الجيروسكوبات عناصر أساسية في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، من الهواتف الذكية إلى المركبات الفضائية. التكنولوجيا السائدة هي جيروسكوبات MEMS السعوية، حيث تتحول إزاحة نانومترية للكتلة الاختبارية إلى تغير في السعة. ومع ذلك، فإن مواصلة تصغير هذه الأجهزة تصطدم بالحاجة إلى تحكم دقيق في الفجوات السعوية، ومساحة كبيرة للكتلة الاختبارية، وتوصيلات بينية طفيلية. يقف هذا العمل على هامش الأبحاث المجاورة: في الأرشيف توجد أعمال حول مقاييس تسارع وجيروسكوبات سبينترونية، لكنها إما تستخدم MTJ كمستشعرات مجال مغناطيسي سلبية أو تتطلب عمليات تكنولوجية غير قياسية. يقترح هذا العمل استخدام MTJ كمقومات نشطة لإشارة التردد الراديوي (صمامات ثنائية عزم سبيني)، مما يسمح بتحويل الإزاحة مباشرة إلى جهد دون دوائر سعوية وسيطة.
بنى المؤلفون نموذجًا مغناطيسيًا ميكانيكيًا مقترنًا يجمع بين معادلات حركة رنان ميكانيكي ثنائي الدرجات وديناميكا مغنطة ثلاثة عناصر مغناطيسية: الكتلة الاختبارية واثنين من MTJ يعملان كصمامات ثنائية سبينية. استُخرجت معلمات النظام المغناطيسي من قياسات تجريبية لـ MTJ حقيقية: بنية Ta/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB بمقطع إهليلجي 300×750 نانومتر أظهرت ترددات رنين من 0.6 إلى 1.6 جيجاهرتز وحساسية جهد مستمر حوالي 20 ميكروفولت/ملي تسلا. قُدرت المعلمات الميكانيكية (كتلة 1 ميكروغرام، تردد رنين 250 كيلوهرتز، معامل الجودة 157) بناءً على رنانات MEMS نموذجية. يأخذ النموذج في الاعتبار التفاعل ثنائي القطب بين العناصر المغناطيسية وعزم نقل السبين من التيار الراديوي المحقون. للتحقق من العمل في الوضع الديناميكي، نُفذ مزيل تشكيل متجانس رقمي مع قفل طوري.
في الوضع الثابت، ينمو الجهد التفاضلي من MTJ خطيًا مع السرعة الزاوية Ωz، معطيًا حساسية KΩ = 0.001 ميكروفولت/(درجة/ثانية). بلغ تقدير الانجراف العشوائي الزاوي (ARW) 1800 درجة/√ساعة، وهو ما يتوافق مع فئة "rate-grade" (مستوى استهلاكي)، لكنه أسوأ بـ 4-5 مراتب من الفئة التكتيكية. للمقارنة، الحد الحراري (البراوني) لهذا الرنان يعطي ARW ≈ 0.04 درجة/√ساعة، أي أن الضوضاء الإلكترونية للقراءة هي المهيمنة. في السيناريو الديناميكي (عاصفة رياح، تعديل 40 كيلوهرتز) أتاح مزيل التشكيل المتجانس استعادة السرعة الزاوية بخطأ حوالي 0.05% (بحد أقصى 0.35% عند الحواف الحادة). في النسخة ذات المذبذب النانوي النشط بعزم السبين (STNO) بدلاً من الكتلة الاختبارية السلبية، زادت الحساسية 70 مرة لتصل إلى 0.065 ميكروفولت/(درجة/ثانية)، وانخفض ARW إلى 25 درجة/√ساعة، بينما انخفضت سعة الإثارة إلى 150 نانومتر، مما يفتح الطريق لتقليل الأبعاد ثلاث مرات.
يُظهر العمل أن القراءة السبينترونية القائمة على صمامات ثنائية عزم السبين يمكن أن تحل محل القراءة السعوية أو تكملها في جيروسكوبات MEMS، مما يزيل القيد الرئيسي للتصغير، وهو الحاجة إلى فجوات سعوية أقل من 100 نانومتر. على عكس الأعمال المجاورة حيث تُستخدم MTJ كمستشعرات مجال سلبية أو تتطلب عمليات غير قياسية، هنا تُطبق بنية جيروسكوب اهتزازي قياسية، وتعمل MTJ كمقومات نشطة، مما يبسط التكامل مع CMOS ويعزز المقاومة للإشعاع. تُظهر النتائج أن التصميم الحالي غير المحسّن بعيد عن الفئة التكتيكية، لكن طريق التحسين واضح: زيادة حساسية MTJ، وتدرج المجال، ومعامل جودة الرنان.
يمكن أن يتطور الموضوع نحو تحسين البنية المغناطيسية لـ MTJ لزيادة حساسية تأثير الصمام الثنائي لعزم السبين، وتقليل المسافة بين الكتلة الاختبارية وMTJ لزيادة تدرج المجال، وكذلك استخدام المزامنة بين STNO وMTJ لتضخيم الإشارة. من الواعد أيضًا دراسة خصائص الضوضاء، خاصة الضوضاء منخفضة التردد 1/f، والتحقق التجريبي على نماذج أولية مصنعة. من الممكن التكامل مع التعلم الآلي للاختيار التلقائي لمعلمات النظام متعدد الفيزياء.
قد تؤثر النتائج على تطوير مستشعرات قصور ذاتي مدمجة للملاحة والروبوتات والإلكترونيات الاستهلاكية وصناعة الطيران، خاصة حيث تكون المقاومة للإشعاع وصغر الحجم مهمين.
تشمل الخطوات التالية تصنيع وتوصيف تجريبي لنموذج أولي للجيروسكوب المغناطيسي الميكانيكي، وقياس الضوضاء والاستقرار طويل الأمد (تباين ألان)، وتحسين التصميم لزيادة الحساسية.
في مجال مستشعرات MEMS بالقصور الذاتي، تظل مشكلة مواصلة التصغير مع الحفاظ على الدقة دون حل: القراءة السعوية تتطلب فجوات دقيقة، مما يحد من قابلية التوسع. يقترح هذا العمل مسارًا بديلاً عبر السبينترونيك، لكنه لا يحل بعد مشكلة الضوضاء الإلكترونية التي تهيمن على الحد الحراري. الصلة بالمشاكل الأساسية للسبينترونيك: التحكم في المغنطة على مقياس النانو وتقليل ضوضاء 1/f في MTJ.
بلغت حساسية الصمام الثنائي لعزم السبين في التجربة حوالي 20 ميكروفولت/ملي تسلا، مما يسمح بتسجيل إزاحات الكتلة الاختبارية بكسور النانومتر. في النسخة السبينترونية الكاملة، تنخفض سعة الإثارة إلى 150 نانومتر، أي حوالي 500 مرة أنحف من شعرة الإنسان.