Conceptos básicos sobre los sensores magnetorresistivos (MR)

La señal de salida requiere cierto procesamiento de la señal para convertirla al parámetro deseado. Es evidente que la distribución de un campo magnético depende de la distancia y de la forma del objeto o evento que lo crea o perturba (es decir, imán, corriente, etc.). Por lo tanto, es importante tener siempre en cuenta tanto el sensor como el objeto en el diseño de la aplicación. Aunque los sensores magnéticos son un poco más difíciles de utilizar, proporcionan datos precisos y confiables, sin contacto físico.

Lord Kelvin descubrió la magnetorresistencia en 1857 cuando notó el pequeño cambio en la resistencia eléctrica de una pieza de hierro cuando la colocó en un campo magnético. Pero pasaron más de 100 años antes de que Hunt presentara un informe sobre el primer concepto de sensor magnetorresistivo (MR) en 1971. Y tuvieron que pasar 20 años más para que en 1991 IBM introdujera el primer cabezal MR, que utilizaba una tira de material magnetorresistivo para detectar bits en una unidad de disco duro. En el pasado, los sensores MR se utilizaban en aplicaciones menos rigurosas de lectores de etiquetas de precio y de tarjetas de identificación (solo lectura) y cinta magnética (1985). La composición de un elemento  de Hunt: una película magnetorresistiva con una corriente de detección I y un vector de magnetización M a un ángulo α que determina la señal con respecto a la corriente en el plano de la película (ver figura 1). Un campo magnético Hy acoplado al material del sensor magnético blando cambiará la resistencia de la tira, que se sondea mediante la corriente sensorial.

El origen físico del efecto de magnetorresistencia en los metales de transición radica en la dependencia de la dirección de la magnetización de la dispersión de electrones. En los metales de transición, los portadores predominantes de corriente son los electrones 4s, ya que tienen una mayor movilidad que los electrones 3d. La dispersión de electrones de las bandas s a d es mayor cuando los electrones viajan paralelos a la magnetización. 

En la mayoría de las aplicaciones, el elemento académico de Hunt no es adecuado, ya que no proporciona una referencia cero. Esta desventaja, así como la dependencia de la temperatura de la resistencia, se puede evitar con un puente de Wheatstone. 

En esencia, los sensores magnetorresistivos se pueden dividir en dos grupos. En aplicaciones de alto campo, como cuando la intensidad del campo aplicado es lo suficientemente fuerte como para saturar el material del sensor magnético blando (aproximadamente para H>10 kA/m), el vector de magnetización en el sensor es siempre (casi) paralelo al campo aplicado. Una aplicación común para un sensor MR de alto campo es un sensor angular sin contacto, como el KMT32B, el KMT36H o los sensores de posición MLS. En aplicaciones de bajo campo, el vector de magnetización está determinado principalmente por la forma de las tiras, ya que la magnetización muestra una preferencia natural por la dirección longitudinal. El campo externo provoca una torsión α de la magnetización en la tira, lo que cambia la resistencia debido al efecto MR. Los sensores lineales de bajo campo como el dado MR174B, los sensores KMY y los sensores de conmutación como el MS32 suelen operar en este modo.

La aplicación de campos magnéticos bajos a un elemento de Hunt conducirá solo a pequeños cambios en la magnetización y, a su vez, el término cos en la fórmula (1) casi no se modificará con pequeños cambios de α. Un elemento de Hunt no es sensible a pequeñas intensidades de campo. Para que el sensor MR sea sensible a campos magnéticos bajos, se debe modificar la curva de transferencia MR (1). La forma más común se logra con barras en diagonal (ver figura 2).

Sobre el Permalloy se colocan barras pequeñas y de alta conductividad, las barras en diagonal, que desviarán la corriente en el Permalloy y cambiarán la trayectoria de la corriente debido a su composición, pero no cambiarán el comportamiento magnético. La corriente entre los huecos de las barras en diagonal tomará el camino más corto, como el perpendicular a las barras.

La linealidad de la señal de salida del sensor depende de la relación entre la amplitud real de la señal y la amplitud máxima del voltaje de salida. La figura 4 muestra la desviación de la linealidad en relación con este cociente (en porcentaje):

La energía magnetostática es la misma para un dominio magnético, ya sea, por ejemplo, paralelo o antiparalelo al campo externo. En otras palabras, los dominios magnéticos pueden fluctuar entre dos direcciones en un entorno estable. Esto no es un problema en el caso de los sensores de alto campo, ya que la curva de transferencia es cuadrática en α, pero tiene efectos drásticos en el caso de un sensor de barras en diagonal, ya que ahora la señal de salida también cambia de signo.

Por esta razón, los sensores MR de bajo campo, como el sensor de barras en diagonal, deben estar estabilizados (polarizados) por un campo adicional externo (Hx), que está orientado adecuadamente a lo largo de la tira de MR (es decir, dirección x). La única función de este campo es definir una dirección preferencial para la alineación de los dominios magnéticos. El campo de polarización debe ser lo suficientemente fuerte como para impedir que los campos perturbadores cambien de dominio. Se ha comprobado de manera empírica, que las intensidades de campo de polarización superiores a aproximadamente 2.5 kA/m garantizan el correcto funcionamiento del sensor.

Hay que tener en cuenta que un campo de polarización cambiará la sensibilidad del sensor. Esto se muestra en la figura 6 y en la tabla 2. 

Con respecto a Permalloy, tanto el coeficiente de temperatura resistente al puente como el de amplitud tienen aproximadamente el mismo valor, pero difieren en el signo TCBR≈-TCSV.

De esta manera, el usuario compensa la dependencia que la temperatura tiene de la sensibilidad al usar un suministro de corriente constante. En este caso, el voltaje de alimentación se incrementa al aumentar la temperatura y la resistencia del puente, lo que causa un aumento del voltaje de salida, que compensa la pérdida de sensibilidad.

Otro valor importante es el coeficiente de temperatura de la compensación, que se debe a pequeñas diferencias en el comportamiento de la temperatura de las cuatro resistencias de puente. En la práctica, se observa una deriva en el voltaje de salida, que no se puede separar de la señal de salida regular causada por los campos magnéticos. En aplicaciones que utilizan acoplamiento de señal de CC, el coeficiente de temperatura de la compensación limitará la precisión de la medición.

Permalloy es un material muy resistente que cuando está revestido puede tolerar temperaturas muy altas de hasta aproximadamente 300 °C. En este caso, el embalaje será el factor limitante.