Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé un nouveau capteur magnétique hybride qui est plus sensible que la plupart des capteurs disponibles dans le commerce. Cette percée technologique salue des opportunités pour le développement de capteurs plus petits et moins chers pour divers domaines tels que l'électronique grand public, technologies de l'information et de la communication, biotechnologie et automobile.

L'invention, dirigé par le professeur agrégé Yang Hyunsoo du département de génie électrique et informatique de la faculté de génie de NUS, a été publié dans la revue Communication Nature en septembre 2015.

Capteurs magnétiques hautes performances recherchés

Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à certains matériaux, un changement de résistance électrique, également connu sous le nom de magnétorésistance, se produit lorsque les électrons sont déviés. La découverte de la magnétorésistance a ouvert la voie aux capteurs de champ magnétique utilisés dans les disques durs et autres appareils, révolutionner la façon dont les données sont stockées et lues.

A la recherche d'un capteur à magnétorésistance idéal, les chercheurs ont apprécié les propriétés de haute sensibilité aux champs magnétiques faibles et élevés, accordabilité, et de très faibles variations de résistance dues à la température.

Le nouveau capteur hybride développé par l'équipe dirigée par Assoc Prof Yang, qui fait également partie du NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) et du Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) de la NUS Faculty of Science, peut enfin répondre à ces exigences. Les autres membres de l'équipe de recherche interdisciplinaire comprennent le Dr Kalon Gopinadhan de NUSNNI et CA2DM; Professeur Thirumalai Venkatesan, Directeur de NUSNNI; le professeur Andre K. Geim de l'Université de Manchester; et le professeur Antonio H. Castro Neto du département de physique NUS et directeur du CA2DM.

Plus de 200 fois plus sensible que les capteurs disponibles dans le commerce

Le nouveau capteur, composé de graphène et de nitrure de bore, comprend quelques couches de canaux de déplacement de porteurs, dont chacun peut être contrôlé par le champ magnétique. Les chercheurs ont caractérisé le nouveau capteur en le testant à différentes températures, angles de champ magnétique, et avec un matériel d'appariement différent.

Le Dr Kalon a dit :"Nous avons commencé par essayer de comprendre comment le graphène réagit sous le champ magnétique. Nous avons découvert qu'une structure bicouche de graphène et de nitrure de bore affiche une réponse extrêmement large avec des champs magnétiques. Cette combinaison peut être utilisée pour des applications de détection de champ magnétique."

Par rapport aux autres capteurs existants, qui sont généralement constitués d'antimoniure de silicium et d'indium, le capteur hybride du groupe affichait une sensibilité beaucoup plus élevée aux champs magnétiques. En particulier, lorsqu'il est mesuré à 127 degrés Celsius (la température maximale à laquelle la plupart des produits électroniques fonctionnent), les chercheurs ont observé un gain de sensibilité de plus de huit fois par rapport aux résultats de laboratoire précédemment rapportés et de plus de 200 fois celui de la plupart des capteurs disponibles dans le commerce.

Une autre percée dans cette recherche a été la découverte que la mobilité des multicouches de graphène peut être partiellement ajustée en ajustant la tension aux bornes du capteur, permettant d'optimiser les caractéristiques du capteur. Ce contrôle donne au matériau un avantage par rapport aux capteurs disponibles dans le commerce. En outre, le capteur a montré une très faible dépendance de la température par rapport à la température ambiante jusqu'à une plage de 127 degrés Celsius, ce qui en fait un capteur idéal adapté aux environnements à température plus élevée.

Répondre à la demande de l'industrie

L'industrie des capteurs à magnétorésistance, estimé à 1,8 milliard de dollars en 2014, devrait atteindre 2,9 milliards de dollars d'ici 2020. Les capteurs à magnétorésistance à base de graphène sont très prometteurs par rapport aux capteurs existants en raison de leurs performances stables face aux variations de température, éliminant la nécessité de plaquettes coûteuses ou de circuits de correction de température. Le coût de production du graphène est également bien inférieur à celui de l'antimoniure de silicium et d'indium.

Les applications potentielles du nouveau capteur incluent l'industrie automobile, où les capteurs dans les voitures, situé dans des appareils comme les débitmètres, capteurs de position et verrouillages, sont actuellement en antimoniure de silicium ou d'indium. Par exemple, lorsqu'il y a un changement de température dû au climatiseur de la voiture ou à la chaleur du soleil, les propriétés des capteurs conventionnels de la voiture changent également. Pour contrer cela, un mécanisme de correction de température est requis, entraînant des coûts de production supplémentaires. Cependant, avec le nouveau capteur hybride de l'équipe, le besoin de plaquettes coûteuses pour fabriquer les capteurs, et des circuits de correction de température supplémentaires peuvent être éliminés.

"Notre capteur est parfaitement prêt à poser un sérieux défi sur le marché de la magnétorésistance en comblant les lacunes de performance des capteurs existants, et trouver des applications comme interrupteurs thermiques, disques durs et capteurs de champ magnétique. Notre technologie peut même être appliquée à des applications flexibles, " a ajouté le professeur Assoc Yang.

L'équipe de recherche a déposé un brevet pour l'invention. Suite à cette étude de preuve de concept, les chercheurs prévoient d'intensifier leurs études et de fabriquer des plaquettes de taille industrielle à usage industriel.