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Résumé :
L’effet de magnétorésistance géante (GMR) permet de fabriquer des capteurs magnétiques avec une bonne sensibilité dont la résistance est proportionnelle au champ magnétique. De plus, ils sont sensibles à petite taille (quelques microns), à température ambiante et selon une direction de sensibilité unique. Ce sont donc des capteurs intéressants pour mesurer les champs magnétiques générés par l’activité électrique des neurones à l’échelle locale, comme les potentiels d’action, dont l’amplitude est attendue entre 10 et 100pT à 1kHz. Comme les capteurs GMR ont une limite de détection (LOD) de l‘ordre du nT à basse fréquence, plusieurs études ont été menées, notamment sur la taille et la composition du capteur GMR pour l’améliorer. La sonde qui implémente ces capteurs pour les mesures in-vivo, appelée magnétrode, a également été optimisée selon deux axes particuliers : sa pointe est affinée pour en limiter l’invasivité d’une part et intègre plusieurs capteurs GMRs qui peuvent notamment réaliser des mesures en 2D d’autre part. Ces magnétrodes ont ainsi été appliquées à la mesure in-vivo sur des rongeurs. Les sondes ainsi développées et optimisées conservent une LOD de 1nT autour de 1kHz et ont gagné en stabilité ce qui a permis de réduire le niveau de bruit pendant les expériences in-vivo en moyennant sur un nombre important d’évènements. De plus, une magnétrode permettant de mesurer un champ magnétique en 2D a été développée. Enfin, les capteurs GMR sont à l’état de l’art sur une magnétrode dont la pointe a été affinée pour une épaisseur finale de 25µm. Les sondes réalisées permettent d’atteindre in-vivo la détection de signaux de l’ordre de 480pT sur la gamme de fréquence des potentiels d’action.
Biomagnetic recordings with spin electronic sensors
Abstract: Magnetic sensors based on the Giant Magnetoresistance (GMR) effect have a good sensitivity with a resistance which is proportional to the external magnetic field. In addition, they are sensitive at small scale (a few microns), at room temperature and along a unique axis of sensitivity. Thus, they are good candidates to measure the magnetic fields generated by the electrical activity of neurons at local scale like action potentials which have an amplitude expected between 10 and 100pT at 1kHz. As GMR sensors have a limit of detection (LOD) in the nT range at low frequency, several studies were conducted, including on the size and composition of the GMR sensor, to improve it. A probe that implements GMR sensors to conduct in-vivo experiments, called magnetrode, was also optimized in two ways. First, the tip thickness is reduced to decrease its invasiveness. Second, several GMR sensors are embedded on the magnetrode and in particular for 2D measurements. The optimized magnetrodes were then used for in-vivo recordings on rodents. They keep a limit of detection of 1 nT around 1 kHz for an increased stability which enables the reduction of the noise level of in-vivo experiments thanks to an averaging over a large number of events. In addition, a magnetrode for 2D measurements was developed. Finally, GMR sensors at the state art are implemented on a magnetrode with a tip thickness decreased down to 25µm. Magnetrodes are able to reach a LOD in the order of 480pT on the frequency range of action potentials.
SPEC/LNO