A novel magnetoresistive tactile soft-sensor, inspired by biological cilia

27/01/2023

A sensação táctil é fulcral para a precisão da motricidade humana, e a implementação deste tipo de sensibilidade em robôs através do desenvolvimento de sensores tácteis é de elevada importância para que estas máquinas tenham sensações tácteis como as nossas. Os sensores de magnetoresistência por efeito de túnel (TMR) são bons candidatos a transdutores para este tipo de dispositivos, devido à sua elevada sensibilidade e potencial de miniaturização. Com o objectivo de produzir um sensor TMR altamente sensível que simultaneamente permita a deteção de campo magnético em várias direções, a otimização de junções TMR de alumina sem necessidade de recozimento térmico foi realizada, atingindo um rácio de TMR de 35%. Um die monolítico com sensibilidade 2D numa configuração em ponte de Wheatstone foi concebido e fabricado, tirando partido da dispensa de recozimento das junções TMR desenvolvidas. Adicionalmente, de modo a modularizar o sensor e corrigir algumas das suas não-idealidades, uma interface electrónica analógica foi desenvolvida, com a capacidade de ser facilmente integrada em plataformas robóticas. Foi concebido um sensor táctil inspirado na estrutura ciliar encontrada em certos seres biológicos, que consiste numa protuberância cilíndrica alongada fixa à superfície do sensor TMR 2D. Uma relação empírica foi encontrada para a resposta do sinal 2D em função da defleção e rotação do cílio. Diferentes configurações do sensor ciliar foram testadas relativamente à sua capacidade de detetar e resolver topografia em superfícies, sendo capaz de detetar estruturas com até 20 µm de altura. A implementação de um dispositivo com capacidade para medir a textura de superfícies poderá permitir a utilização de uma nova métrica da qualidade destes produtos, tanto em sistemas de apanha automática como em sistemas de controlo de qualidade na cadeia de abastecimento. Maçãs e morangos que apresentavam duas classes de qualidade (maduro ou podre) foram testados. A precisão da classificação, avaliada através de validação cruzada com 1 fruto, foi de 96% quando foram testadas maçãs classificadas com um classificador Bayes Gaussiano Ingénuo e 83% quando foram testadas morangos classificados com um algoritmo de Floresta Aleatória. Este desempenho está em linha com aquele que é observado em sistemas que utilizam aquisição de imagem, demonstrando o potencial deste sensor para o controlo de qualidade na agricultura. Tactile sensing is essential to the high dexterity observed in humans. The implementation of this kind of sensation in robots through the development of tactile sensors is of the utmost importance for these machines to have the ability to feel tactile sensations like humans. Tunnel magnetoresistance (TMR) sensors are good candidates as transducers for this type of devices given their highsensitivity and miniaturization potential. With the goal of producing a high-sensitivity TMR sensor that simultaneously enables the detection of magnetic fields in multiple sensitive directions, the optimization of thermal annealing-free AlOx 2D TMR junctions was performed, achieving with a TMR ratio of up to 35% in this work. A monolithic 2D sensitive die in a Wheatstone bridge configuration was designed and fabricated, taking advantage of the annealing-free properties of the TMR junctions developed. In addition, to modularize the sensor and correct some of its non-idealities, an electronic analog frontend was designed, capable of being easily integrated with robotic platforms. A tactile sensor inspired in the biological ciliary structure was built, consisting on a cylindrical elongated protuberance attached to the surface of the 2D TMR junctions. An empirical relation for the 2D signal response as a function of cilium deflection magnitude and angle was made, with calibrations achieving a resolution of 15.21 µm and 6.1◦ respectively. Different cilia configurations of this device were tested in their capability of detecting and resolving surface features. The best performing cilia configuration was found to be able to detect surface features down to 20 µm in height. The implementation of this device in an agri-robotic platform could provide a new metric of quality for automated fruit and vegetable pickers at the farming level, or increase quality control reliability within the supply chain. To this end, a fruit quality classification application was built and tested, by scanning the sensor over pieces of fruit and correlating texture data to its quality. Apples and strawberries were tested, and partitioned into two quality classes: ripe or rotten. Classification accuracy, assessed with a leave-one-out cross validation method, yielded an accuracy of 96% when testing apples with a Gaussian Naïve Bayes Classifier and 83% accuracy when testing strawberries using a Random Forest classification algorithm. This performance was in line with the results obtained with other tactile and optical assessment systems, demonstrating the potential of the sensing microsystem for agricultural quality control.

Autores da comunidade :

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  Pedro Manuel Quintela Ribeiro

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Dotoramento em Engenharia Física Tecnológica

physical-sciences - Física

Palavras-chave

• Magnetic tunnel junction
• monolithic integration
• bi-dimensional magnetoresistive sensors
• ciliary structure
• tactile sensing microsystem
• Junções de efeito de túnel magnéticas
• integração monolítica
• sensores magnetoresistivos bidimensionais
• estrutura ciliar
• microsistema de sensação táctil

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