Made available in DSpace on 2014-06-12T15:49:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5263_1.pdf: 10272836 bytes, checksum: 6b376d934755a2dba22f7fba5ee09e14 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Foi descoberto um sistema mel-spinning para produção de fitas metálicas. O sistema consiste essencialmente de um forno de radio-freqüência, operando com 8kVA de potência e em 450 kHz, o qual é utilizado para fundir a liga precursora e um volante de cobre usado para resfriamento da liga fundida...

Orientadores: Marcelo Knobel, Kleber Roberto Pirota / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T10:38:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ValenzuelaAcuna_LeninaAlejandra_D.pdf: 6580739 bytes, checksum: f221d85ff3a59859f824164188637f28 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: No nosso trabalho utilizamos o fenômeno da magnetoimpedância gigante (GMI) como uma ferramenta de pesquisa na caracterização de ferromagnetos amorfos. Estes materiais são muito moles do ponto de vista magnético, o que pode servir para diversas aplicações, tais como na construção de sensores e de dispositivos de alta frequencia. Na primeira parte da tese veremos como a GMI se torna uma técnica complementar na caracterização da cristalização em materiais amorfos. Na segunda parte da tese estudamos uma fita que apresenta histerese na GMI, de modo inédito utiliza-se o método de First Order Reversal Curves (FORC), em medidas da impedância. Os resultados apresentam um comportamento complexo, para os quais estamos propondo uma interpretação particular. Os materiais que mostram este comportamento podem ser úteis nas aplicações de, por exemplo, armazenamento de informação. Inicialmente, realizamos tratamento térmico convencional e por aquecimento Joule em fitas amorfas de composição Fe86Zr7Cu1B6 fabricadas pelo método melt spinning. Quando tratadas termicamente ocorre a cristalização de partículas a-Fe, e no geral o tamanho das partículas aumenta com o aumento da magnitude do tratamento (temperatura ou corrente). Nas medidas de magnetização vemos geralmente que a coercividade apresenta baixos valores e há um endurecimento nas amostras onde se observou um aumento no tamanho dos grãos no início da cristalização. Por outro lado, a fração cristalina nas amostras tem uma tendência ao aumento com o tratamento térmico, que se reflete nas medidas de raios X e da magnetização de saturação Ms. Vimos também que as medidas de GMI em função da frequência, apresentam resultados atípicos: diferente da relação com a raiz quadrada da frequência, a GMI máxima apresenta curvas que indicam uma diminuição da resposta GMI para frequências altas. Isto foi interpretado como sendo devido à não-homogeneidade da formação dos cristais no volume das amostras. Consideramos a relação inversa do coeficiente de penetração dm com a frequência. Vemos que com o aumento da frequência diminui a região onde circula a corrente ac a qual está mais próxima à superfície, onde há partículas maiores o que deixa o material magneticamente mais duro. Na segunda parte do trabalho apresentamos uma aplicação inovadora da união da técnica de caracterização FORC com medidas de GMI. Utilizamos fitas amorfas, de composição (FexCo1-x)70Si12B18 (x = 0,045; 0,048; 0,049; 0,050) que foram fabricadas pelo método melt spinning. Nestas induziu-se anisotropia transversal por meio de tratamentos térmicos junto à aplicação de tensão. A resposta GMI apresentou um comportamento histerético, o eu nos levou a querer usar a técnica FORC para entender a causa deste. A forma de interpretação das curvas e diagramas FORC apresentou um novo desafio. Sabemos que a variação da impedância é ocasionada pela variação da permeabilidade transversal na amostra. Foi proposta a hipótese de que o processo histerético se deve a uma transformação no tipo de paredes de domínio com o campo, de modo que cada tipo de parede tem uma µt associada. Observou-se também a dependência da distribuição FORC com a frequência, anisotropia, e relativa à componente da impedância (parte real ou imaginária) / Abstract: In this work, we used the giant magnetoimpedance (GMI) effect as a research tool to characterize ferromagnetic amorphous materials. These materials have ultra-soft magnetic features, which can be useful for various applications, e.g. sensors and high frequency devices. In the first part, we will see how GMI becomes a complementary technique to characterize the crystallization in amorphous materials. In the second place, we studied a ribbon that shows hysteresis in the GMI response. The First Order Reversal Curves (FORC) method was applied in impedance measurements as a novel technique. We are proposing a particular interpretation for the complex obtained results. The applications of these materials with hysteretic behavior can be useful to magnetic recording, for example. In the first part of the work, we induced the crystallizations of a-Fe particles in amorphous ribbons of composition Fe86Zr7Cu1B6 manufactured by melt spinning method, by thermal treatment (conventional and Joule heating). In general, the size of particles increases with the temperature or current of treatment. In magnetization measurements the coercivity has usually low values. There is a hardening in samples with bigger size grains, at the beginning of crystallization. On the other hand, the crystalline fraction in the samples has a tendency to increase with thermal treatment, which is reflected in measurements of X-rays and the saturation magnetization Ms. We have also seen that the GMI measurements as a function of frequency show rather atypical results: the maximum GMI as a function of frequency shows a decrease in the GMI response to high frequencies, that differ from the relationship with the square root of frequency. This was interpreted as being due to non-homogeneity of the formation of crystals in the volume of samples. If we consider the inverse relationship of penetration coefficient with frequency dm, we can see that with the increase of frequency decreases the region where the ac current flows, which, in turn, is closer to the surface. In this region there are larger particles, making the material magnetically harder. In the second part of the work, we present an innovative application of the junction of characterization technique FORC with measurements of GMI. We use amorphous ribbons of composition (FexCo1-x)70Si12B18 (x = 0,045; 0,048; 0,049; 0,050)produced by melt spinning. A transverse anisotropy was induced by thermal treatments with the application of stress. We applied the FORC technique in order to help to understand the hysteretic behavior in the GMI response. The interpretation of the GMI curves and FORC diagrams is a new challenge. We know that the variation of impedance is caused by the change of transverse permeability sample µ t. We proposed the hypothesis that the hysteretic process is due to a change in the type of domain walls with the field, so that each type of wall has an associated µt. We also observed the dependence of the FORC distribution with frequency, anisotropy, and with the components of the impedance (real or imaginary part) / Doutorado / Doutora em Ciências

[pt] Esta dissertação apresenta um projeto de sistema portátil de localização de corpos estranhos metálicos não ferromagnéticos por meio de mapeamento magnético. O sistema baseia-se na indução de correntes parasitas no corpo estranho por um estágio de excitação e na medição por um magnetômetro GMI comercial de elevada resolução (25 pT). A topologia do instrumento é baseada no desacoplamento dos estágios de excitação e medição, com uma configuração que produz linhas de campo magnético primário elevadas na região do corpo estranho e tênues na região do sensor. Esta característica supera as limitações de um instrumento previamente desenvolvido, permitindo aumentar o campo magnético primário de excitação sem saturar o magnetômetro. O projeto é baseado em simulações computacionais, considerando dois tipos de excitação e duas orientações para o eixo de sensibilidade do magnetômetro. Diretrizes internacionais para os limites de exposição à radiação não-ionizante, aspectos biometrológicos, construtivos e elétricos também foram levados em consideração no projeto. A análise de desempenho das configurações mais promissoras confirmou a viabilidade do instrumento de medição proposto, otimizando a operação linear do magnetômetro durante o procedimento de medição e contribuindo para a futura construção de um protótipo de sistema de medição completo, com características de desempenho e segurança asseguradas para a aplicação biomédica pretendida. / [en] This dissertation presents a portable system for the localization of nonferromagnetic foreign metal bodies by magnetic mapping. The system is based on the induction of eddy currents in the foreign body by an excitation stage and the measurement by a high resolution commercial GMI magnetometer (25 pT). The instrument topology is based on the decoupling of the stages of excitation and measurement, with a configuration that produces a high primary magnetic field in the foreign body region and a weak one in the sensor region. This feature surpasses the limitations of a previously developed instrument, allowing to increase the primary excitation magnetic field without saturating the magnetometer. The project is based on computational simulations, considering two types of excitation and two orientations for the magnetometer sensitivity axis. International guidelines for exposure limits to non-ionizing radiation, biometrological, constructive and electrical aspects were also taken into consideration in the project. The performance analysis of the most promising settings confirmed the viability of the proposed measurement instrument, optimizing the linear operation of the magnetometer during the measurement procedure and contributing to the future construction of a complete measurement system prototype, with performance and safety characteristics ensured for the intended biomedical application.

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La Magneto-Impédance Géante (GMI) consiste en une forte variation de l’impédance d’un matériau ferromagnétique doux parcouru par un courant d’excitation alternatif haute fréquence lorsqu’il est soumis à un champ magnétique extérieur. Ce travail de thèse introduit de nouvelles techniques numériques et les pistes d’optimisation associées pour les capteurs GMI à haute sensibilité. L'originalité réside dans l'intégration d'un synthétiseur de fréquence et d'un récepteur entièrement numérique pilotés par un processeur de traitement de signal. Ce choix instrumental se justifie par le souhait de réduire le bruit de l’électronique de conditionnement qui limite le niveau de bruit équivalent en champ. Ce dernier caractérise le plus petit champ mesurable par le capteur. Le système de conditionnement conçu est associé à la configuration magnétique off-diagonal pour accroître la sensibilité intrinsèque de l’élément sensible. Cette configuration magnétique consiste en l’utilisation d’une bobine de détection autour du matériau ferromagnétique. Cette association permet en outre d’obtenir une caractéristique impaire de la réponse du capteur autour du champ nul, et par conséquent de pouvoir mettre en œuvre et d’utiliser le capteur sans avoir recours à une polarisation magnétique. Ce choix permet ainsi d’éliminer, ou au moins de minimiser les problématiques liées aux offsets des dispositifs GMI, tout en validant l’intérêt de cette configuration magnétique, notamment sur le choix du point de fonctionnement. Une modélisation des performances en bruit de toute la chaîne de mesure, incluant le système de conditionnement numérique, est réalisée. Une comparaison entre les niveaux de bruit équivalent en champ attendus par le modèle et mesurés est effectuée. Les résultats obtenus ont permis de dégager des lois générales d’optimisation des performances pour un capteur GMI numérique. Partant de ces pistes d’optimisation, un prototype de capteur complet et optimisé a été implémenté sur FPGA. Ce capteur affiche un niveau de bruit équivalent en champ de l’ordre de 1 pT/√Hz en zone de bruit blanc. En outre, ce travail permet de valider l’intérêt des techniques numériques dans la réalisation de dispositifs de mesure à haute sensibilité. / The Giant Magneto-Impedance (GMI) is a large change of the impedance of some soft ferromagnetic materials, supplied by an alternating high-frequency excitation current, when they are submitted to an external magnetic field. This thesis presents the design and performance of an original digital architecture for high-sensitivity GMI sensors. The core of the design is a Digital Signal Processor (DSP) which controls two other key elements: a Direct Digital Synthesizer (DDS) and a Software Defined Radio (SDR) or digital receiver. The choice of these digital concepts is justified by the will to reduce the conditioning electronics noise that limits the equivalent magnetic noise level. The latter characterizes the smallest measurable field by the sensor. The developed conditioning system is associated with the off-diagonal magnetic configuration in order to increase the intrinsic sensitivity of the sensitive element. This magnetic configuration consists of the use of an additional a pick-up coil wound around the ferromagnetic material. This association also makes it possible to obtain an asymmetrical characteristic (odd function) of the sensor response near the zero-field point and to consequently allow for sensor implementation and use without any bias magnetic field. Thus, this choice eliminates, or at least minimizes, the problems related to the offset cancelling of the GMI devices. Also, it validates the advantage of this magnetic configuration, especially the choice of the operating point. Modeling of the noise performance of the entire measurement chain, including the digital conditioning, is performed. A comparison between the expected and measured equivalent magnetic noise levels is then carried out. The results yield general optimization laws for a digital GMI sensor. Using these laws, an optimized prototype of a GMI sensor is designed and implemented on FPGA. An equivalent magnetic noise level in a white noise zone region of approximately 1 pT/√ Hz is obtained. Furthermore, this work also makes it possible to validate the interest of digital techniques in the realization of a high-sensitivity measuring devices.

[pt] A velocidade da onda de pulso (VOP) tem sido identificada como o padrão-ouro para avaliação da rigidez arterial e, recentemente, vem sendo reconhecida como um importante indicador no diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares. Atualmente, já existem dispositivos comerciais capazes de efetuar a medição da VOP, entretanto, ainda exigem um investimento financeiro significativo e alguns requerem um treinamento especializado para seu correto uso. Os, transdutores de pressão atuais são majoritariamente baseados em sensores piezoresistivos, piezoelétricos e capacitivos. Entretanto, pesquisas recentes demostraram que transdutores de pressão que utilizam sensores magnéticos baseados na magnetoimpedância gigante (GMI) apresentam elevada sensibilidade. Tendo em vista que a VOP é um importante indicador do risco de distúrbios cardiovasculares, e considerando os potenciais beneficios dos sensores GMI em relação às demais alternativas, esta tese de doutorado buscou utilizar-se destes elementos sensores a fim de desenvolver um sistema de medição portátil, não-invasivo, de baixo custo, acessível e simples de usar, capaz de efetuar a medição da VOP. Neste intuito, foram desenvolvidos transdutores de alta sensibilidade, baseados nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante, destinados à medição da velocidade da onda de pulso arterial. A fim de se otimizar as características de desempenho dos transdutores, foram realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores na configuração em malha aberta e fechada, bem como ensaios experimentais dos protótipos projetados. As caracterizações e ensaios experimentais realizados com o transdutor de pressão em malha aberta resultaram em uma sensibilidade de 59,6 mV/kPa, e resolução de 192,8 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 1000 Hz. Por outro lado, a configuração em malha fechada apresentou uma sensibilidade de 54,2 mV/kPa, e resolução de 206,0 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 32 Hz. Tendo em vista os valores de sensibilidade e resolução obtidos, propõe-se empregar o sistema de transdução de pressão que incorpora uma câmara incompressível para amplificação mecânica, na medição de ondas de pulso arterial. Neste protótipo, uma pequena membrana semirrígida localizada na superfície da câmara incompressível é posicionada sobre a superfície da pele, próxima à artéria de interesse. Deste modo, pequenas mudanças de pressão na superfície da pele, causadas pela onda de pulso arterial, provocam uma variação do campo magnético sobre o elemento sensor. Por outra parte, devido à alta sensibilidade apresentada pelo transdutor magnetico (magnetômetro GMI) na configuração de malha aberta (0,2 mV/nT) e de malha fechada (0,19 mV/nT), estes foram usados para medir diretamente a forma de onda do pulso arterial, sem utilizar uma câmara incompressível para transdução mecânica. Nesta medição, considerando a adequada resolução espacial para as demandas anatômicas, utiliza-se um pequeno marcador magnético, envolto por uma fita adesiva hipoalergênica e flexível, aderida á região da pele sobre a artéria de interesse, e aproxima-se o sensor magnético GMI da superfície da pele onde o marcador foi colocado. Finalmente, as configurações propostas foram analisadas e comparadas, a fim de se identificar aquela com melhor desempenho, a qual foi utilizada para medição da VOP. Como o estudo envolve o registro da onda de pulso em participantes da pesquisa, o projeto foi submetido à apreciação e aprovado pela Comissão da Câmara de Ética em Pesquisa da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocolo 83/2020. Espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] Pulse wave velocity (PWV) is considered the gold standard for assessing arterial stiffness and recently, it has been recognized as an important indicator in the diagnosis and treatment of cardiovascular disease. Currently, there are commercial devices capable of measuring PWV, however, significant investments are required and some devices requires specialized training for their correct use. Conventional pressure-sensing devices are mainly based on piezoresistive, piezoelectric and capacitive sensors. Recent investigations, however, show that pressure transducer using magnetic sensors based on the giant Magnetoimpedance (GMI) present high-sensitivity. Considering that, PWV is a significant risk factor for future cardiovascular disease and in view of some of the advantages of GMI sensors in relation to another sensing technologies, this doctoral thesis aims to develop a portable measurement system, non-invasive, low-cost, accessible and simple to use, capable of measuring PWV. For this purpose, we have developed a high-sensitivity transducers based on the impedance phase characteristics of GMI sensors, for measuring the arterial pulse wave velocity. In order to improve the performance characteristics of the transducers, computational and theoretical analysis in open and closed loop configuration were performed. The characterizations and experimental tests performed with the open-loop pressure transducer resulted in a sensitivity of 59.6 mV/kPa, and resolution of 192.8 Pa for an average of 30 samples, in the 1000 Hz passband. On the other hand, the closed-loop configuration presented a sensitivity of 54.2 mV/kPa, and a resolution of 206.0 Pa for an average of 30 samples, in the 32 Hz passband. In view of the considerable sensitivity and resolution obtained, it is proposed to employ a pressure transduction system that incorporates an incompressible chamber for mechanical amplification, in the measurement of arterial pulse waves. In this prototype, a small semi-rigid membrane located on the surface of the incompressible chamber is positioned over the surface of the skin, close to the artery of interest. In this way, small pressure changes on the skin surface, caused by the arterial pulse wave, cause a variation of the magnetic field on the sensing element. On the other hand, due to the high sensitivity presented by the magnetic transducer (GMI magnetometer) in the open-loop (0.2 mV/nT) and closed-loop (0.19 mV/nT) configurations, they were used to measure the shape pulse waveform without using an incompressible chamber for mechanical transduction. In this test, considering the adequate spatial resolution for the anatomical demands, a small magnetic marker is used, the magnetic marker is attached to the skin region over the artery of interest, and the GMI magnetic sensor is approached near the marker placed of the skin surface. Finally, the proposed configurations were analyzed and compared in order to identify the one with the best performance, which was used to measure PWV. As the study involves recording the pulse wave in research participants, the project was submitted for consideration and approved by the Research Ethics Committee of the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocol 83/2020. It is expected that the device developed will contribute to the technological advancement of the tools used in the health sector.

[pt] Projéteis de chumbo (não-ferromagnéticos) são corpos estranhos comuns na prática médica. Métodos convencionais de localização utilizam radiações ionizantes, impondo riscos à saúde e procedimentos que duram várias horas e tipicamente terminam malsucedidos. Mapas de campos magnéticos obtidos não-invasivamente e inocuamente com SQUIDs beneficiam a localização de agulhas metálicas ferromagnéticas, reduzindo o tempo de remoção bem-sucedida de 6 horas para 10 minutos. SQUIDs são os magnetômetros mais sensíveis, entretanto requerem temperaturas criogênicas, levando a altos custos e baixa portabilidade que impedem a difusão do uso clínico. O objetivo é desenvolver um dispositivo para localizar corpos estranhos metálicos não-ferromagnéticos visando remoção cirúrgica, respeitando requerimentos de projeto: alta sensibilidade, inocuidade, não-invasividade, baixo custo, segurança, portabilidade, facilidade de uso e operação em temperatura ambiente. Sensores GMR e GMI são considerados alternativas mais adequadas. Modelos teóricos de eletrodinâmica clássica aplicados às correntes parasitas servem como base. Dois sistemas eletrônicos são desenvolvidos em configuração gradiométrica para remover interferência ambiente, usando elementos sensores GMR e GMI disponíveis comercialmente. O desempenho é obtido com resultados de simulações, provando a capacidade de detecção de níveis esperados de densidade de fluxo magnético para certos raios de projéteis e distâncias. O Sistema GMI é mais qualificado, sua mais alta sensibilidade e melhor resolução favorecem maiores faixas de medição, inocuidade, segurança e facilidade de uso. Os resultados demonstram a viabilidade dos elementos sensores GMI nessa aplicação. Os benefícios de baixo custo, maior portabilidade e segurança facilitam a utilização clínica de técnicas de localização para corpos estranhos metálicos não-ferromagnéticos mais inócuas e efetivas. / [en] Lead projectiles (non-ferromagnetic) are common foreign bodies in the medical practice. Conventional means of location use ionizing radiation, pose health risks and lead to procedures that last several hours, typically ending unsuccessfully. Magnetic field maps obtained non-invasively and innocuously with SQUIDs benefit the location of ferromagnetic metallic needles, reducing the time of successful removal from 6 hours to 10 minutes. SQUIDs are currently the most sensitive magnetometers, however require cryogenic temperatures, leading to high cost and low portability which prevent widespread clinical use. The objective is to design a device for locating non-ferromagnetic metallic foreign bodies for surgical removal, respecting project requirements of: high sensitivity, innocuousness, non-invasiveness, low cost, safety, portability, ease of use and room temperature operation. GMR and GMI sensors are considered as more suitable alternatives. Classical electrodynamics theoretical models applied to eddy currents induction serve as framework. Two electronic location systems are developed in gradiometric configuration to remove environmental interference, using commercially available GMR and GMI sensor elements. System performance is obtained from simulation results, demonstrating the capability of detecting the magnetic flux density levels expected under certain projectile radii and distances. The GMI system is more qualified, as its higher sensitivity and improved resolution favors larger measurement ranges, innocuousness, safety and ease of use. The results prove the viability of using GMI sensor elements in this application. The benefits of lower cost, higher portability and safety facilitate the clinical use of more innocuous and effective location techniques for non-ferromagnetic metallic foreign bodies.

With  the  continuous  advances  in  microwave  technology,  microwave  components  and  related magnetic materials become more important in industrial environment. In order to further develop the microwave components, it is of interest to find new kinds of technologies and materials. Here, we  introduce  a  new  kind  of  material  --  amorphous  metallic  wires  which  could  be  used  in microwave  components,  and  use  these  wires  to  design  new  kinds  of  attenuators.  Based  on  the fundamental  magnetic  properties  of  amorphous  wires  and  transmission  line  theory,  we  design  a series of experiments focusing on these wires, and analyze all the experimental results.    Experimental  results  show  that  incident  and  reflected  signals  produce  interference  and  generate standing  waves  along  the  wire.  At  given  frequency,  the  insertion  attenuation  S21 [dB]  of  an amorphous wire increases monotonically with dc bias current. The glass cover will influence the  magnetic  domain  structure  in  amorphous  metallic  wires.  Therefore,  it  will  affect  the circumference  permeability  and  change  the  signal  attenuation.  It  is  necessary  to  achieve  the impedance  matching  by  coupling  to  an  inductor  and  a  capacitor  in  the  circuit.  The  impedance matching  makes  the  load  impedance  close  to  the  characteristic  impedance  of  transmission  line. The magnetic wire-based attenuator designed in this thesis work are characterized and compared to conventional pin-diode attenuator.

Le potentiel de la GMI a été exploré pour la réalisation d'un capteur magnétique de mesure du courant électrique. Une partie notable de ce projet a été consacrée à l'investigation de l'électronique de conditionnement du capteur, notamment, l'électronique d'excitation de l'élément sensible et l'électronique de détection de la variation de la tension à ces bornes. Une nouvelle solution d'oscillateur numérique précis, stable et de haute fréquence a été proposée. Un convertisseur tension-courant basé sur la source de Howland a été associé à cet oscillateur. Pour la détection, des technologies innovantes et prometteuses, tel que le détecteur RMS-DC pour les mesures précises, ont été proposées. Un conditionnement électronique permet d'utiliser ce détecteur pour la démodulation des signaux alternatifs. Une approche originale de détecteur d'amplitude sans seuil utilisant un amplificateur limiteur a été développée. Ces technologies ont été intégrées avec succès dans un capteur de courant électrique. / A GMI current sensor was designed. This study was devoted to the investigation of the electronic conditioning of the sensor. An accurate, stable and high frequency digital oscillator was developed. A voltage-to-current converter based on the Howland source was associated to this oscillator. An innovative and promising technology for precise measurements was proposed: the RMS-DC detector. This detector was conditioned for demodulating AC signals. Also an original approach of an amplitude detector using a limiting amplifier was developed. These technologies have been successfully integrated into a GMI current sensor.