O sensor de ângulo TMR (Tunneling Magneto Resistance) é um sensor de alta-precisão baseado no efeito de resistência magnética de tunelamento, amplamente utilizado em controle industrial, eletrônica automotiva, aeroespacial e outros campos. Seu princípio de funcionamento combina profundamente a teoria magnética da física e o princípio da eletrônica, medindo a mudança do valor da resistência para determinar a direção e a força do campo magnético e, em seguida, determinar as informações do ângulo.
I. O princípio básico do efeito TMR
O efeito TMR, ou efeito de magnetorresistência de tunelamento, é um fenômeno especial que ocorre em junções de túneis magnéticos (MTJs), que consistem em duas camadas ferromagnéticas (fixas e livres) separadas por uma camada isolante não-magnética (camada de barreira). Quando a camada isolante é fina o suficiente (geralmente alguns nanômetros), os elétrons podem cruzar a camada isolante de uma camada ferromagnética para outra sob o efeito do tunelamento quântico. Este processo de tunelamento é extremamente sensível às direções de magnetização das duas camadas ferromagnéticas: quando as direções de magnetização das duas camadas são paralelas, a resistência de tunelamento é pequena; quando as direções de magnetização são antiparalelas, a resistência de tunelamento é grande. Portanto, medindo a mudança na resistência de tunelamento, pode-se refletir a mudança relativa na direção de magnetização das duas camadas ferromagnéticas.
II. Estrutura do sensor de ângulo TMR
O sensor de ângulo TMR geralmente consiste em duas partes: o chip do sensor TMR e o ímã permanente. Entre elas, múltiplas estruturas MTJ estão integradas dentro do chip do sensor TMR, e cada estrutura MTJ contém uma camada fixa, uma camada de barreira e uma camada livre. A direção de magnetização da camada fixa é fixa durante o processo de fabricação e não muda com o campo magnético externo; a direção de magnetização da camada livre é relativamente flexível e pode mudar com o campo magnético externo. O ímã permanente é usado para gerar um campo magnético estável e, quando o ímã permanente gira, a direção do campo magnético que ele gera também muda, afetando assim a direção de magnetização da camada livre no chip do sensor TMR.
III. Princípio de funcionamento do sensor de ângulo TMR
1. Influência do campo magnético na camada livre
Quando o ímã permanente gira, a direção do campo magnético que ele produz muda. Este campo magnético alterado atuará na camada livre do chip do sensor TMR, fazendo com que a direção de magnetização da camada livre mude de acordo. Uma vez que a direcção de magnetização da camada livre está directamente relacionada com a magnitude da resistência de tunelamento, uma mudança na direcção de magnetização resultará numa mudança na resistência de tunelamento.
2. Relação entre mudança de resistência e ângulo
Nos sensores angulares TMR, múltiplas estruturas MTJ são geralmente organizadas no chip do sensor de acordo com um determinado layout, e as alterações de resistência dessas estruturas MTJ são convertidas em sinais elétricos mensuráveis pelo projeto do circuito. Quando o ímã permanente gira, a mudança na direção do campo magnético leva a uma mudança na direção da magnetização da camada livre, o que por sua vez causa uma mudança na resistência de tunelamento. Após essas alterações de resistência serem convertidas em sinais elétricos, o ângulo de rotação do ímã permanente pode ser determinado por processamento e análise adicionais.
Especificamente, os sensores angulares TMR normalmente empregam projetos de circuitos, como pontes de Wheatstone, para minimizar os efeitos de fatores externos, como temperatura, nos resultados da medição. Quando o ímã permanente gira, as estruturas MTJ em diferentes locais do chip sensor são submetidas a campos magnéticos de diferentes direções e tamanhos, resultando em diferentes alterações em seus valores de resistência. Estas alterações nos valores de resistência geram um sinal diferencial na ponte de Wheatstone, cujo tamanho é proporcional ao ângulo de rotação do ímã permanente. Medindo o tamanho deste sinal diferencial, o ângulo de rotação do ímã permanente pode ser determinado.
3. Faixa e precisão da medição de ângulo
Os sensores angulares TMR geralmente possuem uma ampla faixa de medição e alta precisão de medição. Como o efeito TMR é muito sensível a mudanças na direção do campo magnético, os sensores angulares TMR são capazes de realizar medições precisas de pequenas mudanças angulares. Ao mesmo tempo, devido ao uso de medição sem{2}}contato, o sensor de ângulo TMR evita problemas como desgaste mecânico e contaminação, além de melhorar a estabilidade e a confiabilidade da medição.
4. Vantagens e aplicações do sensor de ângulo TMR
1. Vantagens
Alta precisão: Os sensores angulares TMR podem realizar a medição precisa de pequenas mudanças angulares, com alta precisão de medição.
Alta sensibilidade: Como o efeito TMR é muito sensível a mudanças na direção do campo magnético, o sensor de ângulo TMR possui alta sensibilidade.
Baixo consumo de energia: os sensores angulares TMR consomem menos energia durante a operação, o que favorece a economia de energia e a proteção ambiental.
Baixo ruído: os sensores de ângulo TMR têm uma alta relação sinal-para{1}}ruído e podem medir com precisão informações de ângulo em ambientes complexos.
Desvio de baixa temperatura: Ao adotar um projeto de circuito como a ponte de Wheatstone, o sensor de ângulo TMR pode reduzir a influência da temperatura e outros fatores externos nos resultados da medição e tem desvio de baixa temperatura.
2. Aplicação
Controle industrial: Em linhas de produção industriais automatizadas, os sensores de ângulo TMR podem ser usados para medir o ângulo de rotação e as informações de posição de peças mecânicas para obter um controle preciso.
Eletrônica automotiva: Na indústria automotiva, os sensores de ângulo TMR podem ser usados para medir o ângulo de rotação e informações de posição de volantes, eixos de volante, rodas e outros componentes, para melhorar a estabilidade e a segurança da condução de automóveis.
Aeroespacial: No campo aeroespacial, os sensores de ângulo TMR podem ser usados para medir a atitude, a deflexão do leme e outros parâmetros-chave da aeronave para garantir a segurança e estabilidade da aeronave.
V. Conclusão
O sensor de ângulo TMR é um sensor de alta-precisão baseado no efeito de magnetorresistência do túnel e seu princípio de funcionamento determina a direção e a força do campo magnético medindo a alteração do valor da resistência e, em seguida, determina as informações do ângulo. Devido às suas vantagens de alta precisão, alta sensibilidade, baixo consumo de energia, baixo ruído e baixa variação de temperatura, os sensores angulares TMR são amplamente utilizados em controle industrial, eletrônica automotiva, aeroespacial e outros campos. Com o contínuo desenvolvimento e progresso da ciência e da tecnologia, os sensores angulares TMR desempenharão um papel ainda mais importante no futuro.