Numeroase aplicații ar fi de neconceput fără magnetometre. Altele capătă funcții noi sau îmbunătățite prin adăugarea senzorilor corespunzători. Noua tehnologie TMR (tunnel magnetoresistance – magnetorezistență tunel) deschide acum și mai multe posibilități.
Magnetometrele măsoară un câmp magnetic sau un moment magnetic de dipol. Un magnetometru tipic este o busolă. Acesta măsoară direcția unui câmp magnetic înconjurător, în acest caz câmpul magnetic al Pământului. Diverse tipuri de senzori magnetici, pe de altă parte, detectează direcția, intensitatea sau schimbarea relativă a unui câmp magnetic într-un anumit loc.
Magnetometrele au fost utilizate în industria automobilelor și în aplicații industriale timp de multe decenii; în electronica de consum, acestea sunt standard în telefoane inteligente, dispozitive portabile și ochelari pentru realitate augmentată/realitate virtuală (AR/VR), de exemplu, precum și în drone și roboți, dispozitive inteligente pentru locuințe și aplicații IoT. În plus, există noi domenii de aplicare interesante, cum ar fi orientarea capului pentru audio 3D, îmbunătățirea navigației în interior, poziționarea și detectarea vitezei. O modalitate de punere în aplicare a acestora este cu ajutorul senzorilor Hall.
Senzorii Hall ocupă un volum mare de piață
Un senzor Hall este un element senzorial pentru detectarea efectului Hall sau a tensiunii Hall. Descoperirea senzorilor Hall a fost făcută de Edwin Hall. În 1879, omul de știință a descoperit că un magnet plasat perpendicular pe un conductor purtător de curent atrage electronii care circulă în conductor într-o parte, creând o diferență de sarcină (adică o tensiune). Astfel, efectul Hall este un indicator al câmpului magnetic din apropierea unui conductor și al intensității acestuia. Este utilizat în senzori pentru a indica prezența, absența sau intensitatea unui câmp magnetic pe baza tensiunii Hall rezultate. Senzorii Hall înalt integrați de astăzi încorporează diverse funcții de condiționare a semnalului senzorului, cum ar fi o matrice diferențială de elemente Hall, amplificatoare de instrumentație, convertoare A/D și chiar microcontrolere (în funcție de versiune). Astfel, deși senzorii Hall funcționează prin detectarea unui câmp magnetic, aceștia pot fi utilizați pentru a măsura mulți parametri, cum ar fi poziția, temperatura, curentul și presiunea.
Datorită nivelului lor ridicat de dezvoltare și a costurilor reduse de producție, senzorii Hall au ocupat, mult timp, un volum de piață semnificativ. În esență, aceștia constau dintr-o bucată subțire dintr-un material semiconductor dreptunghiular de tip p, cum ar fi arsenura de galiu (GaAs), antimonura de indiu (InSb) sau arsenura de indiu (InAs), prin care trece un curent continuu. Atunci când senzorul se află într-un câmp magnetic, liniile de flux magnetic exercită o forță asupra materialului semiconductor care deviază purtătorii de sarcină, electronii și golurile de o parte și de alta a plachetei semiconductoare. Această mișcare a purtătorilor de sarcină rezultă din forța magnetică pe care o resimt în timp ce trec prin materialul semiconductor. Tensiunea de ieșire a elementului Hall, cunoscută sub numele de tensiune Hall (UH), este proporțională cu intensitatea câmpului magnetic care penetrează materialul semiconductor (ieșire: a H). Cu toate acestea, senzorii Hall din siliciu au o putere de ieșire limitată, o precizie scăzută și un offset mare.
Senzori AMR cu aplicații limitate
O alternativă la senzorul Hall este senzorul AMR (magnetorezistență anizotropică). Magnetorezistența (MR) modifică rezistența electrică a unui conductor datorită unui câmp magnetic. Atunci când rezistența electrică scade sub acțiunea câmpului magnetic, aceasta se numește magnetorezistență negativă.
În general, sunt utilizate două definiții ale rezistenței magnetice procentuale: MR0 este definită ca diferența dintre rezistența cu câmp magnetic (n. red.: rezistența materialului atunci când este expus la un câmp magnetic) și rezistența fără câmp magnetic împărțită la rezistența fără câmp magnetic.
MRP, pe de altă parte, este diferența dintre rezistența cu câmp magnetic și rezistența în câmp saturat împărțită la rezistența în câmp saturat. Valoarea maximă poate fi, arbitrar, mare.
Efectul AMR a fost descoperit în 1856 și utilizat pentru prima dată ca traductor pentru citirea benzii magnetice în 1971. Honeywell a dezvoltat memoria magnetică cu acces aleatoriu (MRAM) bazată pe efectul AMR.
Un senzor AMR poate fi, de exemplu, utilizat ca busolă pentru a măsura câmpul magnetic al Pământului. În rest, aplicațiile sale sunt, într-o oarecare măsură, limitate. Acest lucru se datorează numărului mare de furnizori de semiconductori care oferă o gamă de senzori AMR, dar magnetorezistența acestora este de obicei mai mică de cinci procente. Senzorii AMR convenționali necesită, de asemenea, circuite suplimentare sau magneți permanenți pentru a restabili magnetizarea filmului subțire după utilizare. Acest lucru complică ambalarea și adaugă costuri suplimentare.
Senzori GMR pentru o mulțime de aplicații
Pe de altă parte, există efectul de magnetorezistență gigantică (GMR), pe care Peter Grünberg și Albert Fert l-au observat, separat, în 1986, acest efect indicând un comportament magnetoelectronic neobișnuit în straturile de Fe/Cr/Fe. Ambii au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2007 pentru această descoperire.
Atunci când două straturi de fier sunt cuplate feromagnetic prin intermediul unui strat de crom nemagnetic, rezistența este scăzută deoarece electronii pot trece la al doilea strat de fier fără a-și schimba spinul. Raportul MR în structura metalică de tip valve de spin este, de obicei, de aproximativ zece procente.
IBM a utilizat de curând senzorii GMR drept capete magnetice de citire în hard disk-uri pentru a obține capacități de stocare mai mari. În prezent, senzorii GMR se utilizează și în alte aplicații.
Tehnologia TMR stimulează inovarea
Cu toate acestea, dezvoltarea magnetometrelor nu s-a oprit aici; de atunci, tehnologia senzorilor magnetici TMR a devenit un element inovator. Aceasta este mai precisă, prezintă mai puțin zgomot și consumă mai puțină energie decât tehnologiile magnetometrice anterioare. Datorită acestor caracteristici, este pe cale să înlocuiască din ce în ce mai mult senzorii Hall.
Descoperirea efectului TMR a deschis, de asemenea, noi posibilități de utilizare a fenomenelor magnetoelectronice în industria informatică, cum ar fi stocarea permanentă a datelor bazată pe efectul MR în sisteme stratificate. Dezvoltarea tehnică a acestei memorii MRAM poate fi urmărită începând cu IBM, printre alții. Primele produse au apărut pe piață în urmă cu aproximativ 20 de ani. În prezent, toate hard disk-urile moderne utilizează capete de citire/scriere TMR.
MRAM-urile combină avantajele memoriei semiconductoare – timpi rapizi de acces – și ale materialelor magnetice – densitate mare de stocare. În plus, aceste memorii nevolatile sunt robuste, autonome din punct de vedere energetic și rezistente la radiații. MRAM oferă, de asemenea, o citire nedistructivă și pot stoca date chiar și fără sursă de alimentare.
În prezent, stocarea datelor cu ajutorul memoriei dinamice cu acces aleatoriu (DRAM) este, în continuare, tehnologia predominantă. Totuși, aceasta are dezavantajul de a pierde datele în cazul unei pene de curent. În plus, sistemele de stocare necesită o reîmprospătare periodică pentru a preveni pierderea datelor. Deși se părea că semiconductorii de siliciu din DRAM sunt înlocuiți treptat de tehnologiile TMR, memoriile MRAM se regăsesc doar în aplicații de nișă și își așteaptă încă descoperirea comercială. Cu toate acestea, în ultimii ani, cota lor de piață pe piețele auto, de consum și industriale a crescut peste măsură în comparație cu alte tehnologii precum Hall, AMR și GMR.
Figura 1: TMR cu două straturi feromagnetice și un strat izolant intermediar. (Sursă imagine: Bosch Sensortec)
Efectul TMR
Efectul TMR se bazează pe ceva asemănător efectului GMR. Acesta a fost descoperit pentru prima dată de Michel Jullière în 1975 în joncțiunile Fe/Ge-O/Co la 4,2 K. Modificarea rezistenței relative a fost de aproximativ 14% și nu a atras prea multă atenție. În 1991, Terunobu Miyazaki a descoperit o modificare de 2,7% la temperatura camerei. Trei ani mai târziu, Miyazaki a găsit 18 procente în compuși de fier separați de un izolator de alumină amorfă. Jagadeesh Moodera a măsurat 11,8 procente în compuși cu electrozi de CoFe și Co.
Spre deosebire de GMR, care are un strat nemagnetic, TMR presupune inserarea unui strat neconductor între două straturi magnetice. Acest lucru se realizează cu ajutorul unei joncțiuni magnetice tunel, o componentă formată din doi feromagneți separați de un izolator subțire (Figura 1).
Dacă stratul izolator este suficient de subțire (de obicei câțiva nanometri), electronii pot trece prin bariera de tunel de la un strat feromagnetic la celălalt. Probabilitatea acestui lucru depinde, de asemenea, de spin, ceea ce duce la valori MR ridicate pentru magnetizarea paralelă în raport cu cea antiparalelă a spinilor din straturile de joncțiune magnetică tunel. Cele mai mari efecte sunt așteptate pentru materialele cu electroni complet polarizați prin spin.
Deoarece procesul de tunelare este interzis în fizica tradițională, TMR este un fenomen de mecanică cuantică. Direcția celor două magnetizări ale straturilor feromagnetice poate fi modificată de un câmp magnetic extern.
Figura 2: Efectul TMR: Dacă direcțiile de magnetizare ale stratului liber și ale stratului fixat sunt paralele, rezistența este scăzută și circulă un curent mare (stânga). În cazul în care aceste direcții sunt opuse, rezistența este ridicată și circulă doar un curent slab (dreapta). (Sursă imagine: Bosch Sensortec)
Dacă magnetizările sunt aliniate paralel, este mai probabil ca electronii să treacă prin tunel prin stratul izolant decât dacă acestea ar fi aliniate în direcții opuse (antiparalele). Aceasta înseamnă că este posibilă comutarea între două stări de rezistență electrică, una cu rezistență scăzută și una cu rezistență ridicată (Figura 2).
Structura unui strat de pelicule subțiri
Efectul TMR poate fi utilizat în numeroase aplicații. Totuși, pentru a face acest lucru, este necesară construirea unui strat de pelicule subțiri. Trucul constă în a avea un singur strat feromagnetic liber.
Joncțiunea magnetică tunel (MTJ) din figura 3 utilizează ceea ce se numește cuplaj prin schimb. Această structură TMR este un multistrat MTJ situat între doi electrozi într-o geometrie în care curentul circulă perpendicular pe plan. Stiva complexă este formată din electrozi dubli de schimb, compuși dintr-un electrod inferior, un antiferomagnet inferior (AFM), un strat fixat (PL), un distanțier, un strat de referință (RL), o barieră de tunel, un strat de detecție (SL) și electrodul superior.
Pentru a crește câmpul de schimb și pentru a face joncțiunea MTJ mai stabilă din punct de vedere termic, se poate utiliza o structură antiferomagnetică sintetică (SAF) în locul unui singur strat feromagnetic (FM) din stratul fixat adiacent la AFM. Structura SAF constă din două sau mai multe straturi FM separate prin straturi subțiri de ruteniu și cuplate prin interacțiunea RKKY (Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida). Pentru a fixa magnetizarea stratului fixat (pinned layer) într-o singură direcție, se folosește cuplajul de schimb între straturile FM și AFM. Doar câmpurile magnetice care depășesc câmpul de schimb pot inversa magnetizarea stratului fixat. Săgețile din figura 3 arată direcția magnetizării și direcția câmpului magnetic aplicat.
Figura 3: Reprezentare grafică a unui strat MTJ și orientarea vectorilor de intrare utilizați pentru simulare în raport cu axele de coordonate. (Sursă imagine: Bosch Sensortec)
Rata de modificare a rezistenței într-o structură multistrat este definită ca raport MR. Aici, valorile MR ale elementelor convenționale AMR și GMR sunt de aproximativ cinci și, respectiv, zece procente. Pentru elementul TMR, mult mai sensibil, aceasta este de 100% sau mai mult.
De ce este TMR atât de sensibil? După cum s-a descris, elementul GMR constă dintr-un metal nemagnetic (de exemplu, cupru) intercalat între două straturi feromagnetice. Transferul de electroni are loc prin conducție electrică în metal. Într-un element TMR, însă, transferul de electroni are loc printr-un efect de tunelare cuantică. Prin urmare, atunci când stratul fixat și stratul liber au momente magnetice orientate în direcții opuse (antiparalele), electronii din TMR sunt blocați și nu pot trece prin bariera de tunel, ceea ce determină o creștere semnificativă a rezistenței. În schimb, într-un GMR, deși electronii întâmpină dificultăți în a trece prin bariera nemetalică, blocarea nu este la fel de completă sau clar definită. Ca urmare, un element TMR are un raport MR extrem de mare și transmite semnale foarte clare, de exemplu da/nu sau 1 (când electronii trec) / 0 (când electronii sunt blocați), în funcție de polarizarea de spin a metalelor utilizate.
Noul magnetometru bazat pe tehnologia TMR
Noul magnetometru cu 3 axe BMM350 de la Bosch Sensortec se bazează pe această tehnologie TMR. Sensibilitatea sa mult mai mare în comparație cu senzorii Hall, AMR și GMR standard duce la o precizie de măsurare semnificativ mai mare. În plus, senzorii TMR au o stabilitate mai bună la temperatură și oferă un timp de răspuns mai rapid (Figura 4).
Figura 4: Datorită sensibilității sale ridicate, magnetometrul cu 3 axe BMM350 de la Bosch Sensortec oferă rezultate de măsurare foarte precise. (Sursă imagine: Bosch Sensortec)
Astfel, cu BMM350 se pot realiza și îmbunătăți dispozitive purtabile și auditive, telefoane inteligente și tablete, dispozitive AR și VR, precum și aplicații pentru vehicule. Datorită dimensiunilor sale reduse, magnetometrul este aproape invizibil: capsula WLCSP (wafer-level chip-scale package) măsoară doar 1,28 mm × 1,28 mm × 0,5 mm.
În comparație cu generația anterioară (BMM150), BMM350 oferă performanțe semnificativ îmbunătățite. Consumul său mediu de energie este de numai 200μA la o rată de date de 100Hz, adică, un consum de douăzeci de ori mai mic decât al predecesorului său. Zgomotul pe axa x/y este de trei ori mai mic, iar sensibilitatea de măsurare este de patru ori mai precisă în comparație cu BMM150. Funcția sa de recuperare după ce a fost expus la șocuri sau perturbații în câmpul magnetic face ca BMM350 să fie foarte rezistent la câmpurile magnetice externe, asigurând în orice moment o precizie de nivel înalt.
Lista aplicațiilor posibile pentru senzorii TMR, precum BMM350, este lungă. Ca senzori de poziție (cu una, două sau trei axe), aceștia pot măsura rotația sau mișcarea liniară sau câmpul magnetic al Pământului servind drept busolă.
În domeniul auditiv, BMM350 îmbunătățește orientarea și poziția capului în aplicațiile audio 3D. În acest caz, combinația cu senzorii inerțiali și software-ul inteligent de fuziune compensează deviația vitezei de rotație care apare întotdeauna. În căștile AR și VR disponibile în comerț, este important ca magnetometrul să fie combinat cu accelerometrul și cu senzorul vitezei de rotație pentru a reduce latența pixelilor. Acest lucru îmbunătățește experiența utilizatorului și previne senzația de greață.
Pentru navigația în interior, unde nu este disponibil un semnal GPS, BMM350 poate acționa ca un ghid digital și poate crește precizia poziției.
Capabilitatea sa de măsurare a vitezei nu este interesantă doar pentru aplicațiile auto – cu magneți polarizați în spate sau codificatoare magnetice, senzorul TMR poate măsura, totodată, viteza roților la bicicletele electrice.
Măsurarea curentului este o altă aplicație interesantă pentru senzorii TMR. Ca elemente neinvazive de măsurare a curentului, acestea sunt ideale pentru multe aplicații, inclusiv în distribuția de energie, electronica de putere și tehnologia de propulsie. Acest lucru se datorează sensibilității și liniarității mai mari decât a senzorilor Hall, AMR și GMR.
În plus, acestea sunt stabile, mici și ușor de integrat, au un consum redus de energie și, de obicei, o bandă largă de frecvență.
Concluzie
Tehnologia TMR, așa cum este utilizată în senzorul BMM350 de la Bosch Sensortec, permite o experiență mai bună a utilizatorului pentru multe aplicații, precum și cazuri de utilizare complet noi, interesante, care nu pot fi implementate cu alte tehnologii.
Autori:
Maria Alejandra Salazar Martinez, Corporate Product Manager Analog & Sensors la Rutronik,
Thomas Block, Product Manager la Bosch Sensortec
Rutronik | https://www.rutronik.com
