El sensor d'angle TMR (Tunneling Magneto Resistance) és un sensor d'alta{0}}precisió basat en l'efecte de resistència del magneto de túnel, que s'utilitza àmpliament en el control industrial, l'electrònica de l'automòbil, l'aeroespacial i altres camps. El seu principi de funcionament combina profundament la teoria magnètica de la física i el principi de l'electrònica, mesurant el canvi de valor de resistència per determinar la direcció i la força del camp magnètic, i després determinar la informació de l'angle.
I. El principi bàsic de l'efecte TMR
L'efecte TMR, o efecte de magnetoresistència de túnel, és un fenomen especial que es produeix a les unions de túnel magnètics (MTJ), que consisteixen en dues capes ferromagnètiques (fixes i lliures) separades per una capa aïllant no-magnètica (capa barrera). Quan la capa aïllant és prou prima (generalment uns pocs nanòmetres), els electrons poden travessar la capa aïllant d'una capa ferromagnètica a l'altra sota l'efecte del túnel quàntic. Aquest procés de túnel és extremadament sensible a les direccions de magnetització de les dues capes ferromagnètiques: quan les direccions de magnetització de les dues capes són paral·leles, la resistència de túnel és petita; quan les direccions de magnetització són antiparal·leles, la resistència al túnel és gran. Per tant, mesurant el canvi de resistència al túnel, pot reflectir el canvi relatiu de la direcció de magnetització de les dues capes ferromagnètiques.
II. Estructura del sensor d'angle TMR
El sensor d'angle TMR normalment consta de dues parts: el xip del sensor TMR i l'imant permanent. Entre elles, diverses estructures MTJ estan integrades dins del xip del sensor TMR, i cada estructura MTJ conté una capa fixa, una capa barrera i una capa lliure. La direcció de magnetització de la capa fixa es fixa durant el procés de fabricació i no canvia amb el camp magnètic extern; la direcció de magnetització de la capa lliure és relativament flexible i pot canviar amb el camp magnètic extern. L'imant permanent s'utilitza per generar un camp magnètic estable i, quan l'imant permanent gira, la direcció del camp magnètic que genera també canviarà, afectant així la direcció de magnetització de la capa lliure del xip del sensor TMR.
III. Principi de funcionament del sensor d'angle TMR
1. Influència del camp magnètic sobre la capa lliure
Quan l'imant permanent gira, la direcció del camp magnètic que produeix canvia. Aquest camp magnètic canviat actuarà sobre la capa lliure del xip del sensor TMR, fent que la direcció de magnetització de la capa lliure canviï en conseqüència. Com que la direcció de magnetització de la capa lliure està directament relacionada amb la magnitud de la resistència al túnel, un canvi en la direcció de magnetització donarà lloc a un canvi en la resistència al túnel.
2. Relació entre canvi de resistència i angle
En els sensors d'angle TMR, les estructures MTJ múltiples solen estar disposades al xip del sensor segons un disseny determinat, i els canvis de resistència d'aquestes estructures MTJ es converteixen en senyals elèctrics mesurables mitjançant el disseny del circuit. Quan l'imant permanent gira, el canvi en la direcció del camp magnètic comporta un canvi en la direcció de la magnetització de la capa lliure, que al seu torn provoca un canvi en la resistència al túnel. Després de convertir aquests canvis de resistència en senyals elèctrics, l'angle de gir de l'imant permanent es pot determinar mitjançant un processament i anàlisi posteriors.
Concretament, els sensors d'angle TMR solen emprar dissenys de circuits com els ponts de Wheatstone per minimitzar els efectes de factors externs com la temperatura en els resultats de la mesura. Quan l'imant permanent gira, les estructures MTJ en diferents llocs del xip del sensor estan sotmeses a camps magnètics de diferents direccions i mides, donant lloc a diferents canvis en els seus valors de resistència. Aquests canvis en els valors de resistència generen un senyal diferencial al pont de Wheatstone, la mida del qual és proporcional a l'angle de rotació de l'imant permanent. Mitjançant la mesura de la mida d'aquest senyal diferencial, es pot determinar l'angle de gir de l'imant permanent.
3. Interval de mesura de l'angle i precisió
Els sensors d'angle TMR solen tenir un ampli rang de mesura i una alta precisió de mesura. Com que l'efecte TMR és molt sensible als canvis en la direcció del camp magnètic, els sensors d'angle TMR són capaços de mesurar amb precisió els petits canvis angulars. Al mateix temps, a causa de l'ús de mesures sense-contacte, el sensor d'angle TMR evita problemes com ara el desgast mecànic i la contaminació, i millora l'estabilitat i la fiabilitat de la mesura.
IV. Avantatges i aplicacions del sensor d'angle TMR
1. Avantatges
Alta precisió: els sensors d'angle TMR poden realitzar la mesura precisa de petits canvis angulars, amb una alta precisió de mesura.
Alta sensibilitat: com que l'efecte TMR és molt sensible als canvis en la direcció del camp magnètic, el sensor d'angle TMR té una alta sensibilitat.
Baix consum d'energia: els sensors d'angle TMR consumeixen menys energia durant el funcionament, cosa que afavoreix l'estalvi d'energia i la protecció del medi ambient.
Baix soroll: els sensors d'angle TMR tenen una relació senyal-a-alta i poden mesurar amb precisió la informació de l'angle en entorns complexos.
Deriva de baixa temperatura: adoptant un disseny de circuits com el pont de Wheatstone, el sensor d'angle TMR pot reduir la influència de la temperatura i altres factors externs en els resultats de la mesura i té una deriva de baixa temperatura.
2. Aplicació
Control industrial: a les línies de producció automatitzades industrials, els sensors d'angle TMR es poden utilitzar per mesurar l'angle de rotació i la informació de posició de les peces mecàniques per aconseguir un control precís.
Electrònica de l'automòbil: a la indústria de l'automòbil, els sensors d'angle TMR es poden utilitzar per mesurar l'angle de rotació i la informació de posició dels volants, els eixos del volant, les rodes i altres components, per millorar l'estabilitat i la seguretat de la conducció d'automòbils.
Aeroespacial: en el camp aeroespacial, els sensors d'angle TMR es poden utilitzar per mesurar l'actitud, la deflexió del timó i altres paràmetres clau de l'aeronau per garantir la seguretat i l'estabilitat de l'avió.
V. Conclusió
El sensor d'angle TMR és un sensor d'alta-precisió basat en l'efecte de magnetoresistència del túnel, i el seu principi de funcionament determina la direcció i la força del camp magnètic mesurant el canvi del valor de la resistència i, a continuació, determina la informació de l'angle. A causa dels seus avantatges d'alta precisió, alta sensibilitat, baix consum d'energia, baix soroll i baixa temperatura, els sensors d'angle TMR s'utilitzen àmpliament en el control industrial, l'electrònica de l'automòbil, l'aeroespacial i altres camps. Amb el desenvolupament continu i el progrés de la ciència i la tecnologia, els sensors d'angle TMR tindran un paper encara més important en el futur.