4.5.1 Magnetorezistivitate

Unele aliaje feromagnetice prezintă rezistivitate anizotropă, ceea ce înseamnă că rezistivitatea depinde de direcția curentului prin material. Această proprietate rezultă din interacțiunea dintre purtătorii de sarcină și momentele magnetice din material. Deci, rezistivitatea depinde de magnetizarea materialului. Acest efect, denumit magnetorezistivitate anizotropică (AMR), a fost descoperit de W. Thomson în 1856 și se manifestă în materiale precum fierul, nichelul și aliajele acestor metale (permalloy). Efectul este destul de mic și necesită straturi foarte subțiri care să fie utile pentru aplicațiile de detectare. În 1970 a apărut primul cap magnetorezistiv pentru înregistrarea magnetică, dar numai în 1985 a fost introdusă o unitate de bandă comercială cu cap magnetorezistiv în Ref. [42].

Pentru a descrie rezistivitatea anizotropică, Ec. (4.1) este rescrisă în

Aici ρ_x și ρ_y sunt componentele rezistivității în direcțiile x și y. În general, rezistivitatea este mare în direcția magnetizării și mică în direcția perpendiculară. Să presupunem că magnetizarea este în direcția x. Dacă φ este unghiul dintre vectorul de densitate de curent J și vectorul de magnetizare M, rezistivitatea poate fi descrisă de

sau într-un mod diferit:

Parametrii materialelor ρ₀ și β determină sensibilitatea dispozitivului. Unghiul φ variază de la 0° (unde rezistivitatea este maximă) la 90° (rezistivitate minimă). Ca un exemplu, pentru un strat gros de 50 nm de Permalloy, ρ_x este de aproximativ 2x10^-7 Ωm și ρy aproximativ 3x10^-9 Ωm [43]. Sensibilitatea unui material AMR este de obicei exprimată ca

astfel încât variația relativă maximă a rezistivității (la temperatura camerei) reprezintă numai câteva %. Un câmp magnetic extern în direcția y va schimba direcția magnetizării. Deci, când curentul rămâne în curgere de-a lungul axei z, unghiul φ se modifică și, prin urmare, rezistivitatea stratului (figura 4.38).

Figura 4.38 Magnetorezistivitate: unghiul φ este afectat de un câmp magnetic Hy perpendicular pe I;
aceasta schimbă rezistivitatea dispozitivului în direcția lui z.

Vectorul de magnetizare M are o direcție preferată, stabilită de forma corpului feromagnetic. Pentru un corp în formă de peliculă (lungimea l, lățimea w și grosimea t), magnetizarea preferată este de-a lungul direcției z, cu o intensitate care poate fi exprimată printr-un câmp magnetic efectiv H₀ = (t/w) Ms. Variația relativă a rezistenței poate fi acum exprimată în termeni de H₀ și câmpul extern H_y, conform ecuațiilor:

Deci rezistența scade cu câmpul magnetic extern în direcția y, atât pozitivă cât și negativă. Pentru scopul senzorilor, această sensibilitate simetrică este foarte proastă: este puternic neliniară și multivaloare. Pentru a îmbunătăți comportamentul senzorului, este necesar un offset unghiular pentru a deplasa zero la, de exemplu, -45°. O modalitate de a realiza acest lucru este introducerea unui câmp magnetic suplimentar.

Un mod mai elegant, este de a contracara direcția curentului de măsurare I. Acest lucru se realizează printr-un aranjament special al electrozilor, numit construcția "barber pole" Ref. [44], după asemănarea cu stâlpii de filare alb-roșu la frizerie (fig.4.39). Datorită rezistenței scăzute a electrozilor (depuși ca straturi subțiri pe foaia feromagnetică), curentul este forțat să curgă prin dispozitiv sub un unghi de aproximativ 45°. La câmp zero, unghiul dintre curentul I și magnetizarea M este de 45°, corespunzând unei rezistivități de aproximativ jumătate din valoarea minimă. Când un câmp magnetic este aplicat în direcție-y pozitivă, unghiul scade, astfel încât rezistivitatea crește și invers.

Figura 4.39 Introducerea offset-ului de unghi prin forțarea curentului să urmeze o cale de 45° (barber pole).

Senzorii magnetici barber pole comerciali conțin patru structuri de tip meandre, ca în figura 4.39, aranjate într-o punte completă pentru a compensa erorile de mod comun. Date tipice: gama de măsurare 0-10⁴ A/m (când se specifică în gauss, gama se referă la inducția magnetică B în loc de intensitatea câmpului magnetic H și trebuie aplicat un factor de conversie conform cu B = μ₀μ_r H; (capitolul 6, Senzori inductivi și magnetici); interval de temperatură -40°C până la 150°C, eroare de neliniaritate 1% la baleiere FS. Rezoluția și offset-ul sunt determinate, în principal, de electronica interfeței; rezoluția este suficient de bună pentru a măsura câmpul magnetic al pământului, permițând direcția busolei (roboți mobili) și detectarea atitudinii (roboți de mers pe jos). Dispozitivele cu trei axe sunt de asemenea disponibile: ele conțin, de fapt, trei magnetosenzori poziționați ortogonal într-un singur pachet.

În jurul lui 1980 au fost realizate dispozitive magnetorezistive care prezintă o sensibilitate mult mai mare, în conformitate cu așa-numitul efect de rezistență magnetică gigantică (GMR) și efect de impedanță magnetică gigant (GMI). Un dispozitiv GMR este alcătuit dintr-un multistrat de pelicule subțiri feromagnetice (grosime de 1-10 nm), între straturi intermediare conductive dar neferomagnetice. Principiul fizic diferă fundamental de senzorii AMR. În absența unui câmp extern, magnetizarea în straturile succesive ale unei structuri GMR este antiparalelă. În această stare, rezistența este maximă. La un câmp magnetic extern, suficient de puternic, magnetizările sunt în paralel, corespunzând unei rezistențe minime. Senzorul GMI utilizează efectul skin-cutanat, fenomen în care conducția la frecvențe înalte este limitată la un strat subțire la suprafața materialului. Impedanța axială a unui fir amorf se poate modifica până la 50% datorită unui câmp magnetic aplicat Ref.[45]. Cercetările actuale vizează o sensibilitate mai mare, o stabilitate termică mai bună și o gamă mai largă de frecvență (vezi, de exemplu, Ref. [46, 47]).

Senzorii comerciali GMR au devenit disponibili în jurul anului 1995. Cercetările curente se concentrează asupra unei sensibilități și mai mari: în structurile stratificate ale benzilor amorfe alcătuite din aliaje speciale, au fost raportate rate GMR de până la 2400% [48]. Deoarece capetele de citire GMR pentru discurile magnetice înlocuiesc treptat capetele mai vechi de AMR din peliculă subțire, există o oarecare confuzie cu privire la terminologie: GMR este acum adesea numit doar MR sau AMR.

În 1993, a fost descoperit un alt grup de materiale, perovskite pe bază de mangan, care prezintă un efect magnetorezistiv chiar mai puternic, cel puțin la temperaturi joase și câmpuri magnetice ridicate. Din acest motiv, efectul se numește magnetorezistivitate colosală [49]. Din păcate, la temperatura camerei, efectul este mult mai mic, dar totuși poate fi folosit pentru scopurile senzorilor [50].

Tabelul 4.6 prezintă câteva specificații ale acestor trei tipuri de senzori magnetorezistivi. Rezistoarele din senzorul AMR sunt configurate ca două punți Wheatstone, permițând măsurarea câmpului magnetic în două direcții ortogonale. Senzorul GMR selectat utilizează și el o punte Wheatstone. Ieșirea sa este o tensiune diferențială, iar un amplificator diferențial este necesar pentru a transforma acest lucru într-o ieșire unilaterală. Senzorul GMI din Tabelul 4.6 constă dintr-un fir metalic amorf cu o bobină de preluare înfășurată în jurul sârmei. Acest fir este controlat de un curent AC de 200 kHz. Intervalul de frecvență al acestui senzor este, cu toate acestea, mult mai mic comparativ cu GMR și AMR: DC la 1 kHz. Pachetul senzor conține trei elemente de detectare GMI; semnalele de ieșire sunt buffer-ate într-un circuit sample-hold (de reținere a eșantioanelor), amplificate și multiplexate.

Tabelul 4.6 Compararea senzorilor magnetorezistivi

AAMR: HMC1052 (Honeywell); GMR: AAH00202 (NVE Corp.); GMI: AGMI302 (Aichi Corp.).

4.5.2 Aplicații ale senzorilor magnetorezistivi

Un senzor magnetorezistiv măsoară în principal intensitatea câmpului magnetic. Prin urmare, multe aplicații sunt fezabile, de exemplu ca busolă (pentru roboți mobili). În combinație cu o sursă magnetică (de ex. magnet permanent, bobină activă și câmp magnetic al pământului), senzorii de câmp magnetic sunt dispozitive utile pentru măsurarea unei cantități variate în domeniul mecanic.

Diferitele posibilități de detectare a poziției liniare și unghiulare utilizând senzorii AMR sunt prezentate în Ref. [51]. În Ref. [52], senzorii AMR sunt aplicați pentru detectarea vehiculelor: senzorii măsoară variația câmpului magnetic pământ când un vehicul trece peste senzor. Sistemul este utilizat pentru a monitoriza traficul pe autostrăzi.

Senzori GMR (și GMI) au fost testați extensiv pentru măsurarea unei varietăți de cantități mecanice, de exemplu, poziția fără contact [53], unghiul și viteza [54], solicitarea (în bare de oțel [55]), și cuplu [56]. Ele apar, de asemenea, utile pentru testarea nedistructivă [57] și, din cauza dimensiunii lor mici, pentru aplicații biomedicale; a se vedea, de exemplu, Ref. [58, 59].

Majoritatea senzorilor AMR disponibili în comerț sunt fabricați ca dispozitive analogice simple, fără procesare suplimentară "pe cip" afișată grafic în figura 4.40. Pentru procesarea ulterioară este necesar un ADC separat. Acest lucru, spre deosebire de senzorii de poziție bazați pe efectul Hall, care sunt de obicei fabricați cu o interfață de semnal digital. În ceea ce privește performanța, producătorii menționează ca avantaje ale senzorilor AMR, comparativ cu senzorii cu efect Hall, o sensibilitate mai mare (astfel încât costurile mai eficiente, deoarece magneții necesari pot fi mai mici), ambalaje mai mici și consumul redus de energie. În ceea ce privește aplicațiile în mecatronică, senzorii AMR sunt utilizați în scopuri similare ca senzorii Hall ( Secțiunea 6.2.2).

Figura 4.40 Schema unui senzor rotativ bazat-AMR cu ieșire analogică.

Proprietățile senzorilor magnetici comerciali și aplicațiile bazate pe combinația dintre o sursă magnetică și senzori magnetici vor fi discutate mai departe în capitolul privind senzorii inductivi și magnetici.