler qu'il est effectivement possible de s'affranchir du décalage latéral avec cette méthode. / Vehicle re-identification gives access to two essential data for dynamic traffic management: travel times and origin-destination matrices. In this thesis, we chose to re-identify vehicles by analysing their magnetic signatures measured with several 3-axis magnetic sensors located on the road. A magnetic signature is created by the vehicle magnetization. Therefore, the vehicle orientation to the Earth’s magnetic field (which determines the induced magnetization) and the variation of the lateral position of the vehicle relative to the sensors’ one might both have an impact on the magnetic signature. We gathered our experiments’ results into a database of magnetic signatures that we used to evaluate the performances of the two vehicle re-identification methods we developed.The first method is a direct comparison of pairs of magnetic signatures measured by the sensors. Distances between pairs of signatures are computed using classic algorithms such as the Euclidean distance. This method’s results are very positive and the vehicle change of orientation has only a slight impact on them. However, the distortion of signals due to a lateral offset in the vehicle position has a strong impact on the results. As a consequence, sensors have to be placed every 0.20m over the road’s entire width.The second proposed method compares pairs of vehicles’ magnetic models. Those models are composed of several magnetic dipoles and are determined from the measured signatures. Magnetic modelling aims to suppress the influence of the vehicle lateral position on the results by assessing the relative position of the vehicle above the sensors. Although the vehicle orientation has slightly more impact on the performances than with the first method, the overall results are more promising. This method also allows us to divide by two the number of sensors used.

La ré-identification de véhicules permet d’estimer deux paramètres clés en gestion dynamique de trafic : les temps de parcours et les matrices origine-destination. Dans cette thèse, nous avons choisi d'effectuer cette ré-identification par analyse des signatures magnétiques mesurées par des capteurs tri-axiaux placés sur la chaussée. La signature magnétique est générée par l'aimantation du véhicule : elle est alors susceptible de varier en fonction de l'orientation du véhicule par rapport au champ magnétique terrestre (à cause de l'aimantation induite dans le plan horizontal), et en fonction de sa position latérale relative par rapport aux capteurs. Les expérimentations que nous avons menées nous ont permis d'obtenir une base de données de signatures magnétiques, et ainsi d'évaluer les performances des deux méthodes de ré-identification que nous avons élaborées.La première méthode consiste à comparer directement des paires de signatures magnétiques mesurées par les capteurs. Les calculs de distances entre les paires sont effectués avec des algorithmes classiques comme la distance euclidienne. Les résultats obtenus sont très bons, et baissent peu lorsque le véhicule change d'orientation. Toutefois, ils sont très sensibles à la déformation des signaux due au décalage latéral du véhicule, et nécessitent donc de positionner un capteur tous les 0.20m sur toute la largeur de la voie.Dans un second temps, nous proposons une méthode de ré-identification qui compare des paires de modèles magnétiques de véhicules. Ces modèles sont composés de plusieurs dipôles, et sont calculés à partir des signatures mesurées. La modélisation a pour but de s’affranchir du décalage latéral du véhicule, en remontant à la position relative du véhicule par rapport aux capteurs. Avec deux fois moins de capteurs que la méthode précédente, les résultats obtenus sur signaux réels sont également très bons, même s'ils sont un peu plus sensibles au changement d'orientation du véhicule. De plus, une simulation nous permet d'extrapoler qu'il est effectivement possible de s'affranchir du décalage latéral avec cette méthode. / Vehicle re-identification gives access to two essential data for dynamic traffic management: travel times and origin-destination matrices. In this thesis, we chose to re-identify vehicles by analysing their magnetic signatures measured with several 3-axis magnetic sensors located on the road. A magnetic signature is created by the vehicle magnetization. Therefore, the vehicle orientation to the Earth’s magnetic field (which determines the induced magnetization) and the variation of the lateral position of the vehicle relative to the sensors’ one might both have an impact on the magnetic signature. We gathered our experiments’ results into a database of magnetic signatures that we used to evaluate the performances of the two vehicle re-identification methods we developed.The first method is a direct comparison of pairs of magnetic signatures measured by the sensors. Distances between pairs of signatures are computed using classic algorithms such as the Euclidean distance. This method’s results are very positive and the vehicle change of orientation has only a slight impact on them. However, the distortion of signals due to a lateral offset in the vehicle position has a strong impact on the results. As a consequence, sensors have to be placed every 0.20m over the road’s entire width.The second proposed method compares pairs of vehicles’ magnetic models. Those models are composed of several magnetic dipoles and are determined from the measured signatures. Magnetic modelling aims to suppress the influence of the vehicle lateral position on the results by assessing the relative position of the vehicle above the sensors. Although the vehicle orientation has slightly more impact on the performances than with the first method, the overall results are more promising. This method also allows us to divide by two the number of sensors used.

Dans un premier chapitre, le magnétisme macroscopique et microscopique de systèmes à dimensions latérales réduites est évoqué. Les propriétés magnétiques de couches minces, de réseaux de plots submicroniques et de structures auto-organisées nanoscopiques de cobalt hexagonal (0001) ont été étudiées à l'échelle macroscopique et microscopique. Dans ce même chapitre, dans un registre un peu différent mais toujours dans le domaine des couches minces magnétiques, j'ai rassemblé des résultats récents que nous avons pu obtenir sur l'étude du couplage d'échange entre une couche ferromagnétique et une couche antiferromagnétique. Malgré les nombreux faits rapportés dans la littérature, nous avons montré qu'outre la qualité cristallographique, la rugosité ou la taille de grain, l'histoire magnétique et notamment la chiralité des domaines dans la couche antiferromagnétique peut expliquer des différences importantes dans la constante d'échange interfaciale. Dans un second chapitre, le transport tunnel dans les jonctions magnétiques planaires sera évoqué avec un intérêt tout particulier et novateur pour la corrélation entre distributions d'aimantations dans les électrodes magnétiques et propriétés de transport. Dans cette thématique globale, plusieurs axes de recherche ont été menés de front : - la mise au point de la croissance de barrières tunnel alternatives de faible hauteur de barrière (inférieure à 1eV). - le développement de méthodes alternatives d'analyse de jonctions tunnel. - la corrélation entre structures en domaines et transport tunnel polarisé en spin. - les jonctions tunnel épitaxiées : effet de structure de bandes et forte magnétorésistance, étude du couplage antiferromagnétique induit par effet tunnel d'électrons polarisés en spin. Dans un troisième chapitre, l'utilisation des propriétés du transport tunnel dans les jonctions magnétiques planaires et l'utilisation de couches minces antiferromagnétiques pour des applications seront exposées. Dans cette thématique globale, plusieurs axes de recherche se dégagent : - la jonction tunnel magnétorésistive à réponse magnétique hystérétique comme magnétomètre bidimensionnel. - la bicouche couche antiferromagnétique/couche ferromagnétique comme système sensible pour la détection de champs magnétiques. - la configuration d'aimantations croisées avec une aimantation perpendiculaire au plan des couches d'une jonction tunnel comme élément sensible et linéaire à la détection de forts champs magnétiques. Dans un quatrième chapitre, le transport électronique dépendant du spin dans des structures métalliques à barrières multiples sera plus largement présenté. L'intérêt fondamental de ces multicouches hybrides est l'étude du comportement des électrons chauds lors de la traversée du dispositif. Cette activité a été développée tant du point de vue expérimental que théorique sur la base d'une modélisation du transport tunnel polarisé en spin dans l'approche des électrons libres. En guise de conclusion du chapitre, un dispositif est proposé comme projet de recherche à court terme combinant toute l'expertise acquise dans les chapitres 2, 3 et 4.

Le développement de matériaux avec différents ordres ferroïques couplés (multiferroïques) motive d’intenses activités de recherche. Une combinaison particulièrement intéressante est celle des paramètres d'ordre magnétique et électrique qui, dans le cas favorable où ceux-ci sont couplés, ouvre la voie au contrôle électrique de l’aimantation. Celui-ci peut être envisagé via la manipulation de la polarisation d’un ferroélectrique ou des déformations d’un piézoélectrique Les propriétés du matériau ferroélectrique/piézoélectrique peuvent être inversement modifiées par l’état d’aimantation, ce qui laisse envisager des applications dans le domaine des capteurs de champs magnétiques. Ce travail s’inscrit dans l’étude de systèmes piézoélectrique/ magnétostrictif, avec un intérêt spécifique porté à l’influence de l’aimantation sur les ondes acoustiques de surface (SAW) générées dans le dispositif. Nous avons ainsi déposé des couches polycristallines de Ni, des multicouches [Co/IrMn], ainsi que des couches épitaxiées de TbFe2 sur des substrats de Niobate de Lithium (LNO) de différentes orientations. Sur LNO Z-cut, la croissance de TbFe2 est réalisée en utilisant différentes couches tampons simples ou doubles qui permettent d’obtenir des directions de croissance [111] ou [110] avec des anisotropies magnétiques respectivement perpendiculaire et planaire. Sur des substrats de coupe 128Y et 41Y, la croissance s’avère beaucoup plus complexe mais il est néanmoins possible d’obtenir un film cristallisé de TbFe2 multidomaines avec des relations d’orientation 3D similaires à celles obtenus sur LNO Z-cut, que ce soit entre la couche magnétique et la couche tampon, ou entre la couche tampon et le substrat. Des dispositifs magnétiques à ondes acoustiques de surface (MSAW) ont été ensuite fabriqués dans une géométrie de résonateur permettant une interrogation à distance aisée. La fréquence de résonance des dispositifs MSAW est sensible à l’application d’un champ magnétique externe, via des effets statiques liés à l’orientation de l’aimantation sous champ et via des effets dynamiques d’origine magnétoélastique liés à l’excitation acoustique. Nous avons examiné les réponses magnéto-acoustiques des différents dispositifs, en corrélation étroite avec les propriétés magnétiques statiques, en particulier l’anisotropie, la coercivité et l’hystérèse. Un modèle piézomagnétique équivalent a été utilisé pour simuler certaines de ces réponses. De manière générale, nous montrons qu’un choix judicieux du matériau magnétique et le contrôle de ses propriétés permettent d’élaborer des capteurs spécifiques : un matériau magnétique doux permet de contrôler l’anisotropie de la réponse acoustique via la forme des IDT; un matériau magnétique dur ouvre la voie au développement de capteurs de forts champs magnétiques; un système à anisotropie d’échange dont on peut contrôler la réversibilité de la réponse magnétique permet d’envisager un capteur de champ magnétique hors plan / The development of materials with different coupled ferroic orders (multiferroics) drives an intense research activity. A particularly interesting combination is the case where magnetic and electrical orders are simultaneously present, which, in the favorable case where these are coupled, opens the way to the electrical control of magnetization. This can be achieved in manipulating the polarization in a ferroelectric or the strains in a piezoelectric compound. Ferroelectric or piezoelectric properties can inversely be influenced by the magnetic state, an interesting feature for the development of magnetic field sensors. This work aims in the investigation of piezoelectric/magnetostrictive systems, more especially in the role of the magnetization and of the magnetization versus field behavior on the surface acoustic waves (SAW). Polycristalline Ni films, [Co/IrMn] multilayers and epitaxial TbFe2 films have been deposited on Lithium Niobate (LNO) substrates of different orientations. On LNO Z-cut, various single or double buffer layers have been used to achieve the TbFe2 epitaxial growth, along either [111] or [110] directions and with either perpendicular or in-plane magnetic anisotropy. On LNO 128Y and 41Y substrates, the growth is more complex but it is nevertheless possible to obtain crystalline multidomains TbFe2 films with 3D orientation relationships similar to those obtained on LNO Z-cut, both between the magnetic and the buffer layers, and between the buffer layer and the substrate. Magnetic surface acoustic wave (MSAW) devices have been patterned in a resonator geometry that enables an easy wireless interrogation. The MSAW device resonance frequency is sensitive to an external magnetic field, both via static effects related to the field-induced magnetization changes, and via magnetoelastic dynamic effects related to the acoustic excitation. We have investigated the MSAW magneto acoustic responses of the various devices in close connection with the static magnetic properties, especially the anisotropy, the coercivity and the hysteresis. An equivalent piezomagnetic model could support some of these observations. We show more generally that the proper choice of magnetic material and the control of the magnetic properties helps to build up specific sensors: soft magnetic materials enable to tailor the anisotropy of the MSAW response by engineering the IDT’s shape; hard magnetic materials enable to achieve high field unipolar or bipolar field response; exchange-biased systems in which the reversibility of the magnetic response is achieved let envision the development of sensors for out-of-plane magnetic fields