Sensores Magneto Resistivos - DEMAR - USP

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - USP
Sensores Magneto Resistivos
José Olimpio Rios Junior
Ramon de Góes Conti
Lorena
2009
Eletrônica e Instrumentação

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - USP
José Olimpio Rios Junior
Ramon de Góes Conti
Sensores Magneto Resistivos
Dissertação
Graduação
Escola de Engenharia de Lorena - USP
Eletrônica e Instrumentação
Carlos Y. Shigue
Lorena
2009
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Eletrônica e Instrumentação

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - USP
1. SUMÁRIO
2. RESUMO / ABSTRACT.............................................................................. 4
2.1. PORTUGUÊS .............................................................................................. 4
2.2. INGLÊS...................................................................................................... 4
3. INTRODUÇÃO............................................................................................ 5
4. DESENVOLVIMENTO............................................................................... 6
4.1. RESISTÊNCIA E MAGNETIZAÇÃO................................................................. 6
4.2. GIANT MAGNETOR RESISTANCE (GMR) ..................................................... 8
4.3. GMR TORNOU-SE REFERÊNCIA ................................................................ 10
4.4. A NOVA ELETRÔNICA - ELETRÔNICA SPIN ................................................ 11
4.5. MEMÓRIA UNIVERSAL............................................................................. 12
5. CONCLUSÃO ............................................................................................ 13
6. BIBLIOGRAFIA........................................................................................ 14
FIGURAS
FIGURA 1 - ESPALHAMENTO DOS ELÉTRONS ......................................................... 7
FIGURA 2 - ORIENTAÇÃO DOS ELÉTRONS DENTRO DE UM CONDUTOR
MAGNÉTICO;SPIN PARALELO A MAGNETIZAÇÃO EM VERMELHO(MAIORIA), E
MINORIA EM BRANCO EM SENTIDO ANTIPARALELO......................................... 8
FIGURA 3 - MESMA DIREÇÃO DE MAGNETIZAÇÃO PARA TODAS AS CAMADAS. ....... 9
FIGURA 4 - DIREÇÕES OPOSTAS PARA AS CAMADAS MAGNÉTICAS CONDUTORAS.. 10
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2. RESUMO / ABSTRACT
2.1. Português
Este presente trabalho tem por objetivo analisar efeitos de Sensores
Magneto Resistivos, com grande aplicação na área de armazenamento
de dados, abordado por cientistas Fert e Grünberg – ganhadores do
prêmio Nobel de Física de 2007.
2.2. Inglês
This present paper have to goal analyse effects of Magneto Resistive
Sensors with wide application in data storage, scientists approached by
Fert and Grünberg - winners of the Nobel Prize for Physics in 2007.
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3. INTRODUÇÃO
Os dias atuais com as grandes modificações, e tecnologias cada vez mais
aprofundadas, físicos e cientistas das mais variadas formas, discutem formas de
melhorar a qualidade de vida das pessoas, seja essa melhoria com bens de uso
próprio, até tecnologias voltadas para uso profissional, diante deste fato,
tecnologias com alto valor agregado tem ganhado grande impulso, tais
tecnologias como de software, computação gráfica, sensores de computadores e
inseridos nesse campo, estão os sensores magnetos resistivos.
Estudos sobre fenômenos magnéticos advêm desde o século 19, contudo
nas três ultimas décadas do século 20 teve um grande impulso, qual seja, o
armazenamento de informações em computadores, que é feita em diferentes
áreas de magnetização no hard disk (HD), as informações são gravadas através
de binários (1 e 0), certas direções de magnetização correspondem ao binário
zero e outras correspondem ao binário 1. Para acessar a informação, o leitor
escaneia o HD e registra os diferentes campos magnéticos. Este ficando menor
torna a área magnética menor também, com isso o campo magnético de cada
byte se torna fraco e mais difícil de ser lido, isto requer um melhor leitor, neste
contexto pesquisas de Fert e Grünberg revolucionaram o modo de
armazenamento de dados, conferindo a eles o prêmio Nobel, através da
descoberta do Giant Magneto Resistance (GMR), trazendo maior facilidade e
comodidade as pessoas.
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4. DESENVOLVIMENTO
Os sensores magneto resistivos comuns são fabricados depositando-se uma
fina camada de liga metálica numa base isolante. Quando um campo magnético
atua sobre esse material, os domínios magnéticos mudam de posição fazendo
com que a resistência elétrica mude de valor.
A mudança é muito pequena da ordem de 2% a 3%, mas o suficiente para
poder ser detectada por um circuito eletrônico apropriado. O fenômeno físico
que explica o funcionamento desses sensores está nas propriedades dos metais
que tem uma orientação de sua magnetização dependente dos elétrons de suas
ultimas camadas.
Estes sensores magneto resistivos foram precursores dos Giant Magneto-
Resistence.
Com a necessidade de tecnologias mais sensíveis, o (GMR) ganhou espaço, por
trabalhar em escala nanométrica. Utiliza-se a nanotecnologia para produção de
finas camadas de metal, essas nanocamadas interferem no material, dando novas
propriedades ao material, essas camadas não afetam somente as propriedades
magnéticas e de condutividade elétrica, mas também as propriedades mecânicas,
químicas e ópticas do material.
4.1. Resistência e magnetização
Num condutor metálico, a eletricidade é transportada por meio do
movimento livre dos elétrons no material, a corrente é conduzida porque os
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elétrons caminham numa direção específica, quanto maior este direcionamento,
melhor a condutância do material, o caminho livre dos elétrons é impedido
quando há impurezas e irregularidades, fazendo com que aumente a resistência
elétrica, por impedir que elétrons sigam seu caminho normal, portanto quanto
maior o espalhamento, maior a resistência elétrica do material.
Figura 1 - Espalhamento dos elétrons
No material magnético o espalhamento dos elétrons é influenciado pela
direção de magnetização. Quando há uma grande ligação entre magnetização e
resistência surge então o giant magnetor resistance por causa da rotação
intrínseca do elétron induzida pelo momento magnético, a propriedade mecânica
quântica chamada spin, que é direcionada em uma ou duas direções opostas. Em
materiais magnéticos, a maioria dos spins aponta na mesma direção(em
paralelo). Um pequeno número de spins, entretanto, sempre apontam na direção
oposta, antiparalela da magnetização total. Este desequilíbrio aumenta, não
somente com a magnetização, mas também que elétrons com diferentes spins são
espalhados em menor ou maior grau, contra as irregularidades e impurezas, e
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principalmente entre interfaces dos materiais, as propriedades do material vão
determinar qual tipo spin será mais espalhado.
Figura 2 - Orientação dos elétrons dentro de um condutor magnético;spin paralelo a magnetização em
vermelho(maioria), e minoria em branco em sentido antiparalelo.
4.2. Giant magnetor resistance (GMR)
Um exemplo simples do tipo de sistema onde o Giant Magneto resistor pode
surgir é descrito: este consiste em uma camada de metal não magnético entre
duas camadas de metal magnético. Dentro do material magnético, e
especialmente na interface entre material magnético e não magnético, os elétrons
com diferentes spins são espalhados. Consideremos o caso onde os elétrons são
mais espalhados se o spin for antiparalelo à direção de magnetização. Isto
implica que a resistência vai ser maior para estes elétrons que para os outros que
tem spin paralelo à direção de magnetização. Quando os elétrons estão próximos
à um material não magnético, são todos espalhados independente da direção do
spin, para a segunda interface e dentro da ultima camada do material magnético,
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elétrons com spin antiparalelo serão novamente mais espalhados que os elétrons
com spin paralelos.
No caso onde ambas camadas magnéticas são magnetizadas na mesma
direção, a maioria dos elétrons terão spin paralelo e se moverão facilmente
através da estrutura. A resistência total vai abaixar devido a isto (caso A na
figura abaixo). Entretanto, se a magnetização das duas camadas forem opostas,
todos elétrons estarão em um estado de spin antiparalelo em uma das duas
camadas. Isto significa que nenhum elétron conseguirá se mover através do
sistema, e a resistência total será alta (caso B na figura abaixo). Agora, imagine
o uso desta estrutura em leitor de hard disk (HD): a magnetização da camada um
é presa, enquanto a magnetização da camada três é livre para movimentar-se e
pode ser influenciado na variação do campo magnético no hard disk. A
magnetização das duas camadas magnéticas no leitor irá então ser
alternadamente paralelas e antiparalelas. Isto vai levar a variação da resistência e
da corrente através do leitor. Se a corrente é o sinal deixado no leitor, corrente
alta significa binário um e corrente baixa binária zero.
Figura 3 - Mesma direção de magnetização para todas as camadas.
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Figura 4 - Direções opostas para as camadas magnéticas condutoras.
4.3. GMR tornou-se referência
Em meados dos anos 80 cientistas da área de magnetismo, perceberam
novas possibilidades oferecidas por camadas nanométrica. Albert Fert e seus
colaboradores criaram uma intercalação entre camadas de ferro-cromo-ferro,
compostas de pouca quantidade de átomos cada, para ocorrência do evento
foram forçados a trabalhar perto do vácuo e de usar baixas pressões de gases. E
nesta configuração, os átomos irão gradualmente se anexando na superfície
formando assim uma camada nanométrica. De maneira similar o grupo de Peter
Grünberg forma um sistema simples composto por somente duas ou 3 camadas
de ferro e crômio, fazendo uma intercalação de camadas. Por ter usado diferentes
combinações de camadas, Fert registrou uma maior resistência magnética que
Grünberg. O grupo francês viu a dependência da magnetização mudando a
resistência para mais de 50%, enquanto o grupo alemão viu somente uma
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diferença de apenas 10% de diferença na resistência. O efeito básico e a física
por trás disso de certa forma são idênticos nos dois casos. Ambos os grupos
notaram que haviam observado um fenômeno totalmente novo. Com a
resistência magnética tradicional ninguém tinha registrado mais do que 1% de
mudança na resistência. Albert Fert foi um dos que estabeleceram um novo
conceito de Giant Magneto Resistance para descrever o novo efeito, e na sua
primeira publicação ele apontou formas dela ser aplicada. Peter Grünberg
também notou o potencial prático do fenômeno e patenteou ao mesmo tempo em
que escrevia sua publicação.
Para essa nova tecnologia ser comercializada, entretanto foi necessário
um processo industrial para criação das camadas. O método usado por ambos
(conhecido como epitaxy), foi trabalhoso e custoso, melhor adaptação para
pesquisas de laboratório do que para processos em larga escala. Por causa disto,
foi um importante passo quando Stuart Parkin, trabalhando nos EUA,
demonstrou que era possível alcançar o mesmo efeito usando uma tecnologia
bem mais simples chamada (sputtering). O efeito GMR atualmente não depende
de camadas perfeitas. Isto significa que sistemas GMR podem agora ser
produzido em uma escala industrial. O processo industrial combinado com a boa
sensibilidade do leitor resultou em uma nova tecnologia tornando-se referência
nos discos rígidos tão logo o primeiro leitor comercial produzido em 1997.
4.4. A Nova eletrônica - Eletrônica spin
GMR significa não somente uma inovação no armazenamento de
informações do disco rígido (e para sensores magnéticos e outras aplicações). É
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bastante interessante que está tecnologia pode ser considerada como um primeiro
passo no desenvolvimento de um tipo de eletrônica completamente nova
chamada de eletrônica do spin (spintronics). O pré-requisito geral do spintronics
é devido à pequena dimensão criada pela nanotecnologia. A direção do
spintronics só pode ser mantida por pequenas distâncias; a fina camada na
direção do spin vai mudar antes que aja tempo para mudança do uso separado
das propriedades dos elétrons com diferente spin (como alta e baixa resistência).
No surgimento do GMR um sistema similar foi construído usando um
isolante elétrico, ao invés de um metal não magnético, intercalado entre duas
camadas de metal magnético. A corrente elétrica não deveria passar através da
camada isolante, mais se esta for fina o bastante, os elétrons passarão, usando o
efeito quântico chamado tunelamento.
Entretanto, este novo sistema é chamado TMR (tunnelling
magnetoresistance). Com o TMR, até mesmo a grande diferença na resistência
pode ser criado por um pequeno campo magnético, e as novas gerações de
leitores já usam está nova tecnologia.
4.5. Memória Universal
Ainda há uma outra aplicação para spintronics , que já começou a surgir, é
uma memória de trabalho magnético chamada MRAM. Para suprir o disco
rígido, onde a informação é armazenada permanentemente, os computadores
precisam de uma rápida memória de trabalho. Esta é usualmente chamada de
RAM, Random Acess Memory. Na memória RAM o computador armazena
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toda a informação que ele precisa para conseguir processar informação enquanto
ele funciona. Mas a desvantagem desta memória usada hoje é que ela é incapaz
de armazenar qualquer informação permanentemente se esta não for salva.
Como este texto está sendo escrito somente na memória RAM do computador,
se alguém desligar o computador sem salvar o texto será perdido.
O ponto da MRAM é que é possível usar TMR tanto para leitura como
para escrever informação e, portanto criar uma memória magnética no
computador que é rápida e facilmente acessível. MRAM pode, entretanto ser
usada como memória, em oposição à lentidão do disco rígido, mais também
pode ser usado como memória permanente, que não depende da força elétrica.
Isto significa que MRAM poderá se desenvolver conjunto a memória universal
que pode substituir ambas, a RAM tradicional e o disco rígido. A compactação
deste sistema pode ser particularmente usado em pequenos encaixes de sistemas
de computadores, em praticamente todos equipamentos de cozinha até
automóveis.
5. CONCLUSÃO
A descoberta do efeito GMR abriu portas, para todo um novo campo de
tecnologias, spintronics, onde ambos troca de elétrons e spin são utilizados. O
surgimento da nanotecnologia foi pré-requisito para descoberta do GMR: agora
spintronics estão se voltando na direção da força, além do desenvolvimento
rápido da nanotecnologia. Está área de pesquisa é um exemplo raro de como a
ciência fundamental e novas tecnologias conectadas se complementam.
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6. BIBLIOGRAFIA
1- “Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices” by
M.N. Baibich et al., Physical Review Letters
Vol. 61, No. 21 (1988). (Albert Fert’s original article).
2-“Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with
antiferromagnetic interlayer exchange”
by G. Binasch et al., Physical Review B, Vol. 39, No. 7 (1989). (Peter
Grünberg’s original article).
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