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

Resumen

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.