Miniature magneto-oscillatory wireless sensor for magnetic field and gradient measurements

要約

磁気振動デバイスは、外科およびロボット用途向けに、非常に優れた精度と感知距離を備えた、非常に強力な無線小型位置追跡装置およびセンサーとして最近開発されました。
しかし、機械的に共振するサブミリメートル磁石が、サブ mHz から数 Hz の周波数シフトを引き起こし、センシング精度に影響を与える外部磁場または勾配とどの程度相互作用するかはまだ不明です。
ここでは、カンチレバーベースの磁気振動ワイヤレスセンサー (MOWS) でこの効果を実験的に調査し、磁気的および機械的相互作用に関する解析モデルを構築します。
ミリメートルスケールの MOWS は、少なくとも +/- 5 mT までのサブ uT 分解能で磁場を検出でき、同時に 65 uT/m から少なくとも +/- 50 mT/m までの分解能で磁場勾配を検出できます。
磁場感度により、機械的デバイスの特性を直接計算でき、回転によって磁場と勾配の個々の寄与を分析できます。
派生モデルは一般的であり、磁気環境と相互作用する他の磁気振動システムに適用できます。

要約(オリジナル)

Magneto-oscillatory devices have been recently developed as very potent wireless miniature position trackers and sensors with an exceptional accuracy and sensing distance for surgical and robotic applications. However, it is still unclear to which extend a mechanically resonating sub-millimeter magnet interacts with external magnetic fields or gradients, which induce frequency shifts of sub-mHz to several Hz and therefore affect the sensing accuracy. Here, we investigate this effect experimentally on a cantilever-based magneto-oscillatory wireless sensor (MOWS) and build an analytical model concerning magnetic and mechanical interactions. The millimeter-scale MOWS is capable to detect magnetic fields with sub-uT resolution to at least +/- 5 mT, and simultaneously detects magnetic field gradients with a resolution of 65 uT/m to at least +/- 50 mT/m. The magnetic field sensitivity allows direct calculation of mechanical device properties, and by rotation, individual contributions of the magnetic field and gradient can be analyzed. The derived model is general and can be applied to other magneto-oscillatory systems interacting with magnetic environments.

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