Fabricación, caracterización, modelado y propuesta de aplicabilidad de sensores magnetorresistivos de efecto túnel para medición de potencia y sensores de temperatura basados en Rutenio
- Autores: Sergio Ivan Ravelo Arias
- Directores de la Tesis: Diego Ramírez Muñoz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: A. Edith Navarro Antón (presid.), Jaime Sánchez Moreno (secret.), Roberto Muñoz Guerrero (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RODERIC
- Resumen
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.
