Non-invasive current sensing using innovative magnetoresistive sensors

This thesis work was carried out at PoliFAB, the micro and nanofabrication facility of Politecnico di Milano. It deals with non-invasive current sensing using innovative magnetoresistive sensors. A novel technique for linearising the output of anisotropic magnetoresisitve (AMR) sensors by integrating permanent micromagnets is analysed. The stray field of these micromagnets is harnessed to magnetize the AMR elements within the sensors, thereby eliminating the need for additional circuitry to restore their magnetic configuration after measurements and enhancing the sensors bandwidth. Extensive simulations are performed to validate this technique and optimize the geometrical parameters of the permanent micromagnets ensuring a linear output over a specified symmetrical magnetic field range. A preliminary device consisting of embedded permanent micromagnets and AMR elements strips is fabricated. Furthermore, current measurements are carried out using an experimental platform consisting of a commercial magnetometer and custom printed circuit boards (PCBs) to determine the optimal configuration of conductive tracks to prevent sensor saturation. The findings of this work provide a foundation for further analysis and pave the way for the development of high-frequency AMR current sensors.

Questo lavoro di tesi è stato svolto presso PoliFAB, la struttura di micro e nanofabbricazione del Politecnico di Milano e tratta il rilevamento non invasivo di corrente utilizzando sensori magnetoresistivi innovativi. È stata analizzata una nuova tecnica per linearizzare l'uscita dei sensori magnetoresistivi anisotropi (AMR) integrando micromagneti permanenti. Il campo di dispersione di questi micromagneti viene sfruttato per magnetizzare gli elementi AMR all'interno dei sensori, eliminando così la necessità di circuiti aggiuntivi per ripristinare la loro configurazione magnetica dopo le misurazioni e migliorando la larghezza di banda dei sensori. Sono state effettuate simulazioni approfondite per validare questa tecnica e ottimizzare i parametri geometrici dei micromagneti permanenti, assicurando un'uscita lineare su un determinato intervallo simmetrico di campo magnetico. È stato fabbricato un dispositivo preliminare composto da micromagneti permanenti incorporati e strisce di elementi AMR. Inoltre, sono state eseguite misurazioni di corrente utilizzando una piattaforma sperimentale costituita da un magnetometro commerciale e circuiti stampati (PCB) personalizzati per determinare la configurazione ottimale delle linee conduttive al fine di evitare la saturazione del sensore. I risultati di questo lavoro forniscono una base per ulteriori analisi e aprono la strada allo sviluppo di sensori di corrente AMR ad alta frequenza.