[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.

Magnetoimpedance has been proved to be an excellent tool to study the magnetization dynamics and the ferromagnetic resonance (FMR) linewidth provides a convenient way for measuring damping parameters in magnetic materials. The FMR linewidth depends on intrinsic magnetic damping and additional magnetic inhomogeneities, but complete understanding of the origin of these damping parameters is still unaccomplished. Besides the fundamental physics interest, the study of damping term and magnetization dynamics is very important for the development of any device which has its physical effect associated with the reversal of magnetization. Furthermore, the FMR linewidth is a very sensitive way to study the structural quality of magnetic samples, in both bulk and thin film geometries. In this work the magnetic relaxation of CoFeSiB glass-covered microwire was investigated by ferromagnetic resonance (FMR) linewidth measurements. We have identified the main damping mechanisms and quantified these damping terms, showing the effect of annealing temperature to them. The study have shown that there are three main damping mechanisms responsible for the FMR linewidth, the Gilbert damping parameter, a damping mechanism due to anisotropy dispersions and two-magnon scattering. The Gilbert damping parameter is almost constant and not influenced by the annealing. The FMR linewidth is very sensitive to anisotropy dispersions and this mechanism has a great contribution to the magnetic relaxation. The two-magnon scattering is an assignment of the inhomogeneities present in the samples and its contribution to the FMR linewidth decrease with the annealing temperature until a critical value, as a result of a decrease of inhomogeneities due to a reduction of the internal stress level. A further increase in the annealing temperature produces an increase in the two-magnon scattering contribution which is an indication of the growing of nanocrystals acting as scattering centers to the spin waves. / Magnetoimpedância tem provado ser uma excelente ferramenta para estudar a dinâmica de magnetização e a largura de linha da ressonância ferromagnética (FMR) fornece uma maneira conveniente para medir parâmetros de amortecimento em materiais magnéticos. A largura de linha FMR depende do amortecimento magnético intrínseco e adicionais inomogeneidades magnéticas, mas o completo entendimento da origem destes parâmetros de amortecimento ainda está inacabado. Além do interesse da física fundamental, o estudo da dinâmica de amortecimento e magnetização é muito importante para o desenvolvimento de qualquer dispositivo que tem seu efeito físico associado com a inversão da magnetização. Além disso, a largura de linha FMR é uma forma muito sensível para estudar a qualidade estrutural de amostras magnéticas. Neste trabalho é apresentado um estudo da relaxação magnética de microfios amorfos de CoFeSiB recobertos por vidro, mostrando o efeito da temperatura de recozimento sobre as propriedades magnéticas do microfio. Foram identificados e quantificados os principais mecanismos de amortecimento, mostrando o efeito da temperatura de recozimento para eles. Os estudos mostraram que existem três principais mecanismos de amortecimento responsável pela largura de linha FMR: o parâmetro de amortecimento de Gilbert; um mecanismo de amortecimento devido à dispersões na anisotropia; e o amortecimento devido ao espalhamento de magnons. O parâmetro de amortecimento de Gilbert é quase constante e não influenciado pelo recozimento. A largura de linha FMR é muito sensível a dispersões da anisotropia e esse mecanismo tem uma grande contribuição para o relaxamento magnético. A dispersão de magnons é uma atribuição de inomogeneidades presentes nas amostras e tem contribuição para a diminuição da largura de linha com a temperatura de recozimento até um valor crítico, como resultado de uma diminuição de inomogeneidades devido a uma redução do nível de estresse interno. Um aumento na temperatura de recozimento produz um aumento na contribuição de espalhamento dos magnons, que é uma indicação do crescimento de nanocristais atuando como centros de dispersão para as ondas de spin.

[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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the behavior of the magnetoimpedance (MI) in ferromagnetic multilayered (Ni81Fe19/Cu) produced by magnetron sputtering was studied. In all measurements, the probe current was applied perpendicularly to the film surface. The MI measurements were performed in the frequency range 100kHz - 1.8GHz with an HP-4396B impedance analyzer and a specially designed sample holder. Magnetoimpedance ratios of 150% were obtained in some of the studied samples. / Neste trabalho foi estudado o comportamento da magnetoimpedância (MI) em amostras ferromagnéticas (Ni81Fe19) estruturadas em camadas intercaladas com metal normal (Cu) produzidas por magnetron sputtering com a corrente de sonda sendo aplicada perpendicularmente ao plano do filme. A faixa de freqüência usada neste trabalho foi de 100kHz a 1.8GHz num analisador de impedância modelo HP-4396B. Deste modo conseguiuse variações percentuais na MI da ordem de 150%.

[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] A informação sobre o posicionamento de objetos estranhos no interior do corpo humano é essencial para a sua eficiente remoção cirúrgica. Entretanto, os métodos convencionalmente utilizados não fornecem informação suficiente sobre a localização do objeto metálico para garantia de sucesso cirúrgico. No presente trabalho foi desenvolvido um sistema automatizado para mapear a densidade de fluxo magnético estático produzido por corpos ferromagnéticos posicionados em variados graus de liberdade 3D, utilizando um sensor de baixo custo, baseado no fenômeno da magnetoimpedância gigante (GMI - Giant Magnetoimpedance), que detecta somente campos magnéticos variantes no tempo. Assim, as medições automatizadas foram realizadas com a amostra em movimento a uma velocidade constante. Por meio de modelagens computacionais do campo magnético gerado foi possível reproduzir o comportamento da densidade de fluxo magnético gerado por uma fonte de campo magnético como a agulha retilínea utilizada nas medições in vitro. O software considerou as características do sensor GMI utilizado e a condição de medição com a fonte magnética em movimento. Os resultados da simulação foram validados por meio de comparações com os resultados experimentais, possibilitando a solução do problema direto com a caracterização da configuração espacial da densidade de fluxo magnético para variados posicionamentos da fonte magnética em relação ao sensor magnético GMI. Com a validação dos resultados simulados, os mesmos podem ser empregados no desenvolvimento de procedimento para solução do problema inverso de imageamentos clínicos utilizando o sensor GMI de baixo custo, limitado a medições magnéticas variantes no tempo, realizados para detecção e posicionamento de corpos estranhos que geram campos magnéticos estáticos. / [en] Information about the positioning of foreign objects inside the human body is essential for its efficient surgical removal. However, the methods conventionally used do not provide sufficient information on the location of the metallic object to guarantee surgical success. In the present work, an automated system was developed to map the static magnetic flux density produced by ferromagnetic bodies positioned in varying degrees of 3D freedom, using a low-cost sensor based on the giant magnetoimpedance phenomenon (GMI - Giant Magnetoimpedance), which detects only time-varying magnetic fields. Thus, automated measurements were performed with the sample moving at a constant speed. Through computational modeling of the generated magnetic field, it was possible to reproduce the behavior of the magnetic flux density generated by a magnetic field source, such as the straight needle used in in vitro measurements. The software considered the GMI sensor s characteristics and the measurement condition with the magnetic source in motion. The simulation results were validated through comparisons with the experimental results, enabling the solution of the direct problem with the characterization of the spatial configuration of the magnetic flux density for various magnetic source positions in relation to the GMI magnetic sensor. With the validation of the simulated results, they can be used in the development of a procedure to solve the inverse problem of clinical imaging using the low-cost GMI sensor, limited to time-varying magnetic measurements, performed for the detection and positioning of foreign bodies that generate static 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.

В работе был проведен комплекс исследований состава, структуры, магнитных свойств и гигантского магнитного импеданса (ГМИ) многослойных пленочных структур, необходимый для их использования как чувствительных элементов датчиков слабых магнитных полей. Структуры получались методом ионно-плазменного распыления. Исследовались и пленочные структуры в стандартной геометрии, и элементы в виде полосок в геометрии ГМИ элементов. ГМИ конфигурация представляет собой трехслойную пленку типа магнитный слой - проводящий немагнитный слой - магнитный слой при равной толщине каждого из слоев. Магнитный слой может быть заменен многослойной структурой. Для анализа особенностей структуры использовали электронную микроскопию и рентгено-фазовый анализ. Показано, что образцы имеют нанокристаллическую структуру, разделение слоев пермаллоя немагнитными прослойками влияет на особенности его тек-стуры и размер зерна. Точный состав пленок Fe19Ni81 был определен с помощью приставки энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа. Магнитные свойства были исследованы с помощью магнито-оптического эффекта Керра и вибрационной магнитометрии. Несмотря на присутствие специально прикладываемого во время напыления технологического магнитного поля, формируемая магнитная анизотро-пия имела сложный характер. Так, ось магнитной анизотропии поверхностного слоя у большинства образцов располагалась перпендикулярно длинной стороне прямоугольного элемента (соосно с ориентацией технологического поля), а ось эффективной магнитной анизотропии ориентировалась вдоль длиной стороны элемента. Исследование ГМИ в диапазоне частот 1 - 400 МГц позволило отобрать элементы для тестирования прототипа биодатчика для определения положения магнитной вставки в виде феррогеля/эпоксидной смолы с магнитными наночастицами. Показана возможность детектирования полей рассеяния магнитных частиц с помощью используемого элемента и проведены оценки погрешности ГМИ откликов прототипа биодатчика. Созданы и опробованы в ряде биологических экспериментов не имеющие коммерческих аналогов магнитные матрицы на основе постоянных магнитов. Исследовано распределение магнитного поля магнитных систем: катушек Гельмгольца, коммерческого электромагнита, 24 и 48 луночных магнитных матриц. / In this work, composition, structural and magnetic properties, giant magneto impedance (GMI) of thin film multilayered structures for sensors of weak magnetic fields were investigated. Multilayered films were fabricated by magnetron sputtering technique. They were investigated both in the standard thin film geometry and in the GMI-stripe geometry. Magnetoimpedance stripe geometry is a three-layered film that consists of magnetic layer - conductive non-magnetic layer - magnetic layer with an equal thickness of each one of three layers. Magnetic layers can be substituted by the multilayered structures. Structure of multilayered films was studied by electronic microscopy and XRD analysis. All samples have a nanocrystalline structure, separation of permalloy layers by non-magnetic spacers influences the permalloy structure and grain size. Composition of permalloy in films Fe19Ni81 was checked by energy-dispersive x-ray spectroscopy and x-ray fluorescence spectros-copy. Magnetic properties were investigated by magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometer. Despite the presence of a certain magnetic field applied during the sputtering deposition, the formed magnetic anisotropy was quite complex. The magnetic anisotropy axis of surface layers most of the samples was perpendicular to the long side of the GMI-stripe ele-ments. However, the effective magnetic anisotropy axis of the whole structure was along to the long side of elements. Investigation of GMI in the frequency range 1 - 400 MHz allowed to select the GMI-stripe elements for biosensor prototype testing for detection of the magnetic test-samples such as ferrogels or epoxy composites with magnetic micro- or nanoparticles. The possibility of detection of the stray fields of magnetic micro- and nanoparticles by selected GMI element was confirmed, and the experimental errors were carefully analyzed. Unique magnetic matrices based on permanent magnets were designed, fabricated and tested in biological experiments. Magnetic field distribution in space was measured for Helmholtz coils, commercial elec-tromagnet, 24 and 48 well magnetic matrices.

[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.