TMR (Tunneling Magneto Resistance) kampo jutiklis yra didelio{0}}tikslumo jutiklis, pagrįstas tunelinio magnetinio pasipriešinimo efektu, plačiai naudojamas pramoninio valdymo, automobilių elektronikos, aviacijos ir kitose srityse. Jo veikimo principas giliai sujungia magnetinę fizikos teoriją ir elektronikos principą, matuojant pasipriešinimo vertės pokytį, siekiant nustatyti magnetinio lauko kryptį ir stiprumą, o tada nustatyti kampo informaciją.
I. Pagrindinis TMR efekto principas
TMR efektas arba tunelinis magnetinės varžos efektas yra ypatingas reiškinys, atsirandantis magnetinių tunelių sandūrose (MTJ), susidedančiose iš dviejų feromagnetinių sluoksnių (fiksuoto ir laisvo), atskirtų ne-magnetiniu izoliaciniu sluoksniu (barjeriniu sluoksniu). Kai izoliacinis sluoksnis yra pakankamai plonas (paprastai keli nanometrai), elektronai gali kirsti izoliacinį sluoksnį iš vieno feromagnetinio sluoksnio į kitą kvantinio tuneliavimo būdu. Šis tuneliavimo procesas yra itin jautrus dviejų feromagnetinių sluoksnių įmagnetinimo kryptims: kai dviejų sluoksnių įmagnetinimo kryptys yra lygiagrečios, tuneliavimo varža yra maža; kai įmagnetinimo kryptys yra antilygiagrečios, tuneliavimo varža yra didelė. Todėl, matuojant tunelinio pasipriešinimo pokytį, jis gali atspindėti santykinį dviejų feromagnetinių sluoksnių įmagnetinimo krypties pokytį.
II. TMR kampo jutiklio sandara
TMR kampo jutiklis paprastai susideda iš dviejų dalių: TMR jutiklio lusto ir nuolatinio magneto. Tarp jų TMR jutiklio lusto viduje yra integruotos kelios MTJ struktūros, o kiekvienoje MTJ struktūroje yra fiksuotas sluoksnis, barjerinis sluoksnis ir laisvas sluoksnis. Fiksuoto sluoksnio įmagnetinimo kryptis fiksuojama gamybos proceso metu ir nekinta veikiant išoriniam magnetiniam laukui; laisvojo sluoksnio įmagnetinimo kryptis yra gana lanksti ir gali keistis veikiant išoriniam magnetiniam laukui. Nuolatinis magnetas naudojamas stabiliam magnetiniam laukui generuoti, o kai nuolatinis magnetas sukasi, pasikeis ir jo generuojamo magnetinio lauko kryptis, taip paveikdama TMR jutiklio lusto laisvojo sluoksnio įmagnetinimo kryptį.
III. TMR kampo jutiklio veikimo principas
1. Magnetinio lauko įtaka laisvajam sluoksniui
Kai nuolatinis magnetas sukasi, pasikeičia jo sukuriamo magnetinio lauko kryptis. Šis pakitęs magnetinis laukas veiks laisvąjį sluoksnį TMR jutiklio mikroschemoje, todėl atitinkamai pasikeis laisvojo sluoksnio įmagnetinimo kryptis. Kadangi laisvojo sluoksnio įmagnetinimo kryptis yra tiesiogiai susijusi su tuneliavimo varžos dydžiu, pasikeitus įmagnetinimo kryptis pasikeis ir tuneliavimo varža.
2. Pasipriešinimo kitimo ir kampo ryšys
TMR kampo jutikliuose ant jutiklio lusto dažniausiai pagal tam tikrą išdėstymą išdėstomos kelios MTJ struktūros, o šių MTJ konstrukcijų varžos pokyčiai grandinės projektavimo būdu paverčiami išmatuojamais elektros signalais. Kai nuolatinis magnetas sukasi, pasikeitus magnetinio lauko krypčiai, pasikeičia laisvojo sluoksnio įmagnetinimo kryptis, o tai savo ruožtu sukelia tunelinio pasipriešinimo pasikeitimą. Po to, kai šie pasipriešinimo pokyčiai paverčiami elektriniais signalais, nuolatinio magneto sukimosi kampą galima nustatyti tolesniu apdorojimu ir analize.
Konkrečiai, TMR kampo jutikliai paprastai naudoja grandines, pvz., Wheatstone tiltus, kad sumažintų išorinių veiksnių, tokių kaip temperatūra, poveikį matavimo rezultatams. Kai nuolatinis magnetas sukasi, skirtingose jutiklio lusto vietose esančias MTJ konstrukcijas veikia skirtingų krypčių ir dydžių magnetiniai laukai, todėl skiriasi jų varžos vertės. Šie pasipriešinimo verčių pokyčiai sukuria diferencialinį signalą Wheatstone tilte, kurio dydis yra proporcingas nuolatinio magneto sukimosi kampui. Išmatavus šio diferencinio signalo dydį, galima nustatyti nuolatinio magneto sukimosi kampą.
3. Kampo matavimo diapazonas ir tikslumas
TMR kampo jutikliai paprastai turi platų matavimo diapazoną ir aukštą matavimo tikslumą. Kadangi TMR efektas yra labai jautrus magnetinio lauko krypties pokyčiams, TMR kampo jutikliai gali tiksliai išmatuoti nedidelius kampinius pokyčius. Tuo pačiu metu dėl bekontakčio matavimo TMR kampo jutiklio išvengiama tokių problemų kaip mechaninis susidėvėjimas ir užteršimas, taip pat pagerinamas matavimo stabilumas ir patikimumas.
IV. TMR kampo jutiklio privalumai ir pritaikymas
1. Privalumai
Didelis tikslumas: TMR kampo jutikliai gali tiksliai išmatuoti nedidelius kampinius pokyčius su dideliu matavimo tikslumu.
Didelis jautrumas: Kadangi TMR efektas yra labai jautrus magnetinio lauko krypties pokyčiams, todėl TMR kampo jutiklis turi didelį jautrumą.
Mažos energijos sąnaudos: TMR kampo jutikliai veikimo metu sunaudoja mažiau energijos, o tai padeda taupyti energiją ir tausoti aplinką.
Mažas triukšmas: TMR kampo jutikliai turi didelį signalo{0}}ir{1}}triukšmo santykį ir gali tiksliai išmatuoti kampo informaciją sudėtingoje aplinkoje.
Žemos temperatūros poslinkis: Pritaikius grandinės dizainą, pvz., Wheatstone tiltą, TMR kampo jutiklis gali sumažinti temperatūros ir kitų išorinių veiksnių įtaką matavimo rezultatams ir turi žemą temperatūros poslinkį.
2. Taikymas
Pramoninis valdymas: pramoninėse automatizuotose gamybos linijose TMR kampo jutikliai gali būti naudojami mechaninių dalių sukimosi kampo ir padėties informacijai matuoti, kad būtų galima tiksliai valdyti.
Automobilių elektronika: automobilių pramonėje TMR kampo jutikliai gali būti naudojami vairų, vairo velenų, ratų ir kitų komponentų sukimosi kampui ir padėties informacijai matuoti, siekiant pagerinti automobilio vairavimo stabilumą ir saugumą.
Orlaivis ir erdvė: aviacijos srityje TMR kampo jutikliai gali būti naudojami orlaivio padėčiai, vairo nuokrypiui ir kitiems pagrindiniams parametrams matuoti, siekiant užtikrinti orlaivio saugumą ir stabilumą.
V. Išvada
TMR kampo jutiklis yra didelio{0}}tikslumo jutiklis, pagrįstas tunelio magnetinės varžos efektu, o jo veikimo principas nustato magnetinio lauko kryptį ir stiprumą, matuodamas varžos vertės pokytį, o tada nustato kampo informaciją. Dėl didelio tikslumo, didelio jautrumo, mažo energijos suvartojimo, mažo triukšmo ir žemos temperatūros dreifo pranašumų TMR kampo jutikliai yra plačiai naudojami pramoniniame valdyme, automobilių elektronikoje, aviacijos ir kitose srityse. Nuolat tobulėjant ir tobulėjant mokslui ir technologijoms, TMR kampo jutikliai ateityje vaidins dar svarbesnį vaidmenį.