Senzorul de unghi TMR (Tunneling Magneto Resistance) este un senzor de{0}}înaltă precizie bazat pe efectul de rezistență magneto tunel, care este utilizat pe scară largă în controlul industrial, electronica auto, industria aerospațială și alte domenii. Principiul său de funcționare combină profund teoria magnetică a fizicii și principiul electronicii, prin măsurarea modificării valorii rezistenței pentru a determina direcția și puterea câmpului magnetic și apoi a determina informațiile despre unghi.
I. Principiul de bază al efectului TMR
Efectul TMR, sau efectul de magnetorezistă de tunel, este un fenomen special care are loc în joncțiunile tunel magnetice (MTJ), care constau din două straturi feromagnetice (fixe și libere) separate de un strat izolator ne-magnetic (stratul barieră). Când stratul izolator este suficient de subțire (de obicei câțiva nanometri), electronii pot traversa stratul izolator de la un strat feromagnetic la altul sub efectul tunelului cuantic. Acest proces de tunelare este extrem de sensibil la direcțiile de magnetizare ale celor două straturi feromagnetice: când direcțiile de magnetizare ale celor două straturi sunt paralele, rezistența de tunelare este mică; când direcțiile de magnetizare sunt antiparalele, rezistența de tunel este mare. Prin urmare, prin măsurarea modificării rezistenței de tunel, aceasta poate reflecta schimbarea relativă a direcției de magnetizare a celor două straturi feromagnetice.
II. Structura senzorului de unghi TMR
Senzorul de unghi TMR constă de obicei din două părți: cipul senzorului TMR și magnetul permanent. Printre acestea, mai multe structuri MTJ sunt integrate în interiorul cipului senzorului TMR, iar fiecare structură MTJ conține un strat fix, un strat de barieră și un strat liber. Direcția de magnetizare a stratului fix este fixată în timpul procesului de fabricație și nu se modifică cu câmpul magnetic extern; direcția de magnetizare a stratului liber este relativ flexibilă și se poate modifica cu câmpul magnetic extern. Magnetul permanent este folosit pentru a genera un câmp magnetic stabil, iar atunci când magnetul permanent se rotește, se va schimba și direcția câmpului magnetic pe care îl generează, afectând astfel direcția de magnetizare a stratului liber din cipul senzorului TMR.
III. Principiul de funcționare al senzorului de unghi TMR
1. Influența câmpului magnetic asupra stratului liber
Când magnetul permanent se rotește, direcția câmpului magnetic pe care îl produce se schimbă. Acest câmp magnetic modificat va acționa asupra stratului liber din cipul senzorului TMR, determinând modificarea în consecință a direcției de magnetizare a stratului liber. Deoarece direcția de magnetizare a stratului liber este direct legată de mărimea rezistenței de tunel, o schimbare a direcției de magnetizare va duce la o schimbare a rezistenței de tunel.
2. Relația dintre schimbarea rezistenței și unghi
În senzorii de unghi TMR, mai multe structuri MTJ sunt de obicei aranjate pe cipul senzorului în conformitate cu un anumit aspect, iar schimbările de rezistență ale acestor structuri MTJ sunt convertite în semnale electrice măsurabile prin proiectarea circuitului. Când magnetul permanent se rotește, schimbarea direcției câmpului magnetic duce la o schimbare a direcției de magnetizare a stratului liber, care, la rândul său, provoacă o modificare a rezistenței de tunel. După ce aceste modificări de rezistență sunt convertite în semnale electrice, unghiul de rotație al magnetului permanent poate fi determinat prin procesare și analiză ulterioară.
Mai exact, senzorii de unghi TMR folosesc de obicei design de circuite, cum ar fi podurile Wheatstone, pentru a minimiza efectele factorilor externi, cum ar fi temperatura, asupra rezultatelor măsurătorilor. Când magnetul permanent se rotește, structurile MTJ din diferite locații de pe cipul senzorului sunt supuse unor câmpuri magnetice de direcții și dimensiuni diferite, ceea ce duce la modificări diferite ale valorilor rezistenței lor. Aceste modificări ale valorilor rezistenței generează un semnal diferențial în puntea Wheatstone, a cărui dimensiune este proporțională cu unghiul de rotație al magnetului permanent. Măsurând mărimea acestui semnal diferențial, se poate determina unghiul de rotație al magnetului permanent.
3. Interval de măsurare a unghiului și precizie
Senzorii de unghi TMR au de obicei o gamă largă de măsurare și o precizie ridicată de măsurare. Deoarece efectul TMR este foarte sensibil la schimbările în direcția câmpului magnetic, senzorii de unghi TMR sunt capabili să realizeze măsurarea precisă a modificărilor unghiulare mici. În același timp, datorită utilizării măsurătorii fără-contact, senzorul de unghi TMR evită probleme precum uzura mecanică și contaminarea și îmbunătățește stabilitatea și fiabilitatea măsurării.
IV. Avantajele și aplicațiile senzorului de unghi TMR
1. Avantaje
Precizie ridicată: Senzorii de unghi TMR pot realiza măsurarea precisă a modificărilor unghiulare mici, cu o precizie ridicată de măsurare.
Sensibilitate ridicată: Deoarece efectul TMR este foarte sensibil la schimbările în direcția câmpului magnetic, astfel încât senzorul de unghi TMR are o sensibilitate ridicată.
Consum redus de energie: Senzorii de unghi TMR consumă mai puțină energie în timpul funcționării, ceea ce favorizează economisirea energiei și protecția mediului.
Zgomot redus: senzorii de unghi TMR au un raport semnal-la-zgomot ridicat și pot măsura cu precizie informațiile despre unghi în medii complexe.
Deriva de temperatură scăzută: Prin adoptarea unui design de circuit, cum ar fi podul Wheatstone, senzorul de unghi TMR poate reduce influența temperaturii și a altor factori externi asupra rezultatelor măsurării și are o deviere scăzută a temperaturii.
2. Aplicare
Control industrial: În liniile de producție automate industriale, senzorii de unghi TMR pot fi utilizați pentru a măsura unghiul de rotație și informațiile despre poziție ale pieselor mecanice pentru a realiza un control precis.
Electronică auto: În industria auto, senzorii de unghi TMR pot fi utilizați pentru a măsura unghiul de rotație și informațiile despre poziție ale volanelor, arborilor volanului, roților și altor componente, pentru a îmbunătăți stabilitatea și siguranța conducerii auto.
Aerospațial: În domeniul aerospațial, senzorii de unghi TMR pot fi utilizați pentru a măsura atitudinea, deviația cârmei și alți parametri cheie ai aeronavei pentru a asigura siguranța și stabilitatea aeronavei.
V. Concluzie
Senzorul de unghi TMR este un senzor de-înaltă precizie bazat pe efectul de magnetorezistă tunel, iar principiul său de funcționare determină direcția și intensitatea câmpului magnetic prin măsurarea modificării valorii rezistenței și apoi determină informațiile despre unghi. Datorită avantajelor sale de precizie ridicată, sensibilitate ridicată, consum redus de energie, zgomot scăzut și deviere de temperatură scăzută, senzorii de unghi TMR sunt utilizați pe scară largă în controlul industrial, electronica auto, aerospațială și alte domenii. Odată cu dezvoltarea continuă și progresul științei și tehnologiei, senzorii de unghi TMR vor juca un rol și mai important în viitor.