L’objectif de ce projet concerne le développement d’une nouvelle génération de capteurs magnétiques ultra-sensibles intégrés sur la puce micro-électronique avec l’électronique de contre-réaction et de traitement numérique. Les applications concernent la géophysique (étude de signaux magnétiques d’origine terrestre : magnétosphère, Earth breathing, tremblements de terre,..), la médecine (magnéto- cardio- et encéphalo-graphies), le contrôle non destructif ou l’archéologie. D’autres applications comme celles concernant l’astronomie (traitement du signal pour les imageurs hyperfréquences) ou les télécommunications (conversion analogique-numérique) sont possibles à partir de la même technologie, en remplaçant le capteur intégré magnétique par un capteur intégré supraconducteur du champ électromagnétique.

L’intérêt de ces capteurs magnétiques numériques réside dans la combinaison d’une très grande dynamique de mesure à la précision quantique de plus de 150 dB, associée à une fréquence d’échantillonnage très élevée, pouvant atteindre plusieurs dizaines de GHz, et une sensibilité extrême liée à une densité spectrale de bruit de quelques fT.Hz^(-1/2). Cela permet de mesurer des champ magnétiques extrêmement faibles, même en présence de fortes perturbations extérieures.

Cette technologie repose sur l’utilisation de SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device) supraconducteurs, refroidis à la température de l’hélium liquide à 4,2 K. Elle repose également sur la combinaison de différents types de capteurs : SQUID analogiques et SQUIDs numériques, cette dernière technologie étant basée sur le principe de la logique à quantum de flux, ou logique RSFQ (Rapid Single-Flux-Quantum logic). L’intérêt de la logique RSFQ est qu’elle permet d’effectuer des opérations de traitement du signal compliquées directement sur la puce microélectronique, à des cadences très élevées de plusieurs dizaines de Gbits/seconde. Elle offre donc accès à la flexibilité des techniques numériques, nécessaires lorsque des systèmes complexes doivent être développés pour un coût raisonnable, comme des imageurs par exemple, ou pour effectuer facilement des opérations de corrélations et/ou multiplexage à haut débit entre différentes voies. En outre, dans le cas présent, c’est le même composant de base, la jonction Josephson, qui est utilisé pour détecter le champ magnétique et pour traiter numériquement le signal de sortie du capteur.

 Densité spectrale de bruit de la première génération de magnétomètre numérique à SQUID. On peut remarquer 2 signaux associés à la fréquence d’échantillonnage du dispositif et à la présence du secteur électrique.

Un exemple de magnétomètre à SQUID numérique, développé conjointement entre l’Institute of Photonic Technology (IPHT) à Iéna en Allemagne pour la fabrication, l’Université d’Ilmenau (Allemagne) pour la conception et l’Université de Savoie pour les tests est présenté sur la figure ci-dessous. Des tests de tels dispositifs ont été effectués au LSBB pour évaluer leur comportement en environnement à bas bruit. Une nouvelle génération est en cours de développement.

Pascal Febvre, "Digital SQUID Magnetometer Development for Geophysics Applications Validated in Low-Noise Environment," IEEE/CSC & ESAS EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, No. 5, July 2008, http://www.ewh.ieee.org/tc/csc/europe/newsforum/Contents05.html

Contact :http://www.lahc.univ-savoie.fr/supra ,

Pascal FEBVRE <Pascal.Febvre@univ-savoie.fr>,

Elles concernent le développement d’un démonstrateur de magnétomètre numérique 3 axes à SQUIDs en technologie supraconductrice à basse température critique, utilisant la fonderie européenne FLUXONICS basée à l’IPHT en Allemagne.

L’objectif est de combiner la sensibilité ultime des SQUIDs analogiques, de l’ordre de quelques fT/√Hz, avec la grande dynamique des SQUIDs numériques, afin de réaliser des magnétomètres permettant de suivre les signaux magnétiques même en cas de perturbations passagères causées par des évènements extérieurs. La dynamique doit permettre la mesure de champ de plusieurs dizaines de µT, tout en conservant la sensibilité ultime mentionnée ci-dessus.

L’inclusion sur la même puce microélectronique d’un troisième module supraconducteur permettant d’obtenir une référence absolue du champ magnétique mesuré est également un objectif du projet.

T. Reich, Th. Ortlepp, F.H. Uhlmann and P. Febvre, "Experimental analysis of a digital SQUID device at 4.2K," Superconductor, Science and Technology, vol. 18, no. 8, pp. 1077-1081, August 2005.

T. Reich, P. Febvre, Th. Ortlepp, F.H. Uhlmann, J. Kunert, R. Stolz and H.G. Meyer, "Experimental study of a hybrid SFQ digital SQUID magnetometer," Journal of Applied Physics, Vol. 104, Issue 2, 024509, July 2008.

Bjoern Ebert, Torsten Reich, Thomas Ortlepp, Pascal Febvre and F. H. Uhlmann, "Influence of trapped flux on critical currents of Josephson junctions," IEICE Elex, Vol. 5, n° 11, pp.431-436, 2008.