سنسور زاویه TMR (Tunneling Magneto Resistance) یک حسگر-با دقت بالا بر اساس اثر مقاومت مغناطیسی تونل زنی است که به طور گسترده در کنترل صنعتی، الکترونیک خودرو، هوافضا و سایر زمینه ها استفاده می شود. اصل کار آن عمیقاً تئوری مغناطیسی فیزیک و اصل الکترونیک را با اندازه گیری تغییر مقدار مقاومت برای تعیین جهت و قدرت میدان مغناطیسی و سپس تعیین اطلاعات زاویه ترکیب می کند.
I. اصل اساسی اثر TMR
اثر TMR یا اثر مقاومت مغناطیسی تونل زنی، پدیده خاصی است که در پیوندهای تونل مغناطیسی (MTJs) رخ می دهد که از دو لایه فرومغناطیسی (ثابت و آزاد) تشکیل شده است که توسط یک لایه عایق غیر مغناطیسی (لایه مانع) از هم جدا شده اند. هنگامی که لایه عایق به اندازه کافی نازک است (معمولاً چند نانومتر)، الکترون ها می توانند تحت تأثیر تونل زنی کوانتومی از لایه عایق از یک لایه فرومغناطیسی به لایه دیگر عبور کنند. این فرآیند تونل سازی به جهت مغناطیسی دو لایه فرومغناطیسی بسیار حساس است: زمانی که جهت مغناطیسی دو لایه موازی باشد، مقاومت تونل زنی کوچک است. هنگامی که جهت مغناطش ضد موازی باشد، مقاومت تونل زنی زیاد است. بنابراین، با اندازه گیری تغییر مقاومت تونل زنی، می تواند تغییر نسبی جهت مغناطیسی دو لایه فرومغناطیسی را منعکس کند.
II. ساختار سنسور زاویه TMR
سنسور زاویه TMR معمولا از دو بخش تشکیل شده است: تراشه سنسور TMR و آهنربای دائم. در میان آنها، چندین ساختار MTJ در داخل تراشه حسگر TMR یکپارچه شده اند و هر ساختار MTJ شامل یک لایه ثابت، یک لایه مانع و یک لایه آزاد است. جهت مغناطیسی لایه ثابت در طول فرآیند تولید ثابت است و با میدان مغناطیسی خارجی تغییر نمی کند. جهت مغناطش لایه آزاد نسبتاً انعطاف پذیر است و می تواند با میدان مغناطیسی خارجی تغییر کند. آهنربای دائمی برای تولید میدان مغناطیسی پایدار استفاده می شود و زمانی که آهنربای دائمی می چرخد، جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز تغییر می کند، بنابراین جهت مغناطیسی لایه آزاد در تراشه سنسور TMR را تحت تاثیر قرار می دهد.
III. اصل کار سنسور زاویه TMR
1. تأثیر میدان مغناطیسی بر لایه آزاد
هنگامی که آهنربای دائمی می چرخد، جهت میدان مغناطیسی که تولید می کند تغییر می کند. این میدان مغناطیسی تغییر یافته بر روی لایه آزاد در تراشه حسگر TMR اثر میگذارد و باعث میشود جهت مغناطیسی لایه آزاد متناسب با آن تغییر کند. از آنجایی که جهت مغناطش لایه آزاد مستقیماً با مقدار مقاومت تونل زنی مرتبط است، تغییر جهت مغناطیسی منجر به تغییر در مقاومت تونل زنی خواهد شد.
2. رابطه بین تغییر مقاومت و زاویه
در سنسورهای زاویه TMR معمولاً چندین ساختار MTJ بر روی تراشه حسگر طبق چیدمان خاصی چیده می شوند و تغییرات مقاومتی این سازه های MTJ با طراحی مدار به سیگنال های الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می شوند. هنگامی که آهنربای دائمی می چرخد، تغییر جهت میدان مغناطیسی منجر به تغییر جهت مغناطیسی لایه آزاد می شود که به نوبه خود باعث تغییر در مقاومت تونل زنی می شود. پس از تبدیل این تغییرات مقاومتی به سیگنال های الکتریکی، زاویه چرخش آهنربای دائمی را می توان با پردازش و تجزیه و تحلیل بیشتر تعیین کرد.
به طور خاص، سنسورهای زاویه TMR معمولاً از طرحهای مداری مانند پلهای Wheatstone استفاده میکنند تا اثرات عوامل خارجی مانند دما را بر نتایج اندازهگیری به حداقل برسانند. هنگامی که آهنربای دائمی میچرخد، ساختارهای MTJ در مکانهای مختلف بر روی تراشه حسگر در معرض میدانهای مغناطیسی در جهتها و اندازههای مختلف قرار میگیرند که در نتیجه تغییرات متفاوتی در مقادیر مقاومت آنها ایجاد میشود. این تغییرات در مقادیر مقاومت یک سیگنال دیفرانسیل در پل وتستون ایجاد می کند که اندازه آن متناسب با زاویه چرخش آهنربای دائمی است. با اندازه گیری اندازه این سیگنال دیفرانسیل می توان زاویه چرخش آهنربای دائمی را تعیین کرد.
3. محدوده اندازه گیری زاویه و دقت
سنسورهای زاویه TMR معمولا دارای محدوده اندازه گیری گسترده و دقت اندازه گیری بالایی هستند. از آنجایی که اثر TMR به تغییرات جهت میدان مغناطیسی بسیار حساس است، حسگرهای زاویه TMR قادر به اندازهگیری دقیق تغییرات زاویهای کوچک هستند. در عین حال، به دلیل استفاده از اندازهگیری غیر تماسی، حسگر زاویه TMR از مشکلاتی مانند سایش مکانیکی و آلودگی جلوگیری میکند و پایداری و قابلیت اطمینان اندازهگیری را بهبود میبخشد.
IV. مزایا و کاربردهای سنسور زاویه TMR
1. مزایا
دقت بالا: سنسورهای زاویه TMR می توانند اندازه گیری دقیق تغییرات زاویه ای کوچک را با دقت اندازه گیری بالا درک کنند.
حساسیت بالا: چون اثر TMR به تغییرات جهت میدان مغناطیسی بسیار حساس است، بنابراین سنسور زاویه TMR حساسیت بالایی دارد.
مصرف انرژی کم: حسگرهای زاویه TMR در حین کار انرژی کمتری مصرف می کنند که به صرفه جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست کمک می کند.
کم نویز: حسگرهای زاویه TMR نسبت سیگنال به{{1} بالایی دارند و می توانند اطلاعات زاویه را در محیط های پیچیده به دقت اندازه گیری کنند.
رانش دمای پایین: با اتخاذ طراحی مدار مانند پل وتستون، سنسور زاویه TMR می تواند تأثیر دما و سایر عوامل خارجی را بر نتایج اندازه گیری کاهش دهد و دارای رانش دمای پایینی است.
2. کاربرد
کنترل صنعتی: در خطوط تولید خودکار صنعتی، از سنسورهای زاویه TMR می توان برای اندازه گیری زاویه چرخش و اطلاعات موقعیت قطعات مکانیکی برای تحقق کنترل دقیق استفاده کرد.
الکترونیک خودرو: در صنعت خودرو، از سنسورهای زاویه TMR می توان برای اندازه گیری زاویه چرخش و اطلاعات موقعیت فرمان، شفت فرمان، چرخ ها و سایر اجزاء استفاده کرد تا ثبات و ایمنی رانندگی خودرو بهبود یابد.
هوافضا: در زمینه هوافضا، از سنسورهای زاویه TMR می توان برای اندازه گیری وضعیت، انحراف سکان و سایر پارامترهای کلیدی هواپیما برای اطمینان از ایمنی و پایداری هواپیما استفاده کرد.
V. نتیجه گیری
سنسور زاویه TMR یک حسگر{0}دقت بالا بر اساس اثر مقاومت مغناطیسی تونل است و اصل کار آن جهت و قدرت میدان مغناطیسی را با اندازهگیری تغییر مقدار مقاومت تعیین میکند و سپس اطلاعات زاویه را تعیین میکند. سنسورهای زاویه TMR به دلیل مزایای دقت بالا، حساسیت بالا، مصرف انرژی کم، نویز کم و رانش دمای پایین، به طور گسترده در کنترل صنعتی، الکترونیک خودرو، هوافضا و سایر زمینه ها استفاده می شود. با توسعه و پیشرفت مداوم علم و فناوری، سنسورهای زاویه TMR نقش مهم تری در آینده ایفا خواهند کرد.