[pt] Esta dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de um transdutor magnético em configuração gradiométrica (gradiômetro), baseado nas características de fase da impedância de amostras sensoras de Magnetoimpedância Gigante (GMI), visando à medição de campos magnéticos de baixa intensidade em ambientes desprovidos de blindagem magnética. A metodologia empregada iniciou pela medição e análise das características de fase da impedância de duas amostras sensoras GMI, em função do campo magnético externo. Na sequencia, foi idealizado o circuito eletrônico do gradiômetro, o qual é responsável por excitar os elementos sensores e apresentar uma saída em tensão, proporcional ao gradiente de campo entre eles. As principais características do protótipo desenvolvido são detalhadas ao longo do texto e as previsões teóricocomputacionais são comparadas com os resultados experimentais obtidos. Por sua vez, as principais figuras de mérito do protótipo desenvolvido são detalhadamente analisadas, tais como: sensibilidade, linearidade, resposta em frequência, densidade espectral de ruído, resolução e distorção harmônica total. Também, avalia-se a distancia ótima de separação entre os elementos sensores empregados no gradiômetro, a fim de se otimizar a relação sinal-ruído. Os resultados indicam que o gradiômetro desenvolvido apresenta uma alta resolução, elevada sensibilidade, e linearidade, banda de passagem de até 1 kHz e baixa distorção harmônica. Por meio da comparação dos resultados obtidos pelo gradiômetro com os de um magnetômetro GMI, pode-se concluir que o gradiômetro propicia significativa atenuação da interferência magnética. Dessa forma, verifica-se que o dispositivo desenvolvido contribui para a medição de campos magnéticos de baixa intensidade, em ambientes ruidosos. / [en] This dissertation aims at developing a magnetic field transducer in gradiometric configuration (gradiometer), based on the impedance phase characteristics of Giant Magnetoimpedance (GMI) sensors, focusing on the measurement of low intensity magnetic fields in unshielded enviroments. The first step of the adopted methodology was measuring and analyzing the impedance phase characteristics of GMI sensors, as a function of the external magnetic field. After that, it was idealized the electronic circuit of the gradiometer, which is responsible by exciting the sensor elements and by presenting a voltage output, proportional to the magnetic field gradient between them. The main features of the developed prototype are detailed throughout the text and the theoreticalcomputational predictions are compared with the experimental results obtained. Furthermore, the most relevant figures of merit of the developed prototype are analyzed in detail, such as sensitivity, linearity, frequency response, spectral noise density, resolution and total harmonic distortion. Besides, the optimal separation between the two sensors used in the gradiometer is analyzed, aiming at improving the signal to noise ratio. The obtained results indicate that the developed gradiometer has a high resolution, high sensitivity and linearity, passband up to 1 kHz and low harmonic distortion. Comparing the gradiometer s performance results with the ones achieved with a GMI magnetometer leads to conclude that the gradiometer attenuates considerably the magnetic interference. In this way, it can be concluded that the developed device contributes to the measurement of low intensity magnetic fields in noisy environments.

[pt] Elementos sensores baseados no efeito GMI são uma nova família de sensores magnéticos que apresentam grande quando submetidos a campos magnéticos externos. Estes sensores têm sido utilizados no desenvolvimento de magnetômetros de alta sensibilidade, destinados à medição de campos ultra fracos. Por sua vez, a sensibilidade de um magnetômetro está diretamente associada à sensibilidade de seus elementos sensores. No caso de amostras GMI, esta sensibilidade é otimizada buscando-se a maximização da variação do módulo ou da fase da impedância em função do campo magnético ao qual a amostra é submetida. Estudos recentes mostram que transdutores GMI baseados na variação de fase podem exibir sensibilidades até 100 vezes superiores às apresentadas por transdutores baseados na leitura do módulo do elemento sensor, o que fez com que os trabalhos conduzidos nesta dissertação focassem na maximização da sensibilidade de fase, a qual é majoritariamente dependente de quatro fatores: o comprimento da amostra, o campo magnético externo, o nível DC e a frequência da corrente de excitação. Contudo, a busca do conjunto de parâmetros que otimiza a sensibilidade das amostras é geralmente empírica e muito demorada. Esta dissertação propõe uma nova técnica de otimização da sensibilidade, baseada no uso de algoritmos genéticos evoluindo em hardware, a fim de se definir qual o conjunto de parâmetros responsável pela maximização da sensibilidade das amostras. Ressalta-se que, além dos parâmetros de otimização anteriormente explicitados, também foram realizados testes considerando a amplitude da corrente de excitação como uma variável livre, sendo que os resultados obtidos são apresentados e discutidos. Foi implementada uma bancada de testes e desenvolvida uma interface gráfica em LabVIEW, para monitorar e medir o comportamento da impedância de amostras GMI em função de variações nos parâmetros de interesse. Por sua vez, implementou-se um módulo de otimização em Matlab, baseado em algoritmos genéticos, responsável por encontrar a combinação de parâmetros que maximiza a sensibilidade dos sensores GMI avaliados (ponto ótimo de operação). / [en] GMI sensors are a new family of magnetic sensors that exhibit a huge variation of their impedance when subjected to external magnetic fields. These sensors have been used in the development of high sensitivity magnetometers, aimed at measuring ultra-weak magnetic fields. In turn, the sensitivity of a magnetometer is directly associated with the sensitivity of their sensor elements. In the case of GMI samples, this sensitivity is optimized by maximizing the variation of the impedance magnitude or phase as a function of the magnetic field applied to the sample. Recent studies show that GMI transducers based on phase variation can exhibit sensitivities up to 100 times higher than those presented by transducers based on impedance magnitude readings. The results obtained in these previous studies made the current work focusing on the maximization of phase sensitivity, which is mostly dependent on four factors: sample length, external magnetic field, DC level and frequency of the excitation current. However, the search for the set of parameters that optimizes the sensitivity of the samples is usually empirical and very time consuming. Thus, this dissertation proposes a new optimization technique, based on the use of genetic algorithms evolving on hardware, in order to define which set of parameters is responsible for maximizing the sensitivity of the samples. It should be noted that in addition to the optimization parameters previously described, this work also carried out tests considering the amplitude of the excitation current as a free variable, and the results obtained are presented and discussed. A test bench was implemented and a graphical interface was developed in LabVIEW to monitor and measure the impedance behavior of GMI samples due to variations in the parameters of interest. In turn, a Matlab optimization module based on genetic algorithms was implemented, in order to find the combination of parameters that maximizes the impedance phase sensitivity of the evaluated GMI sensors (optimum operating point).

[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] A utilização de magnetômetros possibilita o diagnóstico não invasivo e inócuo das variáveis fisiológicas já mensuradas pelos procedimentos padrão e oferece informações complementares sobre outras variáveis fisiológicas. Fontes biológicas geram densidades de fluxo magnético com ordem de grandeza entre 1 nT e 1 fT, com frequências até 1 kHz. Essas grandezas são ínfimas quando comparadas com a gerada pelo planeta, que é da ordem de 20 uT e está onipresente na atmosfera. Portanto, para mensurar campos biomagnéticos, é necessário atenuar essa interferência eletromagnética, sendo empregadas câmaras magneticamente blindadas e/ou transdutores em configuração gradiométrica. As câmaras blindadas apresentam alto desempenho de filtragem, mas têm elevado custo e pouca praticidade. Uma configuração gradiométrica utiliza uma leitura diferencial de dois ou mais elementos sensores idênticos, melhorando significativamente a relação sinal/ruído com baixo custo de implementação. Seu funcionamento se baseia na premissa de que os sensores têm comportamento idêntico. No entanto, foi observado que as fitas GMI, mesmo apresentando a mesma composição química e mesmas dimensões físicas, não apresentam as mesmas variações de fase para uma mesma variação do campo magnético. Ou seja, foi constatado um comportamento heterogêneo das amostras, o que impossibilitaria o desenvolvimento de um gradiômetro baseado nesses sensores. Diante deste impedimento, foi considerado o desenvolvimento de um circuito capaz de homogeneizar as variações de impedância entre duas amostras, quando associado a uma delas. Assim, a presente dissertação apresenta três métodos para a homogeneização das características de fase de amostras GMI e identifica o mais adequado para aplicações biomédicas. / [en] The use of magnetometers enables noninvasive and innocuous physiological variables already measured by standard procedures, and in certain cases, such as the Magnetocardiography offers additional information on other physiological variables diagnosis. Typically, the human heart generates a magnetic field with flux magnitude and frequency of 1 nT to 1 kHz. These quantities are minuscule compared with Earth s magnetic field, which is of the order of 20 uT and is omnipresent in the atmosphere. Therefore, to measure biomagnetic fields, it is necessary to reduce this and other electromagnetic interference, magnetically shielded cameras and transducers in gradiometric configuration are commonly used. Shielded cameras feature high performance filter, but have high cost and little practicality. A gradiometric configuration uses a differential reading of two or more identical sensor elements, significantly improving the signal/noise ratio with low implementation cost. However, its operation based on the premise that the sensors have identical behavior. Unfortunately, it was found that GMI ribbons, despite having the same chemical composition and same physical dimensions does not present the same phase variations for the same variation in magnetic field. That is, a heterogeneous behavior of the samples, which would prevent the development of a gradiometer based on these sensors. Given this impairment, it was considered developing a circuit capable of homogenizing the variations in impedance between two samples when associated with them. Thus, this paper presents three distinct characteristics of the homogenization phase samples GMI methods and identifies the most suitable for biomedical applications through a comparative analysis of the performance of the methods.

[pt] Sensores capazes de detectar campos magnéticos são largamente aplicados nas mais variadas áreas da engenharia. Um magnetômetro é um dispositivo que, baseado na utilização de um sensor magnético, é capaz de medir a magnitude e/ou direção de um campo magnético. Magnetômetros GMI são transdutores magnéticos cujos elementos sensores se baseiam no efeito da Magnetoimpedância Gigante (Giant Magnetoimpedance - GMI) que se caracteriza pela grande variação da impedância (módulo e fase) de uma amostra de material ferromagnético quando submetida a um campo magnético externo. A sensibilidade dos transdutores magnéticos está diretamente associada à sensibilidade de seus elementos sensores. No caso de amostras GMI, a sensibilidade é afetada por diversos parâmetros, e essa dependência ainda não é bem modelada quantitativamente. Esta dissertação apresenta um modelo computacional baseado em Redes Neurais MLP e em Algoritmos Genéticos que determina a sensibilidade ótima da fase da impedância do efeito GMI em função do campo magnético externo, para ligas ferromagnéticas amorfas de composição Co70 Fe5 Si15 B10, a partir dos seguintes parâmetros que as afetam: comprimento das amostras, nível CC e frequência da corrente de excitação além do campo magnético externo. / [en] Sensors capable of detecting magnetic fields are widely applied in many areas of engineering. A magnetometer is a device that based on the use of a magnetic sensor is capable of measuring the magnitude and direction of a magnetic field. Magnetometers GMI are magnetic transducers which sensors elements are based on the Giant Magnetoimpedance effect (Giant Magnetoimpedance - GMI) that is characterized by large variation of the impedance (magnitude and phase) of a sample of ferromagnetic material when subjected to an external magnetic field. The magnetic transducers sensitivity is directly affected by the sensitivity of its sensor elements. In the case of GMI samples, the sensitivity is affected by several parameters, and this dependence is not well modeled quantitatively. This dissertation presents a computational model based on feedforward Multilayer Perceptron Neural Networks and Genetic Algorithms that determines the optimal impedance phase sensitivity of the GMI effect, as functions of the magnetic field, for Co70 Fe5 Si15 B10 ferromagnetic amorphous alloys, The proposed model is based on some of the main parameters that affect it: length of the samples, DC level and frequency of the excitation current and the external magnetic field.

[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.