Design of AMR Sensor Array Systems via Micromagnetic Simulations for the Reconstruction of the 3D Motion of a Permanent Magnet

Abstract

Atualmente, os sensores táteis desempenham um papel crucial no reforço das capacidades de manipulação de robôs e de equipamento cirúrgico robótico. Sensores táteis existentes na literatura utilizam mecanismos de transdução como a piezoresistividade, a piezocapacitância ou fibras ópticas, que requerem processos de fabrico complexos para distinguir entre forças normais e de cisalhamento aplicadas no sensor. Nesta dissertação, é proposta uma nova abordagem à deteção táctil, utilizando ímanes permanentes e sensores magnéticos, o que permite reduzir o consumo de energia e a miniaturização do sensor, como um todo, através de técnicas de microfabricação. Em particular, é explorada a vantagem da utilização de sensores magnetoresistivos anisotrópicos de filme fino, que oferecem um processo de microfabricação mais simples, quando comparados com outros tipos de sensores. O design do sensor tem como objetivo diferenciar entre forças normais e de corte aplicadas ao íman permanente. Para tal, foram desenvolvidos diferentes modelos físicos e algoritmos que permitissem determinar a posição tridimensional do íman permanente através da medição da resistência dos sensores magnetoresistivos. Os modelos teóricos foram validados através de simulações micromagnéticas, ao deslocar o íman no espaço tridimensional. Os resultados demonstram que o sensor táctil desenvolvido tem habilidade para detectar movimentos do íman permanente de uma área de um milímetro quadrado e até alturas de quatro milímetros. No entanto, são necessárias melhorias na precisão. Esta conceção de sensor oferece a capacidade de distinguir entre forças de cisalhamento e normais sem o uso de magnetómetros de 3 eixos ou algoritmos complexos. Assim, os resultados deste trabalho abrem caminho para o desenvolvimento de sensores táteis magnéticos baseados em sensores anisotrópicos magnetoresistivos.

Tactile sensors play a crucial role in enhancing the manipulation capabilities of robots and robotic surgical equipment. Existing tactile sensors employ transduction mechanisms such as piezoresistivity, piezocapacitance or optical fibers, that require complex fabrication processes to distinguish between shear and normal forces applied to the sensor. In this work, we propose a novel approach to tactile sensing by using permanent magnets and magnetic sensors, which reduces energy consumption and enables miniaturization of the overall sensor through standard CMOS microfabrication techniques. In particular, we explore the advantages of employing planar anisotropic magnetoresistive sensor arrays, which offer a simpler microfabrication process when compared to other type of sensors. The proposed tactile sensor aims to differentiate between normal and shear forces applied to the permanent magnet. To achieve this, physical models and algorithms were developed to determine the three-dimensional position of the permanent magnet by measuring the resistance variation of the magnetoresistive sensors. The theoretical models are validated through micromagnetic simulations, for different test movements of the cube magnet. The results demonstrate that the developed magnetoresistive sensor arrays can track the motion of the permanent magnet for in-plane displacements within a 1 mm$^2$ area and for out-of-plane movements up to heights of 4 mm. Nonetheless, improvements in accuracy are required. This sensor design offers the ability to distinguish between shear and normal forces without the need for 3-axis magnetometer arrays or complex algorithms. The findings of this work pave the way for the development of magnetic tactile sensors with a straightforward microfabrication process, enabling enhanced sensing capabilities for robotic applications. The ability to discern between different force components opens up new possibilities for precise and intuitive robotic manipulation in a wide range of fields.