Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un nuevo sensor magnético híbrido que es más sensible que la mayoría de los sensores disponibles comercialmente. Este avance tecnológico brinda oportunidades para el desarrollo de sensores más pequeños y más baratos para diversos campos, como la electrónica de consumo, tecnología de la información y la comunicación, biotecnología y automoción.

La invención, dirigido por el profesor asociado Yang Hyunsoo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Ingeniería de NUS, fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza en septiembre de 2015.

Sensores magnéticos de alto rendimiento en demanda

Cuando se aplica un campo magnético externo a ciertos materiales, un cambio en la resistencia eléctrica, también conocido como magnetorresistencia, ocurre cuando los electrones se desvían. El descubrimiento de la magnetorresistencia allanó el camino para los sensores de campo magnético utilizados en unidades de disco duro y otros dispositivos. revolucionando la forma en que se almacenan y leen los datos.

En la búsqueda de un sensor de magnetorresistencia ideal, Los investigadores han apreciado las propiedades de alta sensibilidad a campos magnéticos altos y bajos, sintonía, y variaciones de resistencia muy pequeñas debido a la temperatura.

El nuevo sensor híbrido desarrollado por el equipo dirigido por Assoc Prof Yang, quien también está con el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de NUS (NUSNNI) y el Centro de Materiales 2D Avanzados (CA2DM) en la Facultad de Ciencias de NUS, puede finalmente cumplir con estos requisitos. Otros miembros del equipo de investigación interdisciplinario incluyen al Dr. Kalon Gopinadhan de NUSNNI y CA2DM; Profesor Thirumalai Venkatesan, Director de NUSNNI; El profesor Andre K. Geim de la Universidad de Manchester; y el profesor Antonio H. Castro Neto del Departamento de Física de la NUS y Director del CA2DM.

Más de 200 veces más sensible que los sensores disponibles comercialmente

El nuevo sensor, hecho de grafeno y nitruro de boro, comprende algunas capas de canales de movimiento de portadora, cada uno de los cuales puede ser controlado por el campo magnético. Los investigadores caracterizaron el nuevo sensor probándolo a varias temperaturas, ángulos de campo magnético, y con un material de maridaje diferente.

El Dr. Kalon dijo:"Empezamos tratando de entender cómo responde el grafeno bajo el campo magnético. Descubrimos que una estructura bicapa de grafeno y nitruro de boro muestra una respuesta extremadamente grande con campos magnéticos. Esta combinación se puede utilizar para aplicaciones de detección de campos magnéticos".

En comparación con otros sensores existentes, que comúnmente están hechos de silicio y antimonuro de indio, El sensor híbrido del grupo mostró una sensibilidad mucho mayor a los campos magnéticos. En particular, cuando se mide a 127 grados Celsius (la temperatura máxima a la que operan la mayoría de los productos electrónicos), los investigadores observaron una ganancia en la sensibilidad de más de ocho veces sobre los resultados de laboratorio reportados anteriormente y más de 200 veces la de la mayoría de los sensores disponibles comercialmente.

Otro avance en esta investigación fue el descubrimiento de que la movilidad de las multicapas de grafeno se puede ajustar parcialmente ajustando el voltaje a través del sensor. permitiendo optimizar las características del sensor. Este control le da al material una ventaja sobre los sensores disponibles comercialmente. Además, el sensor mostró muy poca dependencia de la temperatura con respecto a la temperatura ambiente en un rango de 127 grados Celsius, lo que lo convierte en un sensor ideal apto para entornos de mayor temperatura.

Satisfacer la demanda de la industria

La industria de los sensores de magnetorresistencia, estimado en US $ 1.8 mil millones en 2014, se espera que crezca a 2.900 millones de dólares para el año 2020. Los sensores de magnetorresistencia basados ​​en grafeno son muy prometedores sobre los sensores existentes debido a su rendimiento estable frente a la variación de temperatura. eliminando la necesidad de costosas obleas o circuitos de corrección de temperatura. El costo de producción del grafeno también es mucho más bajo que el del silicio y el antimonuro de indio.

Las aplicaciones potenciales para el nuevo sensor incluyen la industria automotriz, donde los sensores en los autos, ubicado en dispositivos como medidores de flujo, sensores de posición y enclavamientos, actualmente están hechos de silicio o antimonuro de indio. Por ejemplo, cuando hay un cambio de temperatura debido al aire acondicionado del automóvil o al calor del sol, Las propiedades de los sensores convencionales en el automóvil también cambian. Para contrarrestar esto, se requiere un mecanismo de corrección de temperatura, incurriendo en costos de producción adicionales. Sin embargo, con el nuevo sensor híbrido del equipo, la necesidad de costosas obleas para fabricar los sensores, y se pueden eliminar circuitos de corrección de temperatura adicionales.

"Nuestro sensor está perfectamente preparado para plantear un serio desafío en el mercado de la magnetorresistencia al llenar las brechas de rendimiento de los sensores existentes, y encontrar aplicaciones como interruptores térmicos, discos duros y sensores de campo magnético. Nuestra tecnología se puede aplicar incluso a aplicaciones flexibles, "añadió el profesor adjunto Yang.

El equipo de investigación ha presentado una patente para la invención. Siguiendo este estudio de prueba de concepto, los investigadores planean ampliar sus estudios y fabricar obleas del tamaño de una industria para uso industrial.