RUTRONIK GmbH
Avtorja: Maria Alejandra Salazar Martinez, vodja analognih izdelkov in tipal pri podjetju Rutronik in
Thomas Block, vodja izdelkov pri podjetju Bosch Sensortec
Številnih načinov uporabe si brez magnetometrov sploh ne moremo predstavljati. Drugi lahko z njimi delujejo bolje ali imajo nove funkcije. Nova tehnologija tunelske magnetoupornosti zdaj odpira še več možnosti.
Magnetometri merijo magnetno polje ali magnetni dipolni moment. Tipičen magnetometer je kompas. Meri smer okoliškega magnetnega polja, v tem primeru zemeljskega. Različne vrste tipal magnetnega polja zaznavajo smer, jakost ali relativno spreminjanje magnetnega polja na določenem mestu.
Magnetometri se že desetletja uporabljajo v avtomobilih in industriji, v elektroniki za široko rabo pa jih običajno najdemo v pametnih telefonih, nosljivih napravah, očalih za dopolnjeno/navidezno resničnost (AR/VR), dronih, robotih, napravah za pametni dom ter IoT napravah. Prihajajo pa tudi vznemirljivi novi načini uporabe, kot so določanje usmerjenosti glave za 3D-zvok, izboljšana navigacija v zaprtih prostorih, določanje položaja in zaznavanje hitrosti. Ena od vrst magnetnih tipal so Hallova tipala.
Hallova tipala imajo velik tržni delež
Hallovo tipalo deluje z zaznavanjem Hallovega učinka oziroma Hallove napetosti. Hallova tipala se imenujejo po Edwinu Hallu, ki je leta 1879 ugotovil, da tipalo, ki je nameščeno navpično glede na vodnik, po katerem teče tok, elektrone v vodniku vleče na eno stran in s tem povzroči razliko potenciala (napetost). Hallov učinek torej kaže jakost magnetnega polja v bližini vodnika. Uporablja se v tipalih, ki na podlagi ugotovljene Hallove napetosti kažejo prisotnost, odsotnost ali jakost magnetnega polja. Sodobna Hallova tipala z visoko stopnjo integracije vključujejo različne funkcije za obdelavo signala tipala, kot so diferencialno razporejeni Hallovi elementi, instrumentacijski ojačevalniki, A/D-pretvorniki in celo mikrokontrolerji (odvisno od različice). Čeprav Hallova tipala delujejo tako, da zaznavajo magnetno polje, jih je mogoče uporabiti za merjenje številnih fizikalnih količin, kot so položaj, temperatura, tok in tlak.
Zaradi izpopolnjene in stroškovno učinkovite proizvodnje imajo Hallova tipala že dolgo velik tržni delež. V glavnem jih sestavlja tanek kos pravokotnega polprevodnika p-tipa, kot je galijev arzenid (GaAs), indijev antimonid (InSb) ali indijev arzenid (InAs), skozi katerega neprekinjeno teče tok. Če je tipalo v magnetnem polju, magnetno polje učinkuje na nosilce naboja (elektrone in vrzeli) v polprevodniku in jih s tem odklanja na obe strani polprevodniške ploščice. To premikanje nosilcev naboja povzroča magnetna sila, ki so ji izpostavljeni, ko potujejo skozi polprevodnik. Izhodno napetost Hallovega senzorja imenujemo Hallova napetost (UH) in je sorazmerna gostoti magnetnega polja v polprevodniškem materialu (izhod ∝ B). Takšna silicijeva Hallova tipala pa imajo omejeno izhodno moč, nizko točnost in velike odmike.
Tipala AMR z omejenimi področji uporabe
Alternativa Hallovim tipalom so tipala na anizotropno magnetoupornost (angl. Anisotropic Magnetoresistance – AMR). Magnetoupornost (angl. Magnetoresistance – MR) je sprememba električne upornosti vodnika, ki jo povzroči magnetno polje. Če se električna upornost zaradi magnetnega polja zmanjša, pravimo temu negativna magnetoupornost.
Na splošno se uporabljata dve opredelitvi relativne spremembe upornosti zaradi magnetnega polja: Vrednost MR0 je opredeljena kot razlika med upornostjo z magnetnim poljem in upornostjo brez polja, deljena z upornostjo brez polja, F1.
Vrednost MRP je opredeljena kot razlika med upornostjo z magnetnim poljem in upornostjo v nasičenem polju, deljena z upornostjo v nasičenem polju. Maksimalna vrednost je lahko poljubna F2.
Učinek AMR je bil odkrit leta 1856 in je bil leta 1971 prvič uporabljen v pretvornikih za branje magnetnih trakov. Podjetje Honeywell je razvilo magnetni pomnilnik z naključnim dostopom (angl. Magnetic Random Access Memory – MRAM), ki temelji na učinku AMR.
Tipala AMR je mogoče uporabljati tudi kot kompas za merjenje zemeljskega magnetnega polja. Razen tega je njihova uporaba omejena. Čeprav več proizvajalcev polprevodnikov ponuja vrsto tipal AMR, je njihova magnetoupornost običajno manjša od pet odstotkov. Tradicionalna tipala AMR poleg tega zahtevajo dodatne tokokroge ali trajne magnete za obnovitev namagnetenja tanke plasti po uporabi. To oteži vgradnjo v ohišje in povzroči višje stroške.
Tipala GMR za številne načine uporabe
Poznamo tudi učinek ogromne magnetoupornosti (angl. Giant Magnetoresistance – GMR), ki sta ga Peter Grünberg in Albert Fert neodvisno opazila leta 1986 kot nenavadno magnetoelektronsko obnašanje na plasteh Fe/Cr/Fe. Za to sta leta 2007 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
Če sta dve plasti železa feromagnetno sklopljeni z nemagnetno plastjo kroma, je upornost nizka, saj lahko elektroni potujejo v drugo plast železa, ne da bi spremenili spin. Razmerje MR v kovinski zgradbi spinskega ventila običajno znaša okoli deset odstotkov.
Podjetje IBM je tipala GMR kmalu začelo uporabljati kot magnetne bralne glave v trdih diskih in s tem doseglo večje pomnilniške zmogljivosti. Od takrat se tipala GMR uporabljajo tudi za številne druge namene.
Tehnologija TMR spodbuja inovacije v tehnologiji tipal in računalniški industriji
To pa še ne pomeni, da je razvoj magnetometrov končan; tehnologija, ki izkorišča pojav tunelske magnetoupornosti (angl. Tunnel Magnetoresistance – TMR) se je ves čas izpopolnjevala. Je točnejša, ima manj šuma in porabi manj energije kot prejšnje tehnologije magnetometrov. Zaradi vseh teh lastnosti lahko domnevamo, da bo postopoma vse bolj nadomeščala Hallova tipala.
Odkritje učinka TMR je odprlo tudi nove možnosti za uporabo magnetoelektronskih pojavov v računalniški industriji, kot so neizgubni pomnilniki na podlagi učinka MR v večplastnih sistemih. Tehnični razvoj teh pomnilnikov MRAM se je začel v podjetju IBM. Prvi izdelki so prišli na trg pred približno 20 leti. Danes vsi sodobni trdi diski uporabljajo bralno/zapisovalne glave TMR.
Pomnilniki MRAM združujejo prednosti polprevodniških pomnilnikov (hiter dostop) in magnetnih materialov (visoka gostota). Poleg tega so ti neizgubni pomnilniki robustni, energijsko samozadostni in odporni proti sevanju ter imajo nedestruktiven proces branja. Pomnilniki MRAM lahko hranijo podatke tudi brez napajalne napetosti.
Trenutno še vedno prevladuje shranjevanje podatkov v dinamičnih pomnilnikih z naključnim dostopom (DRAM). Ti pa imajo slabost, da se podatki ob izpadu električne energije izgubijo. Poleg tega potrebujejo pomnilniški sistemi redne osvežitve, ki preprečujejo izgubo podatkov. Čeprav se je zdelo, da bo silicijeve polprevodnike v pomnilnikih DRAM postopoma nadomestila tehnologija TMR, se pomnilniki MRAM še vedno uporabljajo le za niše in še niso dočakali svojega komercialnega preboja. V zadnjih letih pa je njihov tržni delež na avtomobilskem, potrošniškem in industrijskem trgu v primerjavi z drugimi tehnologijami, kot so Hall, AMR ali GMR, nesorazmerno zrasel.
Učinek TMR
Učinek TMR temelji na razporeditvi, ki je podobna kot pri učinku GMR. Michel Jullière ga je prvič odkril leta 1975 na spojih Fe/Ge-O/Co pri 4,2 K. Relativna sprememba upornosti je znašala približno 14 odstotkov in ni pritegnila veliko pozornosti. Leta 1991 je Terunobu Miyazaki opazil 2,7-odstotno spremembo pri sobni temperaturi. Čez tri leta je Miyazaki opazil 18-odstotno spremembo v železovih spojinah, ločenih z izolatorjem iz amorfnega aluminijevega oksida. Jagadeesh Moodera je izmeril 11,8-odstotno spremembo na spojih elektrod iz CoFe in Co.
Za razliko od GMR z nemagnetno plastjo je pri TMR neprevodna plast vstavljena med dve magnetni plasti. To tvori magnetni tunelski spoj, sestavljen iz dveh feromagnetov, ki sta ločena s tankim izolatorjem.
Če je izolacijska plast dovolj tanka (običajno nekaj nanometrov), lahko elektroni skozi tunelsko pregrado prehajajo iz ene feromagnetne plasti v drugo. Verjetnost za to je odvisna tudi od spina, kar povzroča visoke razlike MR pri vzporednih in protivzporednih namagnetenjih plasti magnetnega tunelskega spoja. Največje učinke je pričakovati pri materialih s popolnoma spinsko polariziranimi elektroni.
Ker proces tuneliranja v klasični fiziki ni mogoč, je TMR kvantnomehanski pojav. Smer namagnetenja feromagnetnih plasti je mogoče spremeniti z zunanjim magnetnim poljem. Če sta plasti namagneteni vzporedno, je tuneliranje elektronov skozi izolacijsko plast bolj verjetno kot pri protivzporednem namagnetenju. To pomeni, da je možno preklapljati med dvema električnima upornostma, nizko in visoko.
Zgradba tankoplastnega sklopa
Učinek TMR je primeren za številne načine uporabe, zahteva pa izdelavo tankoplastnega sklopa. Trik je v tem, da imamo samo eno prosto feromagnetno plast.
Magnetni tunelski spoj (angl. Magnetic Tunnel Junction – MTJ) na sliki 3 uporablja t. i. izmenjevalno sklopitev. Ta zgradba TMR je večplastni MTJ med dvema elektrodama v geometriji, kjer tok teče pravokotno na ravnino. Kompleksni sklop je sestavljen iz dvojnih izmenjevalnih elektrod, ki jih sestavljajo spodnja elektroda, spodnji antiferomagnet (AFM), vezana plast (angl. Pinned Layer – PL), vmesna plast, referenčna plast (angl. Reference Layer – RL), tunelska pregrada, zaznavalna plast (angl. Sensor Layer – SL) in zgornja elektroda.
Za povečanje izmenjevalnega polja in boljšo toplotno stabilnost MTJ je mogoče za vezano plast, ki meji na AFM, uporabiti sintetično antiferomagnetno (SAF) zgradbo namesto enega samega feromagneta (FM). Zgradba SAF je sestavljena iz dveh ali več FM-plasti, ločenih s tankimi plastmi rutenija in sklopljenih z interakcijo RKKY. Za fiksno namagnetenje vezane plasti v eno smer se uporablja izmenjevalna sklopitev med plastjo FM in AFM. Namagnetenje vezane plasti lahko obrnejo samo magnetna polja nad izmenjevalnim poljem. Puščice na sliki 3 kažejo smer namagnetenja in prisotno magnetno polje.
Hitrost spremembe upornosti večplastnega sklopa se izrazi kot razmerje MR. Vrednosti MR običajnih elementov AMR in GMR so okoli pet oziroma deset odstotkov. Pri veliko bolj občutljivem elementu TMR znašajo 100 odstotkov ali več.
Zakaj je torej element TMR tako občutljiv? Kot smo opisali, je element GMR sestavljen iz nemagnetne kovine (npr. bakra) med dvema feromagnetnima plastema. Prenos elektronov se tu dogaja zaradi električne prevodnosti kovine. V elementu TMR pa se prenos elektronov dogaja zaradi kvantnomehanskega tunelskega učinka. Če sta torej vezana in prosta plast namagneteni protivzporedno, ima element TMR vznemirljivo lastnost, da blokira prenos elektronov in ne morejo preskočiti tunelske pregrade. Element GMR je drugačen, saj elektroni težko preskočijo nekovinsko pregrado. Posledica tega je, da ima element TMR izjemno visoko razmerje MR in oddaja zelo jasne signale, ki jih lahko interpretiramo kot »Da/Ne« ali »1/0« ter so odvisni od spinske polarizacije uporabljenih kovin.
Nov magnetometer s tehnologijo TMR
Na tehnologiji TMR temelji novi 3-osni magnetometer BMM350 podjetja Bosch Sensortec. Njegova bistveno višja občutljivost v primerjavi s standardnimi tipali Hall, AMR ali GMR omogoča bistveno večjo točnost merjenja. Tipala TMR imajo tudi boljšo temperaturno stabilnost in hitrejši odzivni čas.
Z elementom BMM350 je zato mogoče realizirati in izboljšati nosljive ter zvočne naprave, pametne telefone, tablične računalnike, naprave AR in VR ter aplikacije za vozila. Magnetometer je zaradi svoje male velikosti skoraj neviden: Ohišje Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) meri samo 1,28 mm x 1,28 mm x 0,5 mm.
V primerjavi s prejšnjo generacijo BMM150 zagotavlja element BMM350 bistveno večjo zmogljivost. Njegova povprečna poraba je le 200 μA pri hitrosti osveževanja 100 Hz, kar je dvajsetkrat manj kot pri predhodniku. Šum na osi x/y je trikrat manjši, občutljivost meritev pa štirikrat večja kot pri elementu BMM150. Zaradi funkcije za obnovitev po sunkih magnetnega polja je element BMM350 zelo odporen proti zunanjim magnetnim poljem in vedno zagotavlja visoko točnost.
Tipala TMR, kot je BMM350, imajo zelo dolg seznam možnih načinov uporabe. Kot tipala položaja (eno-, dvo- ali triosna) lahko merijo vrtenje ali linearne premike ali kot kompas tudi zemeljsko magnetno polje.
V zvočnih napravah BMM350 izboljša zaznavanje in določanje usmerjenosti glave za načine uporabe s 3D-zvokom. Kombinacija vztrajnostnih tipal in pametne programske opreme za združevanje odčitkov tukaj odpravlja vedno prisotno lezenje hitrosti vrtenja. Pri komercialno dostopnih slušalkah za sisteme AR in VR je pomembno, da je magnetometer kombiniran z merilnikom pospeška in tipalom hitrosti vrtenja, da je mogoče zmanjšati zakasnitev slikovnih točk. To izboljša uporabniško izkušnjo in prepreči slabost.
Za navigacijo v zaprtih prostorih, kjer signal GPS ni na voljo, lahko element BMM350 deluje kot digitalni iskalnik poti in poveča točnost določanja položaja.
Njegova zmožnost merjenja hitrosti ni zanimiva le za uporabo v avtomobilih – z magneti ali magnetnimi kodirniki lahko tipalo TMR meri tudi hitrost koles na e-kolesih.
Merjenje toka je še en zanimiv način uporabe tipal TMR. Kot neinvazivni merilniki toka so idealni za številne načine uporabe, npr. v distribuciji električne energije, močnostni elektroniki in pogonski tehniki, saj zagotavljajo večjo občutljivost ter linearnost kot tipala Hall, AMR in GMR.
Pri tem so stabilni, majhni, omogočajo visoko stopnjo integracije, porabijo malo energije in na splošno zagotavljajo večjo pasovno širino.
Zaključek
Tehnologija TMR, kot je uporabljena v elementu BMM350 podjetja Bosch Sensortec, omogoča boljšo uporabniško izkušnjo za številne načine uporabe, pri tem pa prinaša tudi vznemirljive, povsem nove načine uporabe, ki z drugimi tehnologijami niso izvedljivi.
