Senzor kota TMR (Tunneling Magneto Resistance) je visoko{0}}natančen senzor, ki temelji na učinku tunelskega magnetnega upora, ki se pogosto uporablja v industrijskem nadzoru, avtomobilski elektroniki, vesolju in na drugih področjih. Njegovo delovno načelo globoko združuje magnetno teorijo fizike in načelo elektronike, z merjenjem spremembe vrednosti upora za določitev smeri in jakosti magnetnega polja ter nato določi podatke o kotu.
I. Osnovno načelo učinka TMR
Učinek TMR ali tunelski magnetorezistenčni učinek je poseben pojav, ki se pojavi v magnetnih tunelskih spojih (MTJ), ki so sestavljeni iz dveh feromagnetnih plasti (fiksne in proste), ločenih z ne-magnetno izolacijsko plastjo (pregradna plast). Ko je izolacijska plast dovolj tanka (običajno nekaj nanometrov), lahko elektroni prečkajo izolacijsko plast iz ene feromagnetne plasti v drugo pod učinkom kvantnega tuneliranja. Ta proces tuneliranja je izjemno občutljiv na smeri magnetizacije obeh feromagnetnih plasti: ko sta smeri magnetizacije obeh plasti vzporedni, je upor tuneliranja majhen; ko sta smeri magnetizacije antiparalelni, je tunelski upor velik. Zato lahko z merjenjem spremembe upora pred tuneliranjem odraža relativno spremembo smeri magnetizacije obeh feromagnetnih plasti.
II. Zgradba senzorja kota TMR
Senzor kota TMR je običajno sestavljen iz dveh delov: senzorskega čipa TMR in trajnega magneta. Med njimi je v senzorski čip TMR integriranih več struktur MTJ, vsaka struktura MTJ pa vsebuje fiksno plast, pregradno plast in prosto plast. Smer magnetizacije fiksne plasti je med proizvodnim procesom določena in se ne spreminja z zunanjim magnetnim poljem; smer magnetizacije proste plasti je relativno prožna in se lahko spreminja z zunanjim magnetnim poljem. Trajni magnet se uporablja za ustvarjanje stabilnega magnetnega polja in ko se permanentni magnet vrti, se spremeni tudi smer magnetnega polja, ki ga ustvarja, kar vpliva na smer magnetizacije proste plasti v senzorskem čipu TMR.
III. Načelo delovanja senzorja kota TMR
1. Vpliv magnetnega polja na prosto plast
Ko se trajni magnet vrti, se spremeni smer magnetnega polja, ki ga ustvarja. To spremenjeno magnetno polje bo delovalo na prosto plast v senzorskem čipu TMR, kar bo povzročilo ustrezno spremembo smeri magnetizacije proste plasti. Ker je smer magnetizacije proste plasti neposredno povezana z velikostjo tunelskega upora, bo sprememba smeri magnetizacije povzročila spremembo tunelskega upora.
2. Razmerje med spremembo upora in kotom
Pri senzorjih kota TMR je več struktur MTJ običajno razporejenih na senzorskem čipu v skladu z določeno postavitvijo, spremembe upora teh struktur MTJ pa se z zasnovo vezja pretvorijo v merljive električne signale. Ko se permanentni magnet vrti, sprememba smeri magnetnega polja povzroči spremembo smeri magnetizacije proste plasti, kar posledično povzroči spremembo tunelskega upora. Ko se te spremembe upora pretvorijo v električne signale, je mogoče z nadaljnjo obdelavo in analizo določiti kot vrtenja trajnega magneta.
Natančneje, senzorji kota TMR običajno uporabljajo zasnove vezja, kot so Wheatstonovi mostovi, da zmanjšajo učinke zunanjih dejavnikov, kot je temperatura, na rezultate meritev. Ko se trajni magnet vrti, so strukture MTJ na različnih lokacijah na senzorskem čipu izpostavljene magnetnim poljem različnih smeri in velikosti, kar povzroči različne spremembe njihovih vrednosti upora. Te spremembe vrednosti upora ustvarjajo diferencialni signal v Wheatstonovem mostu, katerega velikost je sorazmerna z vrtilnim kotom trajnega magneta. Z merjenjem velikosti tega diferenčnega signala je mogoče določiti kot vrtenja trajnega magneta.
3. Obseg in natančnost merjenja kota
Kotni senzorji TMR imajo običajno široko merilno območje in visoko merilno natančnost. Ker je učinek TMR zelo občutljiv na spremembe v smeri magnetnega polja, lahko senzorji kota TMR izvedejo natančno merjenje majhnih kotnih sprememb. Hkrati se zaradi uporabe brez{2}}kontaktnega merjenja senzor kota TMR izogne težavam, kot sta mehanska obraba in kontaminacija, ter izboljša stabilnost in zanesljivost meritve.
IV. Prednosti in uporaba senzorja kota TMR
1. Prednosti
Visoka natančnost: senzorji kota TMR lahko izvedejo natančno merjenje majhnih kotnih sprememb z visoko natančnostjo merjenja.
Visoka občutljivost: Ker je učinek TMR zelo občutljiv na spremembe v smeri magnetnega polja, ima senzor kota TMR visoko občutljivost.
Nizka poraba energije: kotni senzorji TMR med delovanjem porabijo manj energije, kar prispeva k varčevanju z energijo in zaščiti okolja.
Nizka raven hrupa: kotni senzorji TMR imajo visoko razmerje-in-šumom in lahko natančno merijo podatke o kotu v kompleksnih okoljih.
Nizek temperaturni odmik: S sprejetjem zasnove vezja, kot je Wheatstonov most, lahko senzor kota TMR zmanjša vpliv temperature in drugih zunanjih dejavnikov na rezultate meritev ter ima nizek temperaturni odmik.
2. Uporaba
Industrijski nadzor: V industrijskih avtomatiziranih proizvodnih linijah se lahko senzorji kota TMR uporabljajo za merjenje kota vrtenja in informacij o položaju mehanskih delov za uresničitev natančnega nadzora.
Avtomobilska elektronika: V avtomobilski industriji se senzorji kota TMR lahko uporabljajo za merjenje kota vrtenja in informacij o položaju volanov, volanskih gredi, koles in drugih komponent, da se izboljša stabilnost in varnost avtomobilske vožnje.
Letalstvo: Na področju letalstva se lahko senzorji kota TMR uporabljajo za merjenje položaja, odklona krmila in drugih ključnih parametrov letala, da se zagotovi varnost in stabilnost letala.
V. Sklep
Senzor kota TMR je visoko{0}}natančen senzor, ki temelji na učinku tunelskega magnetnega upora, njegov princip delovanja pa določa smer in jakost magnetnega polja z merjenjem spremembe vrednosti upora, nato pa določi informacije o kotu. Zaradi prednosti visoke natančnosti, visoke občutljivosti, nizke porabe energije, nizkega hrupa in nizkega temperaturnega odnašanja se senzorji kota TMR pogosto uporabljajo v industrijskem nadzoru, avtomobilski elektroniki, vesolju in na drugih področjih. Z nenehnim razvojem in napredkom znanosti in tehnologije bodo kotni senzorji TMR v prihodnosti igrali še pomembnejšo vlogo.