Circuit and systems architectures and performance evaluation of AMR magnetometers

Abstract

Magnetic fields and their measurement are an important part of human technological evolution. Navigation in the seas and oceans for many years was based on the magnetic compass. MRIs (Magnetic resonance imaging), an essential tool for soft tissue imaging in medicine, rely on the different properties of each material when exposed to a magnetic field. For the above reasons it was considered appropriate to examine the possibility of a contribution to the field of magnetic measurements and magnetic sensors. As a contribution to the field of magnetic sensors, AMR (Anisotropic Magneto-Resistor) magnetic sensor technology was chosen for a number of reasons. The two main reasons for the above selection are firstly that AMR sensors are compact and secondly their manufacturing method is compatible with integrated circuit (IC) manufacturing technology. In addition, the AMR sensor is commercially available in a discrete form and is widely used. Despite the widespread use of the AMR sensor, it seems that so far, its behavior has not been studied in depth. In order to arrive at the choice of the AMR sensor, an extensive literature search was first carried out as well as a study of other sensor technologies used to measure the magnetic field. A large part of the literature review was devoted to magnetic sensor technologies. The remaining part of it refers to the physical phenomena that govern the behavior of the magnetic materials used in magnetic sensors. This PhD thesis delves into the behavior of the AMR type sensor. The AMR sensor used is the Honeywell HMC100x (HMC1001 and HMC1002). Various circuits and experimental devices were developed to study the behavior of the above sensor. The behavior of the HMC100x sensor in continuous magnetic fields was investigated and characterized. A mathematical and circuit model was developed for its behavior at high frequencies, due to the problems of closed-loop instability at high frequencies. This instability is due to the flat construction of the AMR sensor under study. In addition, the response time of the sensor to high frequency current pulses was examined. These pulses were used to repolarize the sensor. Then, based on the previous results of the study, a new measurement architecture was developed which aims to improve the response of the sensor in question. Finally, three circuits based on this new architecture were developed. These circuits experimentally confirmed the correct and efficient operation of the new architecture in the response of the sensor.

Τα μαγνητικά πεδία και η μέτρησή τους είναι ένα σημαντικό κομμάτι της ανθρώπινης εξέλιξης. Η πλοήγηση στις θάλασσες και στους ωκεανούς βασίστηκε για πολλά χρόνια στη μαγνητική πυξίδα. Από την άλλη οι μαγνητικοί τομογράφοι, ένα απαραίτητο εργαλείο για απεικόνιση των μαλακών ιστών στην ιατρική, βασίζονται στις διαφορετικές ιδιότητες του κάθε υλικού όταν αυτό εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο. Για τους πιο πάνω λόγους κρίθηκε σκόπιμο να εξεταστεί η δυνατότητα συνεισφοράς στον τομέα των μαγνητικών μετρήσεων και των μαγνητικών αισθητήρων. Στα πλαίσια συνεισφοράς στον τομέα μαγνητικών αισθητήρων επελέγη η τεχνολογία μαγνητικού αισθητήρα τύπου ανισοτροπικής μαγνητικής-αντίστασης AMR (Anisotropic Magneto-Resistor) για μια πληθώρα λόγων. Όμως οι δύο κύριοι λόγοι της πιο πάνω επιλογής είναι πρώτον το ότι οι αισθητήρες τύπου AMR έχουν συμπαγές μέγεθος και κατά δεύτερον ο τρόπος κατασκευής τους είναι συμβατός με την τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC). Επιπλέον, ο αισθητήρας τύπου AMR είναι διαθέσιμος σε διακριτή μορφή στο εμπόριο και χρησιμοποιείται ευρέως. Παρά την ευρεία χρήση του αισθητήρα τύπου AMR, φαίνεται ότι μέχρι στιγμής η συμπεριφορά του δεν είχε μελετηθεί εις βάθος. Για να καταλήξουμε στην επιλογή του αισθητήρα τύπου AMR έγινε πρώτα μια εκτενή βιβλιογραφική έρευνα καθώς και μελέτη άλλων τεχνολογιών αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου. Για τις τεχνολογίες μαγνητικών αισθητήρων αφιερώθηκε ένα μεγάλο μέρος της βιβλιογραφικής ανασκόπησης. Το υπόλοιπο μέρος της αναφέρεται στα φυσικά φαινόμενα που διέπουν τη συμπεριφορά των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται στους μαγνητικούς αισθητήρες.Η διδακτορική αυτή διατριβή εντρυφεί στη συμπεριφορά του αισθητήρα τύπου AMR. Ο αισθητήρας τύπου AMR που χρησιμοποιήθηκε είναι ο HMC100x (HMC1001 και HMC1002) της Honeywell. Για τη μελέτη της συμπεριφοράς του πιο πάνω αισθητήρα αναπτύχθηκαν διάφορα κυκλώματα και πειραματικές διατάξεις. Εξετάστηκε και χαρακτηρίστηκε η συμπεριφορά του αισθητήρα HMC100x σε συνεχόμενα μαγνητικά πεδία. Αναπτύχθηκε μαθηματικό και κυκλωματικό μοντέλο για τη συμπεριφορά του σε υψηλές συχνότητες, λόγω των προβλημάτων αστάθειας του κλειστού βρόχου σε υψηλές συχνότητες. Η αστάθεια αυτή οφείλεται στον τρόπο της επίπεδης κατασκευής του υπό μελέτη αισθητήρα AMR. Επιπλέον, εξετάσθηκε ο χρόνος απόκρισης του αισθητήρα σε παλμούς ρεύματος υψηλής συχνότητας. Οι παλμοί αυτοί χρησιμοποιούνταν για την επαναπόλωση του αισθητήρα. Στη συνέχεια, βασιζόμενοι στα προηγούμενα αποτελέσματα της μελέτης, αναπτύχθηκε μία νέα αρχιτεκτονική μέτρησης, η οποία έχει ως σκοπό τη βελτίωση της απόκρισης του εν λόγω αισθητήρα. Τέλος, αναπτύχθηκαν τρία κυκλώματα βασιζόμενα σε αυτήν τη νέα αρχιτεκτονική. Τα κυκλώματα αυτά επιβεβαίωσαν και πειραματικά τη σωστή και αποτελεσματική λειτουργία της νέας αρχιτεκτονικής στην απόκριση του αισθητήρα.