Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een nieuwe hybride magnetische sensor ontwikkeld die gevoeliger is dan de meeste commercieel beschikbare sensoren. Deze technologische doorbraak biedt kansen voor de ontwikkeling van kleinere en goedkopere sensoren voor verschillende gebieden zoals consumentenelektronica, informatie-en communicatietechnologie, biotechnologie en automobiel.

De uitvinding, onder leiding van universitair hoofddocent Yang Hyunsoo van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de faculteit Ingenieurswetenschappen van NUS, werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie september 2015.

Veelgevraagde magnetische sensoren met hoge prestaties

Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast op bepaalde materialen, een verandering in elektrische weerstand, ook wel magnetoweerstand genoemd, treedt op als de elektronen worden afgebogen. De ontdekking van magnetoweerstand maakte de weg vrij voor magnetische veldsensoren die worden gebruikt in harde schijven en andere apparaten, een revolutie teweegbrengen in de manier waarop gegevens worden opgeslagen en gelezen.

Op zoek naar een ideale magnetoweerstandssensor, onderzoekers hebben de eigenschappen van hoge gevoeligheid voor lage en hoge magnetische velden gewaardeerd, afstembaarheid, en zeer kleine weerstandsvariaties als gevolg van temperatuur.

De nieuwe hybride sensor ontwikkeld door het team onder leiding van Assoc Prof Yang, die ook verbonden is aan het NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) en het Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) aan de NUS Faculty of Science, kan eindelijk aan deze eisen voldoen. Andere leden van het interdisciplinaire onderzoeksteam zijn onder meer Dr. Kalon Gopinadhan van NUSNNI en CA2DM; Professor Thirumalai Venkatesan, directeur van NUSNNI; Professor Andre K. Geim van de Universiteit van Manchester; en professor Antonio H. Castro Neto van de NUS-afdeling Natuurkunde en directeur van CA2DM.

Meer dan 200 keer gevoeliger dan in de handel verkrijgbare sensoren

De nieuwe sensor, gemaakt van grafeen en boornitride, bestaat uit een paar lagen carrier-bewegende kanalen, die elk kunnen worden bestuurd door het magnetische veld. De onderzoekers karakteriseerden de nieuwe sensor door hem bij verschillende temperaturen te testen, hoeken van magnetisch veld, en met een ander koppelingsmateriaal.

Dr Kalon zei, "We begonnen met te proberen te begrijpen hoe grafeen reageert onder het magnetische veld. We ontdekten dat een dubbellaagse structuur van grafeen en boornitride een extreem grote respons vertoont met magnetische velden. Deze combinatie kan worden gebruikt voor magnetische velddetectietoepassingen."

In vergelijking met andere bestaande sensoren, die gewoonlijk zijn gemaakt van silicium en indiumantimonide, de hybride sensor van de groep vertoonde een veel hogere gevoeligheid voor magnetische velden. Vooral, gemeten bij 127 graden Celsius (de maximale temperatuur waarbij de meeste elektronische producten worden gebruikt), de onderzoekers zagen een toename in gevoeligheid van meer dan acht keer meer dan eerder gerapporteerde laboratoriumresultaten en meer dan 200 keer die van de meeste in de handel verkrijgbare sensoren.

Een andere doorbraak in dit onderzoek was de ontdekking dat de mobiliteit van de meerlagen van grafeen gedeeltelijk kan worden aangepast door de spanning over de sensor af te stemmen, waardoor de karakteristieken van de sensor kunnen worden geoptimaliseerd. Deze controle geeft het materiaal een voordeel ten opzichte van in de handel verkrijgbare sensoren. In aanvulling, de sensor vertoonde zeer weinig temperatuurafhankelijkheid over kamertemperatuur tot 127 graden Celsius, waardoor het een ideale sensor is die geschikt is voor omgevingen met hogere temperaturen.

Voldoen aan de vraag van de industrie

De industrie van magnetoweerstandssensoren, geschat op US$ 1,8 miljard in 2014, zal naar verwachting groeien tot US $ 2,9 miljard in het jaar 2020. Op grafeen gebaseerde magnetoweerstandsensoren zijn enorm veelbelovend ten opzichte van bestaande sensoren vanwege hun stabiele prestaties bij temperatuurvariaties, waardoor de noodzaak voor dure wafels of temperatuurcorrectieschakelingen wordt geëlimineerd. De productiekosten voor grafeen zijn ook veel lager dan die van silicium en indiumantimonide.

Mogelijke toepassingen voor de nieuwe sensor zijn onder meer de auto-industrie, waar sensoren in auto's, zich in apparaten zoals flowmeters, positiesensoren en vergrendelingen, zijn momenteel gemaakt van silicium- of indiumantimonide. Bijvoorbeeld, wanneer de temperatuur verandert door de airconditioning van de auto of warmte van de zon, Ook de eigenschappen van de conventionele sensoren in de auto veranderen. Om dit tegen te gaan, een temperatuurcorrectiemechanisme is vereist, extra productiekosten maken. Echter, met de nieuwe hybride sensor van het team, de noodzaak van dure wafers om de sensoren te vervaardigen, en extra circuits voor temperatuurcorrectie kunnen worden geëlimineerd.

"Onze sensor is perfect in staat om een ​​serieuze uitdaging te vormen in de magnetoweerstandsmarkt door de prestatielacunes van bestaande sensoren op te vullen, en het vinden van toepassingen als thermische schakelaars, harde schijven en magnetische veldsensoren. Onze technologie kan zelfs worden toegepast op flexibele toepassingen, " voegde Assoc Prof Yang toe.

Het onderzoeksteam heeft een patent aangevraagd op de uitvinding. Na deze proof-of-concept-studie, de onderzoekers zijn van plan hun studies op te schalen en wafels van industriële grootte te produceren voor industrieel gebruik.