Forskere udviklede superfølsom magnetisk sensor

Forskere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet en ny hybrid magnetisk sensor, der er mere følsom end de fleste kommercielt tilgængelige sensorer. Dette teknologiske gennembrud byder på muligheder for udvikling af mindre og billigere sensorer til forskellige områder såsom forbrugerelektronik, Informations-og kommunikationsteknologi, bioteknologi og bilindustrien.

Opfindelsen, ledet af lektor Yang Hyunsoo fra Institut for Elektro- og Computerteknik ved NUS' Tekniske Fakultet, blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation i september 2015.

Højtydende magnetiske sensorer efterspurgt

Når et eksternt magnetfelt påføres visse materialer, en ændring i elektrisk modstand, også kendt som magnetoresistens, opstår, når elektronerne afbøjes. Opdagelsen af ​​magnetoresistens banede vejen for magnetfeltsensorer brugt i harddiske og andre enheder, revolutionerer, hvordan data lagres og læses.

I jagten på en ideel magnetomodstandssensor, forskere har værdsat egenskaberne ved høj følsomhed over for lave og høje magnetiske felter, indstillingsevne, og meget små modstandsvariationer på grund af temperatur.

Den nye hybridsensor udviklet af teamet ledet af Assoc Prof Yang, som også er hos NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) og Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) ved NUS Det Naturvidenskabelige Fakultet, kan endelig opfylde disse krav. Andre medlemmer af det tværfaglige forskerhold omfatter Dr. Kalon Gopinadhan fra NUSNNI og CA2DM; Professor Thirumalai Venkatesan, direktør for NUSNNI; professor Andre K. Geim fra University of Manchester; og professor Antonio H. Castro Neto fra NUS Institut for Fysik og direktør for CA2DM.

Mere end 200 gange mere følsomme end kommercielt tilgængelige sensorer

Den nye sensor, lavet af grafen og bornitrid, omfatter et par lag af bærer-bevægelige kanaler, som hver især kan styres af magnetfeltet. Forskerne karakteriserede den nye sensor ved at teste den ved forskellige temperaturer, magnetfeltvinkler, og med et andet parringsmateriale.

Dr Kalon sagde, "Vi startede med at forsøge at forstå, hvordan grafen reagerer under magnetfeltet. Vi fandt ud af, at en dobbeltlagsstruktur af grafen og bornitrid viser en ekstremt stor reaktion med magnetfelter. Denne kombination kan bruges til magnetfeltssensorapplikationer."

Sammenlignet med andre eksisterende sensorer, som almindeligvis er lavet af silicium og indiumantimonid, gruppens hybridsensor viste meget højere følsomhed over for magnetiske felter. I særdeleshed, målt ved 127 grader Celsius (den maksimale temperatur, som de fleste elektronikprodukter betjenes ved), forskerne observerede en følsomhedsforøgelse på mere end otte gange i forhold til tidligere rapporterede laboratorieresultater og mere end 200 gange større end de fleste kommercielt tilgængelige sensorer.

Et andet gennembrud i denne forskning var opdagelsen af, at mobiliteten af ​​grafen-multilagene delvist kan justeres ved at indstille spændingen over sensoren, gør det muligt at optimere sensorens egenskaber. Denne kontrol giver materialet en fordel i forhold til kommercielt tilgængelige sensorer. Ud over, sensoren viste meget lille temperaturafhængighed over rumtemperatur til 127 grader Celsius område, hvilket gør den til en ideel sensor velegnet til miljøer med højere temperaturer.

Imødekomme industriens efterspørgsel

Magnetomodstandssensorindustrien, anslået til at være USD 1,8 milliarder værd i 2014, forventes at vokse til 2,9 milliarder USD i år 2020. Grafen-baserede magnetomodstandssensorer lover enormt meget i forhold til eksisterende sensorer på grund af deres stabile ydeevne over temperaturvariationer, eliminerer behovet for dyre wafers eller temperaturkorrektionskredsløb. Produktionsomkostningerne for grafen er også meget lavere end silicium og indiumantimonid.

Potentielle anvendelser for den nye sensor omfatter bilindustrien, hvor sensorer i biler, placeret i enheder som flowmålere, positionssensorer og låse, er i øjeblikket lavet af silicium eller indiumantimonid. For eksempel, når der er en ændring i temperaturen på grund af bilens klimaanlæg eller varme fra solen, egenskaberne ved de konventionelle sensorer i bilen ændrer sig også. For at imødegå dette, en temperaturkorrektionsmekanisme er påkrævet, medføre yderligere produktionsomkostninger. Imidlertid, med holdets nye hybridsensor, behovet for dyre wafers til fremstilling af sensorerne, og yderligere temperaturkorrektionskredsløb kan elimineres.

"Vores sensor er perfekt klar til at udgøre en seriøs udfordring på markedet for magnetresistens ved at udfylde ydeevnehullerne for eksisterende sensorer, og finde applikationer som termiske afbrydere, harddiske og magnetfeltsensorer. Vores teknologi kan endda anvendes til fleksible applikationer, " tilføjede Associate Prof Yang.

Forskerholdet har indgivet patent på opfindelsen. Efter denne proof-of-concept undersøgelse, forskerne planlægger at opskalere deres undersøgelser og fremstille wafere i industristørrelse til industriel brug.