Sensors and Technologies in Spain: State-of-the-Art

The aim of this special issue was to provide a comprehensive view on the state-of-the-art sensor technology in Spain. Different problems cause the appearance and development of new sensor technologies and vice versa, the emergence of new sensors facilitates the solution of existing real problems. [...

Fabricación, caracterización, modelado y propuesta de aplicabilidad de sensores magnetorresistivos de efecto túnel para medición de potencia y sensores de temperatura basados en Rutenio

En el capítulo 1 se describen los fundamentos teóricos a utilizar para los análisis y estudios a realizar más adelante, así como una breve explicación del estado de la técnica que es el estado actual de la tecnología al momento de redacción de la tesis. La introducción se divide en la tecnología magnetorresistiva, definiendo qué es y los efectos magnetorresistivos que existen así como su aplicación aeroespacial y modelización fraccional. A continuación se presenta el procesamiento digital de datos y las redes de sensores tratando un poco sobre los protocolos de comunicación formatos y aplicación de la transformada digital de Fourier. En el capítulo 2 se aborda la microfabricación de los sensores realizada en las instalaciones del INESC-MN. Se divide en dos grandes apartados que son la fabricación del sensor magnetorresistivo y la fabricación del sensor termorresistivo de rutenio, englobando los pasos de fabricación de ambos sensores a la definición, pasivación, apertura, protección y troceado de pistas y contactos. Ahí se explica la deposición de las capas nanométricas que componen cada una de las etapas de fabricación de los sensores a utilizar en posteriores estudios y parametrizaciones. En el capítulo 3 se realiza un estudio que muestra el equipamiento necesario para obtener las características físicas de los elementos magnetorresistivos que conforman el sensor de corriente tanto a nivel individual como en arreglos serie de 360 elementos. Esto permite analizar el cambio resistivo y el cambio en % MR que describen el desempeño para un barrido de campo magnético que nos ayuda a obtener las gráficas de comportamiento y una idea de la linealidad de la respuesta, sensibilidad y demás características físicas de los sensores nanofabricados. En el capítulo 4 se presenta una propuesta para medición no invasiva de las resistencias de un puente de Wheatstone resistivo. Esta propuesta puede ser aplicada en la medición de puentes resistivos integrados como los puentes magnetorresistivos usados en el presente trabajo de tesis. Se han realizado comparaciones con los valores obtenidos por cálculos numéricos y mediciones indirectas. Con esta técnica no hay necesidad de separar las conexiones físicas existentes entre los elementos del puente presentando tres diferentes soluciones electrónicas. La primera basada en una unidad de alimentación y medida, la segunda usando componentes electrónicos discretos y la tercera mediante el uso de relés para mediciones automatizadas. Estos tres métodos pueden ser usados para determinar el factor de rechazo a modo común (CMRR) asociado al puente o en procesos de control de calidad de sensores resistivos en configuración puente de Wheatstone. En el capítulo 5 se obtiene las características estáticas (DC) y térmicas fundamentales de los sensores de corriente y las termorresistencias de Ru. Para ello se desarrolla instrumentación teniendo especial relevancia el uso de la cámara climática disponible en el Departamento, la cual ha permitido realizar barridos en temperaturas repetibles y controladas. En el capítulo 6 se realiza una caracterización dinámica y modelización fraccional de sensores magnetorresistivos de corriente, abarcando diferentes sensores y efectos magnetorresistivos tales como anisotrópico AMR, gigante GMR, válvula de espín (GMR-SV) y de efecto túnel (TMR). Para ello se ha diseñado un dispositivo experimental que permite obtener en frecuencia la función de transferencia del sensor Zt(jf) (transimpedancia), entendida como el cociente Zt(jf)=Vo,sensor(jf)/I(jf) siendo Vo,sensor(jf) la tensión de salida del sensor (puente de Wheatstone) e I(jf) la corriente eléctrica que mide. Con los datos experimentales se propone un modelo de transimpedancia para cada sensor utilizando el cálculo fraccional. En el capítulo 7 se muestra el estudio y evolución del comportamiento frente a radiación de los sensores de corriente magnetorresistivos TMR. Este estudio no estaba previsto inicialmente en las investigaciones a realizar pero al coincidir con un proyecto en el campo de convertidores conmutados de potencia para aplicaciones aeroespaciales se ha podido realizar. Este trabajo se realizó ya que no se halló estado de la técnica con trabajos previos relacionados con TMR en radiación por lo cual se decidió incluir dicho estudio en el presente trabajo de tesis. El test realizado fue del tipo TID (total ionizing doze) siguiendo en la medida de las posibilidades la norma de la agencia espacial europea desarrollada en la especificación ESCC No 22900. En el capítulo 8 se realiza una propuesta de aplicabilidad para crear una red de vatímetros magnetorresistivos inteligentes. En él se explicó el fundamento matemático de la medida a realizar, el diseño de un sistema inteligente de acondicionamiento y el diseño del sistema de adquisición así como los cálculos necesarios para determinar frecuencia de muestreo y demás características del sistema propuesto. Asimismo se diseña e implementa una red de sensores y la forma de crear un servidor web que actúe como punto de acceso a la red de nodos maestro y esclavos que medirán los parámetros de la potencia que se proponen medir en el fundamento de medida. Finalmente en el capítulo 9 se tienen las conclusiones generales, propuestas de trabajo futuro y la lista de publicaciones derivadas del presente trabajo de tesis.Chapter 1 presents the theoretical foundations to use in the next chapters, as well as a brief explanation of the state-of-the-art of them. The introduction shows the magnetoresistive technology, its definition and their existing effects. Additionally their aerospace application and fractional modelling, in other side the digital processing of the data and sensor networks talking about the communication protocol formats and the applications of the digital Fourier transform. In chapter 2 the microfabrication of the sensors realized in the INESC-MN installations is approached. It is divided in two main goals: the magnetoresistive and the ruthenium termoresistive sensor fabrication. There are explained the fabrication steps of both sensors and the deposition of the nanometric layers. In chapter 3 is realized a study that shows the required equipment to obtain the physical characteristics of the magnetoresistive elements and the series array of 360 elements is realized. This allows to obtain the sensors behaviour by measuring the resistive change and the %MR change. Through these results the response linearity, sensitivity and all other physical characteristics of the nanofabricated sensors can be calculated. In chapter 4 a proposal for the non-invasive measurement of the resistances of a resistive Wheatstone bridge is described. This method is useful when measuring the resistances of the microfabricated magnetoresistive bridges used in the present thesis. Chapter 5 describes the static (DC) and thermal characterization of the sensors. Both current and thermoresistives. For that reason instrumentation is developed having special relevance the use of the climatic chamber allowed in the Department. This will bring repeatable and controlled temperature sweeps. In chapter 6 a dynamic characterisation and fractional modelling of the magnetoresistive current sensors is described. The study covers different magnetoresistive sensors and effects: anisotropic (AMR), giant (GMR), spin valve (GMR-SV) and tunnelling effect (TMR). For that an experimental setup has been designed which allow obtain in frequency the transfer function of the sensor Zt(jf) (transimpedance). With the experimental data a model of transimpedance for each sensor using fractional calculation is proposed. Chapter 7 shows an experimental study to know the behaviour of tunnel magnetoresistive effect-based current sensors in response to irradiation. In particular the sensitivity, hysteresis, output offset voltage and input resistance are discussed when the sensors are submitted to a total irradiation dose of 43 krad with 36krad/h dose rate. The same electrical parameters were studied subsequently once the irradiated sensors were submitted to an 80ºC anneling process. To carry out the study, the protocol described in the ESA ESCC basic specification no 22900 was followed in its main procedures. The studied TMR sensors will be applied in a switched-mode power converter for space application. Chapter 8 describes the design and implementation of a magnetoresistive wattmeters smart sensor network. The chapter explains the mathematical fundamentals of the measure method. It shows the necessary calculations to determinate the sampling frequency and other characteristics of the proposed system. Finally chapter 9is dedicated to show the general conclusions, future work proposals and the list of publications derived from the present thesis work

Fractional Modeling of the AC Large-Signal Frequency Response in Magnetoresistive Current Sensors

Fractional calculus is considered when derivatives and integrals of non-integer order are applied over a specific function. In the electrical and electronic domain, the transfer function dependence of a fractional filter not only by the filter order n, but additionally, of the fractional order α is an example of a great number of systems where its input-output behavior could be more exactly modeled by a fractional behavior. Following this aim, the present work shows the experimental ac large-signal frequency response of a family of electrical current sensors based in different spintronic conduction mechanisms. Using an ac characterization set-up the sensor transimpedance function  is obtained considering it as the relationship between sensor output voltage and input sensing current,[PLEASE CHECK FORMULA IN THE PDF]. The study has been extended to various magnetoresistance sensors based in different technologies like anisotropic magnetoresistance (AMR), giant magnetoresistance (GMR), spin-valve (GMR-SV) and tunnel magnetoresistance (TMR). The resulting modeling shows two predominant behaviors, the low-pass and the inverse low-pass with fractional index different from the classical integer response. The TMR technology with internal magnetization offers the best dynamic and sensitivity properties opening the way to develop actual industrial applications