El sensor de ángulo TMR (resistencia magneto de túnel) es un sensor de alta-precisión basado en el efecto de resistencia magneto de túnel, que se usa ampliamente en control industrial, electrónica automotriz, aeroespacial y otros campos. Su principio de funcionamiento combina profundamente la teoría magnética de la física y el principio de la electrónica, midiendo el cambio del valor de resistencia para determinar la dirección y la fuerza del campo magnético y luego determinar la información del ángulo.
I. El principio básico del efecto TMR
El efecto TMR, o efecto de magnetorresistencia de túnel, es un fenómeno especial que se produce en las uniones de túnel magnético (MTJ), que constan de dos capas ferromagnéticas (fija y libre) separadas por una capa aislante no-magnética (capa de barrera). Cuando la capa aislante es lo suficientemente delgada (normalmente unos pocos nanómetros), los electrones pueden cruzar la capa aislante de una capa ferromagnética a la otra bajo el efecto de un túnel cuántico. Este proceso de tunelización es extremadamente sensible a las direcciones de magnetización de las dos capas ferromagnéticas: cuando las direcciones de magnetización de las dos capas son paralelas, la resistencia de tunelización es pequeña; cuando las direcciones de magnetización son antiparalelas, la resistencia al efecto túnel es grande. Por lo tanto, al medir el cambio de la resistencia del túnel, se puede reflejar el cambio relativo de la dirección de magnetización de las dos capas ferromagnéticas.
II. Estructura del sensor de ángulo TMR
El sensor de ángulo TMR normalmente consta de dos partes: el chip del sensor TMR y el imán permanente. Entre ellas, se integran múltiples estructuras MTJ dentro del chip sensor TMR, y cada estructura MTJ contiene una capa fija, una capa de barrera y una capa libre. La dirección de magnetización de la capa fija se fija durante el proceso de fabricación y no cambia con el campo magnético externo; la dirección de magnetización de la capa libre es relativamente flexible y puede cambiar con el campo magnético externo. El imán permanente se utiliza para generar un campo magnético estable y, cuando el imán permanente gira, la dirección del campo magnético que genera también cambiará, afectando así la dirección de magnetización de la capa libre en el chip del sensor TMR.
III. Principio de funcionamiento del sensor de ángulo TMR
1. Influencia del campo magnético sobre la capa libre.
Cuando el imán permanente gira, la dirección del campo magnético que produce cambia. Este campo magnético modificado actuará sobre la capa libre en el chip del sensor TMR, haciendo que la dirección de magnetización de la capa libre cambie en consecuencia. Dado que la dirección de magnetización de la capa libre está directamente relacionada con la magnitud de la resistencia de túnel, un cambio en la dirección de magnetización dará como resultado un cambio en la resistencia de túnel.
2. Relación entre cambio de resistencia y ángulo.
En los sensores de ángulo TMR, generalmente se organizan múltiples estructuras MTJ en el chip del sensor de acuerdo con un diseño determinado, y los cambios de resistencia de estas estructuras MTJ se convierten en señales eléctricas medibles mediante el diseño del circuito. Cuando el imán permanente gira, el cambio en la dirección del campo magnético conduce a un cambio en la dirección de la magnetización de la capa libre, lo que a su vez provoca un cambio en la resistencia de túnel. Una vez que estos cambios de resistencia se convierten en señales eléctricas, el ángulo de rotación del imán permanente se puede determinar mediante procesamiento y análisis adicionales.
Específicamente, los sensores de ángulo TMR suelen emplear diseños de circuitos como puentes de Wheatstone para minimizar los efectos de factores externos como la temperatura en los resultados de la medición. Cuando el imán permanente gira, las estructuras MTJ en diferentes ubicaciones del chip sensor están sujetas a campos magnéticos de diferentes direcciones y tamaños, lo que resulta en diferentes cambios en sus valores de resistencia. Estos cambios en los valores de resistencia generan una señal diferencial en el puente de Wheatstone, cuyo tamaño es proporcional al ángulo de rotación del imán permanente. Midiendo el tamaño de esta señal diferencial, se puede determinar el ángulo de rotación del imán permanente.
3. Rango y precisión de medición de ángulos
Los sensores de ángulo TMR suelen tener un amplio rango de medición y una alta precisión de medición. Dado que el efecto TMR es muy sensible a los cambios en la dirección del campo magnético, los sensores de ángulo TMR pueden realizar mediciones precisas de pequeños cambios angulares. Al mismo tiempo, debido al uso de medición sin-contacto, el sensor de ángulo TMR evita problemas como el desgaste mecánico y la contaminación, y mejora la estabilidad y confiabilidad de la medición.
IV. Ventajas y aplicaciones del sensor de ángulo TMR
1. Ventajas
Alta precisión: los sensores de ángulo TMR pueden realizar la medición precisa de pequeños cambios angulares, con una alta precisión de medición.
Alta sensibilidad: debido a que el efecto TMR es muy sensible a los cambios en la dirección del campo magnético, el sensor de ángulo TMR tiene una alta sensibilidad.
Bajo consumo de energía: los sensores de ángulo TMR consumen menos energía durante el funcionamiento, lo que favorece el ahorro de energía y la protección del medio ambiente.
Bajo nivel de ruido: los sensores de ángulo TMR tienen una alta relación señal-a-ruido y pueden medir con precisión información de ángulos en entornos complejos.
Deriva de temperatura baja: al adoptar un diseño de circuito como el puente de Wheatstone, el sensor de ángulo TMR puede reducir la influencia de la temperatura y otros factores externos en los resultados de la medición, y tiene una deriva de temperatura baja.
2. Solicitud
Control industrial: en líneas de producción industriales automatizadas, los sensores de ángulo TMR se pueden utilizar para medir el ángulo de rotación y la información de posición de piezas mecánicas para lograr un control preciso.
Electrónica automotriz: en la industria automotriz, los sensores de ángulo TMR se pueden usar para medir el ángulo de rotación y la información de posición de volantes, ejes de volante, ruedas y otros componentes, para mejorar la estabilidad y seguridad de la conducción del automóvil.
Aeroespacial: en el campo aeroespacial, los sensores de ángulo TMR se pueden utilizar para medir la actitud, la desviación del timón y otros parámetros clave de la aeronave para garantizar la seguridad y estabilidad de la aeronave.
V. Conclusión
El sensor de ángulo TMR es un sensor de alta-precisión basado en el efecto de magnetorresistencia del túnel y su principio de funcionamiento determina la dirección y la fuerza del campo magnético midiendo el cambio del valor de resistencia y luego determina la información del ángulo. Debido a sus ventajas de alta precisión, alta sensibilidad, bajo consumo de energía, bajo ruido y baja deriva de temperatura, los sensores de ángulo TMR se utilizan ampliamente en control industrial, electrónica automotriz, aeroespacial y otros campos. Con el continuo desarrollo y progreso de la ciencia y la tecnología, los sensores de ángulo TMR desempeñarán un papel aún más importante en el futuro.