Forskare från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en ny hybrid magnetisk sensor som är känsligare än de flesta kommersiellt tillgängliga sensorer. Detta teknologiska genombrott hyllar möjligheter för utveckling av mindre och billigare sensorer för olika områden som konsumentelektronik, informations-och kommunikationsteknologi, bioteknik och fordon.

Uppfinningen, leds av docent Yang Hyunsoo vid institutionen för elektro- och datateknik vid NUS tekniska fakultet, publicerades i tidningen Naturkommunikation i september 2015.

Högpresterande magnetiska sensorer efterfrågas

När ett externt magnetfält appliceras på vissa material, en förändring i elektriskt motstånd, även känd som magnetoresistans, sker när elektronerna avböjs. Upptäckten av magnetoresistans banade väg för magnetfältssensorer som används i hårddiskar och andra enheter, revolutionerar hur data lagras och läses.

På jakt efter en idealisk magnetoresistanssensor, forskare har uppskattat egenskaperna hos hög känslighet för låga och höga magnetfält, inställbarhet, och mycket små motståndsvariationer på grund av temperatur.

Den nya hybridsensorn utvecklad av teamet som leds av Assoc Prof Yang, som också är med vid NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) och Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) vid NUS Naturvetenskapliga fakulteten, kan äntligen uppfylla dessa krav. Andra medlemmar i det tvärvetenskapliga forskargruppen inkluderar Dr Kalon Gopinadhan från NUSNNI och CA2DM; Professor Thirumalai Venkatesan, direktör för NUSNNI; Professor Andre K. Geim från University of Manchester; och professor Antonio H. Castro Neto vid NUS-avdelningen för fysik och chef för CA2DM.

Mer än 200 gånger känsligare än kommersiellt tillgängliga sensorer

Den nya sensorn, gjord av grafen och bornitrid, består av ett fåtal lager av bärarrörliga kanaler, var och en kan styras av magnetfältet. Forskarna karakteriserade den nya sensorn genom att testa den vid olika temperaturer, magnetfältsvinklar, och med ett annat parningsmaterial.

Dr Kalon sa, "Vi började med att försöka förstå hur grafen reagerar under magnetfältet. Vi fann att en dubbelskiktsstruktur av grafen och bornitrid visar en extremt stor respons med magnetfält. Denna kombination kan användas för magnetfältsavkänningstillämpningar."

Jämfört med andra befintliga sensorer, som vanligtvis är gjorda av kisel och indiumantimonid, gruppens hybridsensor visade mycket högre känslighet för magnetfält. Särskilt, mätt vid 127 grader Celsius (den högsta temperatur som de flesta elektronikprodukter drivs vid), forskarna observerade en ökning av känsligheten på mer än åtta gånger jämfört med tidigare rapporterade laboratorieresultat och mer än 200 gånger högre än de flesta kommersiellt tillgängliga sensorer.

Ett annat genombrott i denna forskning var upptäckten att rörligheten för grafenflerskikten delvis kan justeras genom att ställa in spänningen över sensorn, så att sensorns egenskaper kan optimeras. Denna kontroll ger materialet en fördel jämfört med kommersiellt tillgängliga sensorer. Dessutom, sensorn visade mycket lite temperaturberoende över rumstemperatur till intervallet 127 grader Celsius, vilket gör den till en idealisk sensor som lämpar sig för miljöer med högre temperatur.

Möter efterfrågan från industrin

Magnetresistanssensorindustrin, uppskattas till 1,8 miljarder dollar 2014, förväntas växa till 2,9 miljarder USD år 2020. Grafenbaserade magnetresistanssensorer lovar oerhört mycket jämfört med befintliga sensorer på grund av deras stabila prestanda över temperaturvariationer, eliminerar behovet av dyra wafers eller temperaturkorrigeringskretsar. Produktionskostnaden för grafen är också mycket lägre än kisel och indiumantimonid.

Potentiella applikationer för den nya sensorn inkluderar fordonsindustrin, där sensorer i bilar, placerad i enheter som flödesmätare, positionssensorer och förreglingar, är för närvarande gjorda av kisel eller indiumantimonid. Till exempel, när det sker en temperaturförändring på grund av bilens luftkonditionering eller värme från solen, egenskaperna hos de konventionella sensorerna i bilen förändras också. För att motverka detta, en temperaturkorrigeringsmekanism krävs, medför ytterligare produktionskostnader. Dock, med teamets nya hybridsensor, behovet av dyra skivor för att tillverka sensorerna, och ytterligare temperaturkorrigeringskretsar kan elimineras.

"Vår sensor är perfekt redo att utgöra en allvarlig utmaning på marknaden för magnetresistans genom att fylla prestandaluckor hos befintliga sensorer, och hitta applikationer som termiska omkopplare, hårddiskar och magnetfältssensorer. Vår teknik kan till och med tillämpas på flexibla applikationer, "tillade Assoc Prof Yang.

Forskargruppen har ansökt om patent på uppfinningen. Efter denna proof-of-concept-studie, forskarna planerar att skala upp sina studier och tillverka skivor i branschstorlek för industriellt bruk.