Los giróscopos son componentes clave de los sistemas de navegación inercial, desde teléfonos inteligentes hasta naves espaciales. La tecnología dominante son los giróscopos MEMS capacitivos, donde el desplazamiento nanométrico de la masa de prueba se convierte en un cambio de capacitancia. Sin embargo, la reducción adicional del tamaño de estos dispositivos choca con la necesidad de controlar con precisión las separaciones capacitivas, la gran área de la masa de prueba y las interconexiones parásitas. Este trabajo se sitúa en la periferia de las investigaciones vecinas: en el archivo hay trabajos sobre acelerómetros y giróscopos espintrónicos, pero o bien usan MTJ como sensores pasivos de campo magnético, o bien requieren procesos tecnológicos no estándar. Este trabajo propone utilizar MTJ como rectificadores activos de señales de radiofrecuencia (diodos de par de espín), lo que permite convertir directamente el desplazamiento en voltaje sin circuitos capacitivos intermedios.
Los autores construyeron un modelo magnetomecánico acoplado que combina las ecuaciones de movimiento de un resonador mecánico de dos grados de libertad y la dinámica de la magnetización de tres elementos magnéticos: la masa de prueba y dos MTJ que funcionan como diodos de espín. Los parámetros del sistema magnético se extrajeron de mediciones experimentales de MTJ reales: una estructura Ta/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB con sección elíptica de 300×750 nm mostró frecuencias de resonancia de 0,6 a 1,6 GHz y una sensibilidad de voltaje de CC de aproximadamente 20 μV/mT. Los parámetros mecánicos (masa de 1 μg, frecuencia de resonancia de 250 kHz, factor de calidad de 157) se estimaron basándose en resonadores MEMS típicos. El modelo tiene en cuenta la interacción dipolar entre los elementos magnéticos y el momento de transferencia de espín de la corriente de radiofrecuencia inyectada. Para verificar el funcionamiento en modo dinámico, se implementó un demodulador homodino digital con bloqueo de fase.
En régimen estacionario, el voltaje diferencial de las dos MTJ crece linealmente con la velocidad angular Ωz, dando una sensibilidad KΩ = 0,001 μV/(°/s). La estimación de la deriva angular aleatoria (ARW) fue de 1800 °/√h, lo que corresponde a la clase 'rate-grade' (nivel de consumo), pero entre 4 y 5 órdenes de magnitud peor que la clase táctica. Para comparar, el límite térmico (browniano) para este resonador da un ARW ≈ 0,04 °/√h, es decir, el ruido electrónico de lectura domina. En el escenario dinámico (ráfaga de viento, modulación de 40 kHz), la demodulación homodina permitió recuperar la velocidad angular con un error de aproximadamente el 0,05% (máximo 0,35% en los flancos abruptos). En la variante con un nanooscilador activo de par de espín (STNO) en lugar de la masa de prueba pasiva, la sensibilidad aumentó 70 veces hasta 0,065 μV/(°/s), y la ARW se redujo a 25 °/√h, mientras que la amplitud de excitación disminuyó a 150 nm, lo que abre el camino a una reducción del tamaño en un factor de tres.
El trabajo demuestra que la lectura espintrónica basada en diodos de par de espín puede reemplazar o complementar la lectura capacitiva en giróscopos MEMS, eliminando la principal limitación de escalado: la necesidad de separaciones capacitivas inferiores a 100 nm. A diferencia de los trabajos vecinos, donde las MTJ se usan como sensores pasivos de campo o requieren procesos no estándar, aquí se emplea la arquitectura estándar de giróscopo vibratorio, y las MTJ funcionan como rectificadores activos, lo que simplifica la integración con CMOS y mejora la resistencia a la radiación. Los resultados muestran que el diseño actual no optimizado está lejos de la clase táctica, pero el camino de mejora es claro: aumentar la sensibilidad de las MTJ, el gradiente de campo y el factor de calidad del resonador.
El tema puede desarrollarse hacia la optimización de la pila magnética de las MTJ para aumentar la sensibilidad del efecto de diodo de par de espín, reducir la distancia entre la masa de prueba y las MTJ para aumentar el gradiente de campo, y también utilizar la sincronización entre STNO y MTJ para amplificar la señal. También es prometedor investigar las características de ruido, especialmente el ruido 1/f de baja frecuencia, y la verificación experimental en prototipos fabricados. Es posible la integración con aprendizaje automático para la selección automática de parámetros del sistema multifísico.
Los resultados pueden influir en el desarrollo de sensores inerciales compactos para navegación, robótica, electrónica de consumo y la industria aeroespacial, especialmente donde son importantes la resistencia a la radiación y el tamaño reducido.
Los próximos pasos incluyen la fabricación y caracterización experimental de un prototipo de giróscopo magnetomecánico, la medición de ruidos y estabilidad a largo plazo (variante de Allan), así como la optimización del diseño para aumentar la sensibilidad.
En el campo de los sensores inerciales MEMS, sigue sin resolverse el problema de reducir aún más el tamaño manteniendo la precisión: la lectura capacitiva requiere separaciones precisas, lo que limita el escalado. Este trabajo propone una vía alternativa a través de la espintrónica, pero aún no resuelve el problema del ruido electrónico, que domina sobre el límite térmico. La conexión con los problemas fundamentales de la espintrónica: el control de la magnetización a nanoescala y la reducción del ruido 1/f en las MTJ.
La sensibilidad del diodo de par de espín en el experimento fue de aproximadamente 20 μV/mT, lo que permite detectar desplazamientos de la masa de prueba de fracciones de nanómetro. En la variante totalmente espintrónica, la amplitud de excitación se reduce a 150 nm, aproximadamente 500 veces más delgado que un cabello humano.