Diseño, fabricación, caracterización y estudio de aplicabilidad de un sensor de corriente eléctrica basado en tecnología válvula de espín y un detector de temperatura basado en Rutenio

El efecto magnetorresistivo (MR) es el cambio de resistencia eléctrica de un material conductor cuando éste es sometido a un campo magnético externo. Este fenómeno se conoce desde 1856 (Lord Kelvin) como efecto magnetorresistivo anisotrópico. Se trata, en general de un fenómeno de baja intensidad donde la variación de resistencia es del 3%. En los años 80, los sensores basados en el efecto AMR eran aplicados como cabezas lectoras en los sistemas de almacenamiento de datos. A mediados de esa misma década se desarrolló la tecnología capaz de fabricar capas nanométricas permitiendo el estudio y desarrollo de nuevos materiales. En 1988 dos grupos de investigación descubrieron materiales donde el efecto MR se manifestaba con mayor intensidad (25 %), hoy conocida como tecnología de efecto magnetorresistivo gigante (GMR), y en reconocimiento a su aportación Albert Fert y Peter Grünberg recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2007. Se trataba de estructuras multicapa, donde dos capas ferromagnéticas estaban separadas por una capa no ferromagnética. En pocos años se propusieron los primeros sensores con características de temperatura e intensidad de campo compatibles con aplicaciones industriales. En 1998 apareció el primer producto basado en sensores GMR, una cabeza lectora de discos duro. Hoy en día muchos científicos e ingenieros continúan trabajando en el estudio del efecto magnetorresistivo. Las nuevas líneas de investigación se centran en el efecto túnel (TMR). El descubrimiento del efecto GMR tuvo una gran repercusión en la tecnología de almacenamiento de datos. Sin embargo, existe una gran proliferación de trabajos donde se estudia la aplicabilidad de los sensores magnéticos GMR fuera de este ámbito. En este sentido, el presente trabajo ha pretendido ser una aportación; diseñando y fabricando un sensor de corriente basado en tecnología GMR utilizando las estructuras denominadas válvula de espín. En el desarrollo de la tesis se investiga el comportamiento del sensor para finalmente demostrar su posible aplicabilidad en otros escenarios de la industria como es la medida de corriente eléctrica. De forma paralela se investiga un detector de temperatura basado en Rutenio. Este es uno de los posibles materiales que componen las estructuras multicapa válvula de espín de tecnología GMR. Tras el diseño e integración del detector de temperatura junto al sensor de corriente en un mismo substrato, se investiga su comportamiento físico y eléctrico para finalmente aplicarlo en la medida de temperatura. En concreto se demuestra su idoneidad para la monitorización de la temperatura del sensor de corriente GMR. Este detector de temperatura es un elemento clave para la caracterización y mejora de prestaciones del sensor de corriente. Una vez caracterizado el comportamiento eléctrico del sensor de corriente (estática y dinámicamente), se realizan dos propuestas para mejorar sus prestaciones. La primera consiste en el diseño e implementación de un método de compensación de la deriva térmica de la sensibilidad del sensor. La otra propuesta consiste en el diseño e implementación de un método para extender la respuesta en frecuencia del sensor. En los últimos capítulos se proponen dos aplicaciones del sensor de corriente fabricado, caracterizado y mejorado, en particular: la medida de corriente en una aplicación industrial dentro del marco de la electrónica de potencia y en la implementación de una sonda amperométrica de laboratorio.The magnetoresistive effect (MR) is the change in electrical resistance of a conductor when it is under an external magnetic field. This phenomenon is known since 1856 (Lord Kelvin) as anisotropic magnetoresistive effect. Generally, it is a low intensity phenomenon where the resistance variation is around 3%. In the 80´s, the sensors based on AMR effect were applied as read heads in data storage systems. In that decade the technology to manufacture nanoscale layers was developed allowing the research of new materials. Two research groups discovered materials where the MR effect was manifested more strongly (25%), they were a multilayered structures where two ferromagnetic layers were isolated by a non-ferromagnetic layer, nowadays known as giant magnetoresistive effect technology (GMR). In consecuence Albert Fert and Peter Grünberg received the Nobel Prize Physics in 2007. The first sensors with temperature and field strength characteristics compatible with industrial applications were proposed few years later. The first product based on GMR sensors appeared in 1998, a read head hard disk. Today many scientists and engineers continue working on the magnetoresistive effect. The new research lines are focussed on tunnel MR effect (TMR). The discovery of the GMR effect had a significant impact on data storage technology. However, there is many works which examine the GMR sensors applicability in other areas. This thesis has tried to be a contribution, designing, manufacturing, characterizing and appliying a current sensor technology based on GMR structures known as spin valve. In the development of this thesis the sensor behavior is investigated and the potential applicability in other industry scenarios such as the measurement of electrical current is desmostrated. Besides, a temperature sensor based on Ruthenium is designed, manufactured, charaterizated and applied. Ruthenium is one of the possible materials that could compose a spin valve multilayer structure. Following the design and integration of the temperature sensor on the same current sensor´s substrate, its physical and electrical performance was characterized allowing its applications in temperature measurement. Specifically, it is demostrated the suatiblity for monitoring GMR current sensor temperature. This temperature sensor is a key element to achieve and improve the electrical current sensor. Once characterized the electrical current sensor behavior (static and dynamic), there are two proposals to improve its performance. The first is the design and implementation of a current sensor thermal drift compensation method. The other proposal is the design and implementation of a current sensor extending frequency response method. Finally, two current sensor applications are proposed in the last chapters: a current measurement in industrial power electronics and, a laboratory ammeter probe