Doctoral Defense: MAROT Project Aims to Develop Miniature, High-Performance Magnetometer for Space Science

On May 27th, Thomas Brun of the SPINTEC laboratory will defend his doctoral thesis, "MAROT: A miniature magnetometer for space exploration." The defense will be held at the CEA Grenoble (Building 10.05, auditorium 445) with remote access available via Zoom. The research addresses a critical instrumentation gap for modern, cost-effective space missions.

The Challenge: Miniaturizing Magnetometers for Small Satellites

Space plasma studies require precise measurement of magnetic field fluctuations, typically using instruments like Search-Coil or Fluxgate magnetometers on satellites. The growing use of small, low-cost CubeSats (10 cm cubes) creates a demand for miniaturized payloads. However, conventional magnetometers cannot be sufficiently scaled down without severely compromising their performance, particularly sensitivity at the low frequencies (<100 Hz) relevant to space plasma physics.

The MAROT Solution: Magnetic Tunnel Junction-Based Sensor

The MAROT project proposes a miniaturized magnetometer using Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) as the sensing element, targeting picotesla-level measurements. MTJs convert changes in magnetization direction into measurable resistance changes and are already valued in automotive and medical imaging for their high sensitivity. Their inherent performance, however, drops at low frequencies due to a noise profile inversely proportional to signal frequency.

To overcome this, the MAROT sensor incorporates Magnetic Flux Concentrators (FCs) to amplify the magnetic field at the MTJs. The core research objective was to optimize the sensor by increasing sensitivity and reducing noise to achieve a target detectivity on the order of pT/√Hz at 10 Hz.

Key Technical Advances and Findings

Brun's work involved optimizing the MTJ stack itself. By utilizing a softer, amorphous FeCoSiB free layer instead of NiFe and implementing a field-annealing process to achieve a symmetric-response, antiparallel state at zero field, the team significantly improved performance. This increased the magnetoresistance ratio (TMR) by a factor of more than two, reaching up to 250%, and tripled junction sensitivity.

Subsequent simulations focused on the flux concentrators' field amplification (gain). This led to a novel sensor design where series-parallel MTJs are placed within the FC air gap. This increases the magnetic volume to reduce noise while maintaining sufficient gain. Prototype sensors with this design have shown very high sensitivities, around 2000 %/mT.

Current noise measurements indicate the detectivity is approximately several hundred pT/√Hz at 10 Hz. The data suggests the electroplated NiFe flux concentrators themselves introduce additional noise, pointing to a need for further material optimization.

Future Direction: Magnetic Field Chopping

To push performance closer to the target, Brun has begun developing a magnetic field chopping technique. The concept involves a magnetostrictive layer on a piezoelectric substrate placed above the FC air gap. Applying a voltage rotates the layer's anisotropy direction, effectively creating a magnetic switch that modulates the flux at the junctions. This method is projected to improve detectivity by at least a factor of 10.

Thesis Committee

The defense jury comprises Daniel Lacour and Guillaume Agnus (reviewers), and examiners Laurence Méchin, Myriam Pannetier-Lecoeur, and Thierry Dudok de Wit. Thesis supervision was provided by Matthieu Kretzschmar (director), Hélène Béa (co-director), and Claire Baraduc (advisor).

On Wednesday May 27th, at 14:00, Thomas Brun (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled : MAROT: A miniature magnetometer for space exploration

Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (presential access to the conference room at CEA in Grenoble requires an entry authorization, request it before May 16th to admin.spintec@cea.fr)

visio conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/98769867024

Meeting ID: 987 6986 7024

Passcode: 025918

Abstract : This Ph.D. is about the elaboration of a magnetometer to measure fluctuations of the magnetic field in space plasma. Magnetometers, like the Search-Coils or the Fluxgates are already commonly used in satellites to measure magnetic field with great accuracy. Nowadays, the research field is looking at small satellites called Cubsats in order to reduce the cost of missions. However, the current magnetometers can not be miniaturized without compromising their performances. The MAROT project aims to solve this problem by developing a miniaturized magnetometer based on magnetic tunnel junction (MTJ) as its sensing element in order to measure magnetic field in the order of picotesla. Magnetic tunnel junctions are small devices that can convert a change in magnetization direction into a change of electrical resistance, thus allowing to measure variation of magnetic field. MTJs are already commonly used as sensors in the fields of automotive or medical imaging, because of their high field sensitivity. However, their performances are capped at low frequency because their noise is inversely proportional to the measured signal frequency, which happens to be the interesting frequency range for space plasma studies (< 100 Hz). To overcome this limitation, the MAROT sensor is equipped with magnetic flux concentrators (FC) in order to amplify the field on the MTJs. Optimising the sensor involves, on the one hand, increasing its sensitivity and, on the other, reducing its noise, in order to achieve the objective of a detectivity of the order of pT/√Hz at 10 Hz. Magnetic tunnel junctions consist of a stack of several layers: a reference layer, a tunnel barrier, and a free layer. In my Ph.D., I used and fabricated symmetric-response tunnel junctions exhibiting an antiparallel state at zero field, achieved following field annealing. This state, along with the macrospin configuration of the free layer, which minimizes hysteresis, is achieved by slightly pinning the free layer with an antiferromagnetic layer. During this Ph.D., I was able to work with a magnetic stack using FeCoSiB as the free layer, this layer is amorphous and softer than the NiFe used previously. This change of materials allowed an increase of the magnetoresistance ratio (TMR) by a factor of 2, reaching up to 250%. These optimizations resulted in a sensitivity increase by a factor of 3. I then carried out simulations of the amplification of the magnetic field by flux concentrators (gain) as a function of the dimensions and characteristics of the air gap. This study enabled me to develop a new sensor design in which series-parallel junctions are inserted in the air gap to increase the magnetic volume, thereby reducing noise whilst maintaining sufficient gain. Sensors featuring this design have been manufactured. Initial measurements indicate very high sensitivities of around 2000 %/mT. Noise measurements are currently underway and appear to suggest that the NiFe-based FCs deposited by electrolysis introduce additional noise. The composition of these FCs will therefore need to be further optimized to improve detectivity, which currently stands at around a few hundred pT/√Hz at 10 Hz. Finally, I have started to develop a magnetic field chopping method to reduce noise. A magnetostrictive layer, deposited on a piezoelectric substrate subjected to a voltage, can have its direction of anisotropy rotated. This device could be placed above the FC air gap and used as a magnetic switch, which alternately modifies the magnetic flux at the junctions. A gain of at least a factor of 10 in detectivity is expected, which will bring us closer to the target of pT/√Hz at 10 Hz.

titre : MAROT : Un magnétomètre miniature pour l’exploration spatiale

Résumé : Cette thèse porte sur la réalisation d’un magnétomètre dans le but de mesurer les fluctuations de champ magnétique dans les plasmas spatiaux du système solaire. Des magnétomètres de type Search-coil et Fluxgate sont couramment embarqués sur des satellites et produisent des mesures de haute qualité. De nos jours, la recherche utilise de plus en plus de petits satellites dont l’archétype est le « Cubsat » qui est un cube de 10 cm de côté. Cependant, l’instrumentation actuelle ne peut pas être miniaturisée sans compromettre les performances. C’est dans ce cadre que le projet MAROT propose l’élaboration d’un magnétomètre miniature utilisant comme élément sensible des jonctions tunnel magnétiques (MTJ), pour mesurer des champs de l’ordre du picotesla. Les jonctions tunnel magnétiques sont des éléments convertissant une variation d’aimantation en variation de résistance, permettant ainsi de mesurer les variations de champ magnétique. Ces magnétomètres sont déjà utilisés comme capteurs dans de nombreuses applications (automobile, imagerie médicale, capteurs dans des systèmes électroniques…) de par leur haute sensibilité au champ magnétique. Cependant, les MTJ souffrent d’une perte de détectivité à basse fréquence car leur bruit évolue inversement à la fréquence du signal mesuré. Or les basses fréquences (< 100 Hz) sont les fréquences pertinentes pour les plasmas spatiaux. Pour compenser cette limitation, le capteur MAROT contient des concentrateurs de flux (FC) pour amplifier le champ magnétique sur la jonction. L’optimisation du capteur passe d’une part par l’augmentation de sa sensibilité et d’autre part par la diminution du bruit, afin d’atteindre une détectivité de l’ordre du pT/√Hz à 10 Hz. Les jonctions tunnels sont constituées d’un empilement constitué de plusieurs blocs : couche de référence, barrière tunnel, couche libre. Dans ma thèse, j’ai utilisé et réalisé des jonctions tunnels à réponse symétrique, présentant un état antiparallèle à champ nul, obtenu après un recuit sous champ. Cet état, ainsi que la configuration macrospin de la couche libre, minimisant l’hystérèse, est réalisée en piégeant légèrement la couche libre par une couche antiferromagnétique. Lors de cette thèse, tout d’abord, j’ai pu avoir accès à une couche libre à base de FeCoSiB, couche plus amorphe et plus douce que le NiFe précédemment utilisé, permettant une amélioration du rapport de magnétorésistance (TMR) d’un facteur supérieur à 2, jusqu’à 250%. Ces optimisations ont permis de gagner un facteur 3 dans la sensibilité des jonctions. Dans un second temps, j’ai réalisé des simulations de l’amplification du champ magnétique par les concentrateurs de flux (gain) en fonction des dimensions et caractéristiques de l’entrefer. Cette étude m’a permis de dessiner un nouveau design de capteur dans lequel des jonctions en série-parallèle sont ajoutées dans l’entrefer afin d’augmenter le volume magnétique, pour réduire le bruit, tout en maintenant un gain suffisant. Des capteurs avec ce design ont été fabriqués. Les premières mesures indiquent des sensibilités très grandes, de l’ordre de 2000 %/mT. Les mesures de bruit sont en cours, et semblent indiquer que les FC, à base de NiFe déposés par électrolyse, apportent du bruit supplémentaire. La composition de ces FC sera donc à optimiser afin d’améliorer la détectivité, actuellement autour de quelques centaines de pT/√Hz à 10 Hz. Pour finir, j’ai commencé à développer une méthode de hachage de champ magnétique pour réduire le bruit. Une couche magnétostrictive, déposée sur un substrat piézoélectrique soumis à une tension, peut voir sa direction d’anisotropie modifiée. Ce dispositif pourra être placé au-dessus de l’entrefer des FC et utilisé comme un interrupteur magnétique, qui alternativement modifie le flux magnétique sur les jonctions. Un gain d’un facteur au moins 10 sur la détectivité est attendu, ce qui permettra de s’approcher de l’objectif du pT/√Hz à 10 Hz.

Jury :

Daniel Lacour, rapporteur

Guillaume Agnus, rapporteur

Laurence Méchin, examinatrice

Myriam Pannetier-Lecoeur, examinatrice

Thierry Dudok de Wit, examinateur

Thesis supervisors :

Matthieu Kretzschmar, directeur

Hélène Béa, co-directrice

Claire Baraduc, encadrante

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