De TMR-hoeksensor (Tunneling Magneto Resistance) is een hoge-precisiesensor gebaseerd op het tunneling-magnetoweerstandseffect, dat veel wordt gebruikt in industriële besturing, auto-elektronica, ruimtevaart en andere gebieden. Het werkingsprincipe combineert op diepgaande wijze de magnetische theorie van de natuurkunde en het principe van de elektronica, door de verandering van de weerstandswaarde te meten om de richting en sterkte van het magnetische veld te bepalen en vervolgens de hoekinformatie te bepalen.
I. Het basisprincipe van het TMR-effect
Het TMR-effect, of tunnelmagnetoweerstandseffect, is een speciaal fenomeen dat optreedt in magnetische tunnelovergangen (MTJ's), die bestaan uit twee ferromagnetische lagen (vast en vrij), gescheiden door een niet-magnetische isolatielaag (barrièrelaag). Wanneer de isolatielaag dun genoeg is (meestal enkele nanometers), kunnen elektronen de isolatielaag van de ene ferromagnetische laag naar de andere passeren onder invloed van kwantumtunneling. Dit tunnelproces is extreem gevoelig voor de magnetisatierichtingen van de twee ferromagnetische lagen: wanneer de magnetisatierichtingen van de twee lagen evenwijdig zijn, is de tunnelweerstand klein; wanneer de magnetisatierichtingen antiparallel zijn, is de tunnelweerstand groot. Door de verandering van de tunnelweerstand te meten, kan deze daarom de relatieve verandering van de magnetisatierichting van de twee ferromagnetische lagen weerspiegelen.
II. Structuur van TMR-hoeksensor
De TMR-hoeksensor bestaat doorgaans uit twee delen: de TMR-sensorchip en de permanente magneet. Onder hen zijn meerdere MTJ-structuren geïntegreerd in de TMR-sensorchip, en elke MTJ-structuur bevat een vaste laag, een barrièrelaag en een vrije laag. De magnetisatierichting van de vaste laag ligt vast tijdens het productieproces en verandert niet met het externe magnetische veld; de magnetisatierichting van de vrije laag is relatief flexibel en kan veranderen met het externe magnetische veld. De permanente magneet wordt gebruikt om een stabiel magnetisch veld te genereren, en wanneer de permanente magneet roteert, zal de richting van het magnetische veld dat hij genereert ook veranderen, waardoor de magnetisatierichting van de vrije laag in de TMR-sensorchip wordt beïnvloed.
III. Werkingsprincipe van TMR-hoeksensor
1. Invloed van magnetisch veld op de vrije laag
Wanneer de permanente magneet draait, verandert de richting van het magnetische veld dat hij produceert. Dit veranderde magnetische veld zal inwerken op de vrije laag in de TMR-sensorchip, waardoor de magnetisatierichting van de vrije laag dienovereenkomstig verandert. Omdat de magnetisatierichting van de vrije laag rechtstreeks verband houdt met de grootte van de tunnelweerstand, zal een verandering in de magnetisatierichting resulteren in een verandering in de tunnelweerstand.
2. Relatie tussen weerstandsverandering en hoek
Bij TMR-hoeksensoren zijn meestal meerdere MTJ-structuren op de sensorchip gerangschikt volgens een bepaalde lay-out, en de weerstandsveranderingen van deze MTJ-structuren worden door het circuitontwerp omgezet in meetbare elektrische signalen. Wanneer de permanente magneet roteert, leidt de verandering in de richting van het magnetische veld tot een verandering in de richting van de magnetisatie van de vrije laag, wat op zijn beurt een verandering in de tunnelweerstand veroorzaakt. Nadat deze weerstandsveranderingen zijn omgezet in elektrische signalen, kan door verdere verwerking en analyse de rotatiehoek van de permanente magneet worden bepaald.
Specifiek maken TMR-hoeksensoren doorgaans gebruik van circuitontwerpen zoals Wheatstone-bruggen om de effecten van externe factoren zoals temperatuur op de meetresultaten te minimaliseren. Wanneer de permanente magneet roteert, worden de MTJ-structuren op verschillende locaties op de sensorchip blootgesteld aan magnetische velden van verschillende richtingen en afmetingen, wat resulteert in verschillende veranderingen in hun weerstandswaarden. Deze veranderingen in weerstandswaarden genereren een differentieel signaal in de Wheatstone-brug, waarvan de grootte evenredig is aan de rotatiehoek van de permanente magneet. Door de grootte van dit differentiële signaal te meten, kan de rotatiehoek van de permanente magneet worden bepaald.
3. Hoekmeetbereik en nauwkeurigheid
TMR-hoeksensoren hebben doorgaans een groot meetbereik en een hoge meetnauwkeurigheid. Omdat het TMR-effect zeer gevoelig is voor veranderingen in de richting van het magnetische veld, zijn TMR-hoeksensoren in staat nauwkeurige metingen van kleine hoekveranderingen te realiseren. Tegelijkertijd vermijdt de TMR-hoeksensor, dankzij het gebruik van contactloze metingen, problemen zoals mechanische slijtage en vervuiling, en verbetert de stabiliteit en betrouwbaarheid van de meting.
IV. Voordelen en toepassingen van TMR-hoeksensor
1. Voordelen
Hoge nauwkeurigheid: TMR-hoeksensoren kunnen de nauwkeurige meting van kleine hoekveranderingen realiseren, met een hoge meetnauwkeurigheid.
Hoge gevoeligheid: Omdat het TMR-effect zeer gevoelig is voor veranderingen in de richting van het magnetische veld, heeft de TMR-hoeksensor een hoge gevoeligheid.
Laag stroomverbruik: TMR-hoeksensoren verbruiken minder stroom tijdens gebruik, wat bevorderlijk is voor energiebesparing en milieubescherming.
Weinig ruis: TMR-hoeksensoren hebben een hoge signaal{0}}tot-ruisverhouding en kunnen hoekinformatie nauwkeurig meten in complexe omgevingen.
Lage temperatuurafwijking: door een circuitontwerp zoals de Wheatstone-brug aan te nemen, kan de TMR-hoeksensor de invloed van temperatuur en andere externe factoren op de meetresultaten verminderen en heeft hij een lage temperatuurafwijking.
2. Toepassing
Industriële controle: In industriële geautomatiseerde productielijnen kunnen TMR-hoeksensoren worden gebruikt om de rotatiehoek en positie-informatie van mechanische onderdelen te meten om nauwkeurige controle te realiseren.
Auto-elektronica: In de auto-industrie kunnen TMR-hoeksensoren worden gebruikt om de rotatiehoek en positie-informatie van stuurwielen, stuurwielassen, wielen en andere componenten te meten, om de stabiliteit en veiligheid van autorijden te verbeteren.
Lucht- en ruimtevaart: In de ruimtevaart kunnen TMR-hoeksensoren worden gebruikt om de stand, roeruitslag en andere belangrijke parameters van het vliegtuig te meten om de veiligheid en stabiliteit van het vliegtuig te garanderen.
V. Conclusie
De TMR-hoeksensor is een hoge-precisiesensor gebaseerd op het tunnelmagnetoweerstandseffect. Het werkingsprincipe bepaalt de richting en sterkte van het magnetische veld door de verandering van de weerstandswaarde te meten, en bepaalt vervolgens de hoekinformatie. Vanwege de voordelen van hoge nauwkeurigheid, hoge gevoeligheid, laag energieverbruik, laag geluidsniveau en lage temperatuurdrift, worden TMR-hoeksensoren veel gebruikt in industriële besturing, auto-elektronica, lucht- en ruimtevaart en andere gebieden. Met de voortdurende ontwikkeling en vooruitgang van wetenschap en technologie zullen TMR-hoeksensoren in de toekomst een nog belangrijkere rol spelen.