Magnetometre gør et utal af applikationer mulige – også ofte i selskab af nye funktioner med tilføjelsen af tilhørende sensorer. Tunnelmagnetoresistans (TMR) teknologien åbner for endnu flere muligheder
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 12 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Maria Alejandra Salazar Martinez, produktchef, Analog & Sensors, Rutronik,
og Thomas Block, produktchef, Bosch Sensortec
Magnetometre måler et magnetfelt eller en magnetisk dipols moment og er i realiteten et kompas. Magnetometret måler retningen af det omgivende magnetfelt – typisk Jordens magnetfelt. Forskellige typer af magnetiske sensorer kan på den anden side måle retning, styrke eller relativ ændring af magnetfelter i en given position. Industrien har brugt magnetometre i årtier, og komponenterne er standard i mobiltelefoner, wearables samt i droner og robotter og utallige IoT-applikationer. Flere nye applikationer er på vej som brugeres hovedorientering i 3D-audio, forbedret navigation indendørs, positionering og hastighedsmåling. Hall-sensorer er en måde at implementere flere af disse løsninger på.
Hall-sensorer til volumenmarkederne
Hall-sensoren (efter Edwin Hall, opfundet i 1879) er et sensorelement, der giver en ladningsændring, hvis en magnet placeres vinkelret på en strømførende leder, og udlæser en proportional spænding. Hall-sensorer bruges til indikation af tilstedeværelsen – eller fraværet – eller styrken af et magnetfelt baseret på den resulterende Hall-spænding. Dagens højt integrerede Hall-sensorer indeholder flere sensorsignalbehandlingsfunktioner som en differentiel array af Hall-elementer, instrumenteringsforstærkere, A/D-konvertere og endda mikrocontrollere. Selv om Hall-sensorer ”bare” skal detektere et magnetfelt, kan de også bruges til at måle mange andre parametre som position, temperatur, strøm og tryk.
Hall-sensorer er en modnet og prisbillig teknologi til volumenmarkederne. De består grundlæggende af et tyndt, rektangulært p-type halvledermateriale i galliumarsenid (GaAs), indiumantimonid (InSb) eller indiumarsenid (InAs), hvorigennem der løber en kontinuert strøm. Når sensoren er i et magnetfelt, tvinger flux-linjerne halvledermaterialet til at afbøje sine ladningsbærere elektronerne – til huller på begge sider af halvleder-dien. Denne bevægelse af ladningsbærerne kommer fra det magnetfelt, elektronerne oplever, når de passerer gennem halvledermaterialet. Hall-spændingen (UH) er proportional med det magnetfelt, der penetrerer halvledermaterialet (output: α H). Disse siliciumbaserede Hall-sensorer har dog en begrænset output-effekt, lav præcision og et ret stort offset.
AMR-sensorer med begrænsede applikationer
Et alternativ til Hall-sensoren er den anisotropiske magnetoresistans (AMR) sensor. En magnetoresistanssensor (MR) ændrer sin elektriske modstand i en leder som følge af et magnetfelt. Når den elektriske modstand falder som følge af et magnetfelt, er der tale om en negativ magnetoresistans.
To definitioner af procentuel magnetisk modstand bruges i almindelighed: MR0 er defineret som forskellen mellem modstanden i et magnetfelt og modstanden uden et magnetfelt divideret med modstanden uden et felt. MRP er derimod forskellen mellem modstanden med et magnetfelt og modstanden i et mættet felt divideret med modstanden i det mættede felt. Den maksimale værdi kan være arbitrært stort.
AMR-effekten blev først brugt som en transducer til aflæsning af magnetbånd i 1971. Honeywell udviklede den magnetiske random access memory (MRAM) baseret på AMR-effekten.
En AMR-sensor kan også bruges som kompas til måling af Jordens magnetfelt. Men ud over det, er applikationerne begrænsede. Det skyldes, at flere producenter tilbyder AMR-sensorer med en magnetoresistans på under fem procent. Konventionelle AMR-sensorer kræver også yderligere kredsløb eller permanente magneter til genoprettelse af magnetiseringen af tyndfilmen efter brug. Det gør kapslingen kompliceret og medfører ekstra omkostninger.
GMR-sensorer til mange slags applikationer
Så er der den gigantiske magnetoresistans (GMR) effekt, som blev opdaget i 1986 som en usædvanlig magnetoelektrisk behaviour i Fe/Cr/Fe-lag. Når to Fe-lag er koblet sammen via et ikke-magnetisk Cr-lag, er modstanden lav, da elektronerne kan overføres til det andet Fe-lag uden at ændre deres spin. MR-forholdet i den metalliske spin-struktur er typisk på omkring ti procent.
IBM har brugt GMR-sensorer som magnetiske læserhoveder i harddisk-drives for at opnå større lagerkapaciteter. GMR-sensorer bruges nu også i en række andre applikationer med succes.
TMR-teknologi driver innovationen fremad
Udviklingen er dog fortsat med TMR-sensorteknologien (Tunnel MagnetoResistans), der er mere præcis og mindre støjfølsom samt med et lavere forbrug end tidligere teknologier. TMR erstatter i stigende omfang Hall-sensorer. TMR har også åbnet døren til flere muligheder for brug af magnetoresistans som non-volatil datalagring i lagdelte systemer. Den tekniske udvikling af MRAM skyldes primært IBM, som for rundt regnet 20 år siden sendte de første produkter på markedet, og i dag har alle moderne harddrives TMR read/write-hoveder.
MRAM kombinerer alle fordelene fra halvleder-memories som hurtige access-tider og en høj lagringstæthed for magnetiske materialer. De non-volatile memories er også robuste, energiautonome og strålingsresistente. MRAMs har desuden en ikke-destruktiv read-proces og kan opbevare data uden forsyning.
DRAM er fortsat det foretrukne lagringsmedium, men ulempen ved DRAM er tab af data ved spændingsudfald samt behovet for løbende refreshing for at undgå tab af data. TMR-teknologien overtager med sin robuste datalagring stadigt flere opgaver fra DRAM-sektoren, om end endnu kun i nicheapplikationer, så det store kommercielle gennembrud ligger fortsat ude i fremtiden. TMR’s markedsandele inden for områder som automotive, industri og selv forbrugerapplikationerne er dog vokset uforholdsmæssigt meget sammenlignet med teknologier som Hall, AMR og GMR.
TMR-effekten
TMR ligner GMR-effekten og blev opdaget i 1975 i Fe/GeO/Co-junctions ved 4,2K. Den relative modstandsændring var omtrent 14 procent og tiltrak sig ikke megen opmærksomhed på grund af den høje temperatur. I 1991 kunne man dog realisere en ændring på 2,7 procent ved stuetemperatur. Det tal blev siden løftet til 18 procent i compounds af jern adskilt af amorfe aluminia isolatorer. Modsat GMR, der har et ikke-magnetisk lag, indsætter man i TMR et ikke-ledende lag mellem to magnetiske lag. Det løser man med en magnetisk tunnel junction, en komponent bestående af to ferromagneter adskilt af en tynd isolator (figur 1).
Hvis isolatorlaget er tyndt nok (typisk nogle få nanometer), kan elektroner passere gennem tunnelbarrieren fra ét ferromagnetisk lag til det næste. Sandsynligheden for denne effekt afhænger også af det spin, som fører til høje MR-værdier for parallel i forhold til anti-parallel magnetisering af spinnet i de magnetiske tunnel junction-lag. De største effekter kan man forvente i materialer med fuldt spin-polariserede elektroner.
Da tunnelprocessen er ”forbudt” i traditionel fysik, er TMR reelt et kvantemekanisk fænomen. Retningen af de to magnetiseringer af de ferromagnetiske lag kan ændres med et eksternt magnetisk felt. Hvis magnetiseringerne er parallelle, vil elektronerne være mere tilbøjelige til at ”tunnele” sig gennem det isolerende lag, end hvis de var opstillet i modsatrettede (anti-parallelle) retninger. Det betyder, at man derfor kan skifte mellem elektriske tilstande – én med lav modstand og én med høj modstand (figur 2).
Struktur i en tyndfilms-stack
TMR-effekten kan bruges til mange applikationer. Det kræver dog konstruktion af en tyndfilms-stack. Tricket er kun at have ét frit ferromagnetisk lag. Den magnetiske tunnel junction (MTJ) i figur 3 bruger dét, der kaldes udvekslingskobling. Denne TMR-struktur er et MTJ-flerlag mellem to elektroder i en geometri, hvor strømmen løber vinkelret på planet. Den komplekse stack består af dobbelte udvekslingselektroder sammensat af en bundelektrode, en anti-ferromagnet (AFM) i bunden, et ”pinned” (fastgjort) lag (PL), et afstandsstykke, et referencelag (RL), en tunnelbarriere, et sensorlag (SL) samt den øverste elektrode.
For at øge udvekslingsområdet og for at gøre MTJ’en mere termisk stabil kan en syntetisk anti-ferromagnetisk (SAF) struktur bruges i stedet for en enkelt ferromagnet (FM) i det fastgjorte lag ved siden af AFM’en. SAF-strukturen består af to eller flere FM-lag adskilt af tynde rutheniumlag og koblet af RKKY-interaktionen. For at fiksere magnetiseringen af det fastgjorte lag i én retning anvender man udvekslingskoblingen mellem FM- og AFM-lagene. Kun magnetiske felter over udvekslingsfeltet kan vende magnetiseringen af det fastgjorte lag. Pilene i figur 3 angiver retningen af magnetiseringen og det påførte magnetfelt.
Ændringshastigheden af modstanden af en multilags-stack er indført som MR-forholdet. Her er MR-værdierne for konventionelle AMR- og GMR-elementer henholdsvis omkring fem og ti procent. For det meget mere følsomme TMR-element er det 100 procent eller mere.
Men hvorfor er TMR så følsom? Som beskrevet består GMR-elementet af et ikke-magnetisk metal (som kobber) embedded mellem to ferromagnetiske lag. Elektronoverførsel sker ved elektrisk ledning i metallet. I et TMR-element sker elektronoverførsel imidlertid gennem en kvantemekanisk tunneleffekt. Når det fastgjorte lag og det frie lag er anti-parallelle, har et TMR-element derfor en spændende egenskab. Elektronerne er blokerede og kan ikke passere ind i tunnelbarrieren. I en GMR er det derimod svært for elektronerne at passere gennem den ikke-metalliske barriere. Som følge heraf har et TMR-element et ekstremt stort MR-forhold og udsender meget klare signaler som ja/nej eller 1/0, afhængigt af spin-polariseringen af de anvendte metaller.
Nyt magnetometer baseret på TMR-teknologien
BMM350 er et nyt tre-akset magnetometer fra Bosch Sensortec baseret på TMR-teknologien. Den meget højere følsomhed sammenlignet med standard Hall-, AMR- og GMR-sensorer giver en væsentligt større målenøjagtighed. Desuden har TMR-sensoren bedre temperaturstabilitet og en hurtigere responstid (figur 4). På grund af sin lille størrelse er magnetometret oplagt til blandt andet wearables: WLCSP-kapslingen måler kun 1,28mm × 1,28mm × 0,5mm.
Sammenlignet med den tidligere BMM150 har BMM350 væsentligt forbedret ydelse og et strømtræk på 200μA ved en datahastighed på 100Hz, hvilket er tyve gange mindre end forgængeren. Støj på x/y-aksen er en tredjedel og målefølsomheden fire gange bedre end i BMM150. En chok-gendannelsesfunktion gør BMM350 meget robust over for eksterne magnetiske felter, hvilket sikrer høj pålidelighed over tid.
Listen over mulige anvendelser for TMR-sensorer, som BMM350, er lang. Som positionssensorer (med en, to eller tre akser) kan de måle rotation eller lineær bevægelse eller Jordens magnetfelt som et kompas, og i høreapparater forbedrer BMM350 hovedorientering og genkendelse til 3D-lydapplikationer. Det kan blandt andet forhindre, at brugeren får kvalme.
Til indendørs navigation, hvor et GPS-signal ikke er tilgængeligt, kan BMM350 fungere som en digital guide og øge positionsnøjagtigheden.
Muligheden for hastighedsmåling er ikke kun af interesse i bilapplikationer, da TMR-sensorer også kan måle hjulhastigheden på e-cykler. Måling af strøm er endnu en interessant applikation for TMR-sensorer. Som ikke-invasive strømmålere er TMR ideel til mange applikationer, blandt andet som følge af den højere følsomhed og bedre linearitet end Hall-, AMR- og GMR-sensorer.
Applikationerne for TMR-sensorer bliver fortsat flere, og med modningen af kommercielle teknologier vil TMR helt sikkert overtage rollerne fra mange af dagens sensor- og lagringsopgaver.
Billedtekster:
Figur 1: Skematisk TMR-arrangement med to ferromagnetiske lag og et mellemliggende isolationslag.
Figur 2: TMR-effekten: Hvis magnetiseringsretningerne i de frie og fastgjorte lag er parallelle, er modstanden lav, og der løber en stor strøm (venstre). Hvis magnetiseringerne er modsatrettede, er modstanden høj, og der løber kun en svag strøm.
Figur 3: Skematisk diagram af en MTJ-stack og orientering af simulerings input-vektorer i forhold til koordinatakserne.
Figur 4: BMM350 er et højfølsomt tre-akset magnetometer fra Bosch Sensortec, og komponenten giver yderst præcise måleresultater.
