[pt] Esta dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de um transdutor de pressão de alta sensibilidade, baseado nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante. A configuração do dispositivo visa a aplicações biomédicas, tais como medições da onda de pulso arterial e de sua velocidade de propagação. Projetou-se um sistema de transdução de pressão em tensão, que contém um módulo intermediário baseado em um magnetômetro GMI. O protótipo implementado inclui uma estrutura mecânica, responsável pela transdução de pressão em campo magnético, e um circuito eletrônico, responsável pela conversão deste em uma tensão elétrica de saída. A conversão de pressão em campo magnético é feita por meio de uma fonte de campo magnético aderida a uma membrana elástica. Foram realizados estudos comparativos empregando agulhas magnetizadas e ímãs permanentes como fontes móveis de campo. Por sua vez, o elemento sensor GMI utilizado foi experimentalmente caracterizado, a fim de se obter suas curvas características de módulo e fase, em função do campo magnético. O circuito eletrônico de transdução foi projetado e avaliado de forma computacional e experimental. As principais características do mesmo são detalhadas ao longo do texto e as previsões teórico-computacionais são comparadas com os resultados experimentais obtidos. Por sua vez, parâmetros chave do protótipo desenvolvido são minuciosamente analisados, tais como: sensibilidade, linearidade e resposta em frequência. Também, avalia-se a densidade espectral de ruído do transdutor desenvolvido e estima-se sua resolução na banda de passagem. Os resultados obtidos indicam que o protótipo de baixo custo desenvolvido apresenta alta resolução e alta sensibilidade, além de uma banda de passagem compatível com a requerida pelas aplicações biomédicas nas quais deseja-se empregá-lo. Dessa forma, espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] This dissertation aims at the development of a high sensitivity pressure transducer, based on the phase impedance characteristics of Giant Magnetoimpedance sensors. The configuration is intended to employ the developed device in biomedical applications, such as in measurements of arterial pulse wave and pulse wave velocity. A transduction system of pressure into voltage was designed, which contains an intermediate module based on a GMI magnetometer. The idealized prototype contains a mechanical structure, responsible for converting pressure into magnetic field, and an electronic circuit, responsible for converting the latter into a voltage output. The conversion of pressure into magnetic field is performed by means of a magnetic field source adhered to an elastic membrane. Comparative studies were carried out using magnetized needles and permanent magnets as field sources. In turn, the GMI sensor element was experimentally characterized in order to evaluate how its impedance magnitude and phase are affected by the magnetic field. The influence of the cable length used to interconnect the GMI sensor to the electronic circuit is also discussed. The electronic transduction circuit was designed and analyzed by computational and experimental evaluations. The main features of the circuit are detailed throughout the text and the theoretical and computational predictions are compared with the obtained experimental results. Furthermore, the key parameters of the developed prototype are meticulously analyzed, such as: sensitivity, linearity and frequency response. Also, the spectral noise density of the developed transducer is evaluated and its resolution in the passband is estimated. The obtained results indicate that the developed prototype presents low cost of manufacture and operation, high resolution, high sensitivity and a passband compatible with the requirements imposed by the biomedical applications of interest. In this way, it is intended that the device developed in the present Dissertation contributes to the technological enhancement of measurement equipment used in health sector.

[pt] Esta Tese teve por objetivo desenvolver um magnetômetro de alta sensibilidade, baseado nas características de fase do efeito da Magnetoimpedância Gigante (GMI – Giant Magnetoimpedance), para medição de campos magnéticos ultra-fracos. Elementos sensores GMI apresentam grande potencial na fabricação de magnetômetros que conciliem alta sensibilidade e elevada resolução espacial com baixo custo. A otimização da sensibilidade do transdutor magnético é diretamente afetada pela sensibilidade de seus elementos sensores GMI, cuja maximização é um processo intrinsecamente multivariável. Consequentemente, a metodologia experimental empregada iniciou-se pelo desenvolvimento de um sistema automático de caracterização das amostras GMI, de modo a se garantir a agilidade do processo de caracterização, possibilitando a obtenção de um volume significativo de informações experimentais. A análise minuciosa dos dados provenientes das medições experimentais permitiu a definição do ponto ótimo de operação das amostras GMI estudadas. Em todas as medições experimentais realizadas foram obtidas e avaliadas as curvas de histerese das amostras GMI. Na sequência, foram idealizados circuitos eletrônicos para condicionamento das amostras GMI e leitura das características de fase de sua impedância, destacandose a configuração eletrônica desenvolvida para a amplificação da sensibilidade de fase. Foram, inclusive, depositadas patentes nacionais e internacionais referentes ao método proposto e ao novo transdutor magnético GMI (PI 0902770-0; PI 1004686-0; WO/2010/094096 e WO/2012/048395). As caracterizações e ensaios experimentais realizados indicaram a eficácia da abordagem proposta, evidenciando o grande potencial do magnetômetro GMI desenvolvido, o qual apresentou uma elevada sensibilidade de 5 mV/nT. A resolução do magnetômetro foi limitada pelo ruído magnético ambiental, indicando que sua capacidade de medição de campos inferiores aos níveis de ruído poderá ser claramente evidenciada quando for avaliada em ambiente magneticamente blindado. Os estudos teórico-experimentais realizados indicam o potencial do transdutor magnético GMI desenvolvido, caracterizado por seu baixo custo e elevada sensibilidade, para aplicação na medição de campos magnéticos ultra-fracos. / [en] This Thesis aimed at developing a high sensitivity magnetometer, based on the phase characteristics of the Giant Magnetoimpedance effect (GMI), for measuring ultra-weak magnetic fields. GMI sensor elements have great potential to implement magnetometers that combine high sensitivity and high spatial resolution with low cost. The optimization of the magnetic transducer sensitivity is directly affected by the sensitivity of its GMI sensor elements, whose maximization is inherently multivariate. Consequently, the first step of the experimental methodology employed was to develop an automatic system for the characterization of GMI samples, so as to ensure the agility of the characterization process, allowing the gathering of a significant amount of experimental data. A thorough analysis of the experimental data led to the definition of the optimal operation point of the analyzed GMI samples. The hysteresis curves of the GMI samples were obtained and evaluated, in all of the performed experimental measurements. Based on the characterization studies results, electronic circuits were designed for conditioning the GMI samples and reading their impedance phase characteristics, highlighting the new electronic configuration developed for enhancing the phase sensitivity. National and international patents were filed, related to the proposed method, for sensitivity enhancement, and to the new GMI magnetometer (PI 0902770-0; PI 1004686-0; WO/2010/094096 e WO/2012/048395). The performed experimental characterizations and assays indicated the effectiveness of the proposed approach, showing the great potential of the developed GMI magnetometer, which presents a high sensitivity of 5 mV/nT. The magnetometer resolution was limited by the environmental magnetic noise, pointing out their capability in measuring fields below the environmental noise level, which can be clearly evidenced only when evaluated in a magnetically shielded room. The theoretical and experimental studies carried out indicate the potential of the developed GMI magnetic transducer, characterized by its low cost and high sensitivity, for applications involving the measurement of ultra-weak magnetic fields.

[pt] Esta Tese tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema destinado à medição de campo magnético com alta sensibilidade e resolução, baseado nas características de fase da impedância em sensores que apresentam o efeito GMI, e a otimização das características de desempenho por meio do uso de configurações em malha fechada. A metodologia empregada inicia com a avaliação experimental das características de fase da impedância de amostras de diferente estrutura e composição química, em função do campo magnético externo, a fim de selecionar aquelas com alta sensibilidade, baixa histerese e maior homogeneidade. Na sequência, são realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores magnéticos em malha aberta e fechada (magnetômetro e gradiômetro). Da mesma forma, as principais características dos circuitos e controladores software dos transdutores desenvolvidos são detalhadas ao longo do texto. Por sua vez, as principais figuras de mérito dos protótipos desenvolvidos são detalhadamente analisadas, tais como: sensibilidade, linearidade, resposta em frequência, densidade espectral de ruído e resolução. As caracterizações e ensaios experimentais realizados evidenciaram o grande potencial dos transdutores GMI em malha fechada para a atenuação da interferência 1/f, aprimoramento da linearidade e ampliação da faixa de operação. O magnetômetro GMI em malha fechada apresentou sensibilidade em torno de 75,8 mV/microteslas, fundo de escala maior que mais ou menos 40 microteslas, banda de passagem de 45 Hz e resolução na banda de passagem de 27,74 nT. Por outro lado, o gradiômetro GMI em malha fechada desenvolvido apresentou sensibilidade em torno de 102 mV/microteslas, fundo de escala maior que mais ou menos 40 microteslas, banda de passagem de 30 Hz e resolução na banda de passagem de 28,41 nT. / [en] This Thesis aims to develop a system for magnetic field measurement with high sensitivity and resolution, based on the impedance phase characteristics of sensors that have the GMI effect and the performance characteristics optimization through closed-loop configurations. The methodology starts with the experimental evaluation of the phase characteristics of the impedance in samples of different chemical composition and structure as a function of the external magnetic field in order to select those with high sensitivity, low hysteresis, and higher homogeneity. Subsequently, theoretical-computational assessments of magnetic transducers in open and closed-loop (magnetometer and gradiometer) are carried out. Likewise, the main characteristics of the circuits and software controllers of the developed transducers are detailed throughout the text. In turn, the main figures of merit of the developed prototypes are analyzed in detail, such as sensitivity, linearity, frequency response, noise spectral density, and resolution. The characterizations and experimental tests carried out showed the great potential of GMI transducers in a closed-loop configuration for attenuation of interference 1/f, improving linearity and expanding the operating range. The closed-loop GMI magnetometer showed a sensitivity of around 75.8 mV/microteslas, a full-scale range greater than plus or minus 40 microteslas, a pass band of 45 Hz and a resolution in the pass band of 27.74 nT. On the other hand, the GMI closed-loop gradiometer developed had a sensitivity of around 102 mV/microteslas, a full scale greater than plus or minus 40 microteslas, a passband of 30 Hz and a resolution in the pass band of 28.41 nT.