Smart electronic platform for interfacing with magneto-resistive sensor arrays

Fabian Näf

Key information

Authors:

Supervisors:

Susana Isabel Pinheiro Cardoso de Freitas (Susana Isabel Pinheiro Cardoso de Freitas); Gonçalo Nuno Gomes Tavares (Gonçalo Nuno Gomes Tavares)

Published in

November 21, 2025

Abstract

Os sensores são componentes fundamentais nos sistemas eletrónicos modernos, permitindo adquirir informação sobre os mais diversos parâmetros do sistema e em última análise a sua monitorização e controlo. Entre eles, os sensores de Magnetorresistência (MR) são amplamente utilizados em aplicações como deteção tátil robótica, localização, codificação de posição absoluta e biossensores. Para utilizar sensores MR de forma eficaz nestes contextos, são necessárias plataformas avançadas de aquisição de sinais. Embora os últimos anos tenham registado avanços no que respeita ao ruído de aquisição, velocidade de leitura e robustez às variações de fabrico do sensor, ainda subsistem vários desafios importantes. Esta investigação de doutoramento aborda três aspetos críticos: redução do ruído de aquisição através de métodos de aquisição AC na periferia, compensação de tolerâncias de fabrico do sensor, como os desvios e a variação de resistência em sensores em ponte, e a extensão destas técnicas a matrizes de sensores resistivos do tipo barra transversal. Foram desenvolvidas duas plataformas de aquisição para responder a estes desafios: uma para sensores em ponte de Wheatstone e outra para matrizes de sensores resistivos de barra transversal. A plataforma de matriz de sensores demonstrou um nível de ruído de apenas 0.82 Ω/ √ Hz para uma matriz resistiva de 180 kΩ, com suporte para matrizes até 256 elementos e uma taxa de aquisição superior a 8000 elementos por segundo ao empregar técnicas avançadas de Multiplexagem por Divisão de Frequência (FDM). Estas plataformas foram validadas em aplicações práticas. O sistema baseado em ponte permitiu a deteção de rugosidade superficial de alta resolução com um sensor tátil baseado em cílios magnéticos, distinguindo características até 4 µm. A plataforma de matriz de sensores atingiu uma sensibilidade de força de 0.08 N e uma resolução espacial de 0.26 mm em aplicações robóticas de tato espacialmente distribuídas. Além disso, a plataforma de matriz de sensores foi validada para biossensores utilizando um novo biochip magnético de 144 sítios, obteve aquisição isolada por sítio com diafonia inferior a 1 % e detetividade nos sub-micro Tesla (< 100 nT/ √ Hz), cumprindo os requisitos para sistemas de bioensaios magnéticos de concentração ultrabaixa. Estes resultados representam um progresso significativo rumo a plataformas de deteção magnética escaláveis e de alta resolução para aplicações robóticas e biomédicas. Sensors are fundamental components in modern electronic systems, acquiring fundamental system parameters and ultimately enabling its monitoring and control. Among them, Magnetoresistance (MR) sensors are widely used in applications such as robotic touch sensing, localization, absolute position encoding, and biosensing. To effectively deploy MR sensors in these contexts, advanced signal acquisition platforms are required. While recent years have seen improvements regarding acquisition noise, readout speed, and robustness to sensor fabrication variations, several key challenges remain. This PhD research addresses three critical aspects: reducing acquisition noise through AC acquisition methods at the edge, compensating for sensor fabrication tolerances such as offsets and resistance variation in bridge sensors, and extending these techniques to crossbar resistive sensor arrays. Two acquisition platforms were developed to meet these challenges: one for Wheatstone bridge sensors and another for crossbar resistive sensor arrays. The sensor array platform demonstrated a noise level of just 0.82 Ω/ √ Hz for a 180 kΩ resistive array, with support for arrays up to 256 elements and throughput exceeding 8000 element readout per second when employing advanced Frequency-Division Multiplexing (FDM) techniques. These platforms were validated in practical applications. The bridge-based system enabled high-resolution surface roughness detection in a magnetic cilia-based touch sensor, distinguishing features down to 4 µm. The sensor array platform achieved force sensitivity down to 0.08 N and spatial resolution of 0.26 mm in robotic spatially distributed touch applications. Furthermore, the sensor array platform was validated for biosensing using a novel 144-site magnetic biochip. It achieved site-isolated acquisition with crosstalk below 1 % and sub-micro Tesla (< 100 nT/ √ Hz) detectivity, meeting the requirements for ultra-low concentration magnetic bioassays. These results represent significant progress toward scalable, high-resolution magnetic sensing platforms for robotics and biomedical applications.