Este trabalho trata sobre o desenvolvimento de sensores magnéticos tipo fluxgate baseados em tecnologia planar. O material utilizado como núcleo é baseado em trabalhos anteriores que determinaram os melhores parâmetros de eletrodeposição de ligas de NiFe para esta aplicação. Foram criados dispositivos funcionais mostrando a usabilidade do material. Também foram propostos 4 novos leiautes com o propósito de melhorar características como sensibilidade, preço, consumo de potência e resolução se comparados com sensores similares atuais. Inicialmente somente dispositivos em escala de milímetros foram criados utilizando placas de circuito impresso como substrato e um processo litográfico baseado em toner de impressora a laser. Este processo é muito simples e permite uma rápida ida do desenho ao protótipo em escala macro sem necessitar de equipamentos especiais. Note que ao contrário de macrofluxgates convencionais, estes dispositivos pode ser diretamente escalonados. Estes protótipos fornecerão os dados necessários para a construção de micro sensores otimizados. Para calcular a intensidade do campo magnético ao qual o núcleo está submetido foram feitas simulações de elementos finitos. A pequenas distâncias do plano, menores que a separação entre as espiras e onde o núcleo ferromagnético se situa, o campo é muito influenciado pela periodicidade da bobina, dando origem a um campo com oscilações periódicas de grande amplitude. Os efeitos desta alta inomogeneidade não é bem conhecido. Utilizando as curvas de histerese medida para os filmes de NiFe foram obtidas as curvas de resposta simulada para um fluxgate. A sensibilidade e a região linear em função do campo de excitação também foram simuladas. Enquanto que a sensibilidade tem um máximo para campos pouco mais intensos que o de saturação do material, decrescendo posteriormente, a região linear apresenta um pico para campos excitatórios baixos. O primeiro foi confirmado pelos resultados experimentais que também mostraram evidências do segundo. Os quatro leiautes são basicamente dois tipos com uma versão dupla cada um. Isto é, empilhando duas camadas de bobinas idênticas consegue-se multiplicar por raiz de dois o campo de excitação utilizando a mesma potência e dobrar o número de bobinas coletoras. Os leiautes propostos mostraram melhor sensibilidade, até oito vezes maior, se comparados com uma referência tirada da literatura. Também o ruído foi menor nas versões de dupla camada. O melhor apresentou um ruído menor que 1/3 da referência, ambos com potências de 1 Wrms. Mas todos leiautes propostos tiveram menor região linear. Todas estas características também foram estudadas em função da potência aplicada que está diretamente ligada a amplitude do campo de excitação. / This work present the development of fluxgate magnetic field sensors based on planar technology. The material for the core of the device is based on early works that determined the best NiFe electrodeposition parameters for this application. Functional devices were created proving the usability of the alloy. Also 4 new layouts were proposed in order to build more sensitivity, cheaper, less power consumption and better resolution sensors. Firstly, only macro scale devices were created using printed circuit board as substrate and a laser printer toner based lithography. This process is very simple and allows a fast way from sketch to macro scale prototypes with no need of special equipments. Unlike the conventional macrofluxgates, these devices can be directly scalonable. This prototypes characterization data will be used to produce optimized microsensors. Some finite element simulations computed the magnetic field produced by a square planar coil to predict the intensity that the core is immersed on. At small distances from the coil\'s plane, smaller than the separation between wires, where the core stands, the field is very influenced by the periodicity of the coil giving rise to periodic profiles. The effects of this high inhomogeneity is not well known. Using the measured hysteresis curve from the NiFe films, the simulated response of a fluxgate sensor was obtained. The simulated sensitivity and linear range as a function of the excitation field amplitude showed some unexpected results. While the sensitivity has a maximum with excitation fields just above the core saturation values decreasing later on, the linear range shows a high peak in low field region. The first were confirmed by the experimental data that also showed strong evidences of the existence of the second one. The 4 new layouts are basically 2 with a double version each. That is, stacking two identical coil layers in order to multiply by 1.41 the excitation field using the same power, double the number of pick-up coils and minimize the undesired perpendicular magnetic field produce by planar coils. The new layout prototypes had better sensitivity, up to eight times higher, related to the reference one taken from literature. Also the noise measured was smaller in the double layers version. The best one presented more then three times less noise than the reference for a power of Wrms. But all of them presented smaller linear range. All this sensors characteristics where also studied as a function of the applied power, that is directly related to the excitation field.

Foram desenvolvidos sensores magnéticos tipo \\ita miniaturizados, paralelos planos e ortogonais, com os núcleos compostos por ligas ferromagnéticas eletrodepositadas. O foco no desenvolvimento dos sensores paralelos planos foi a redução da complexidade do processo de microfabricação, utilizando apenas uma camada de bobinas. Para isto foram propostos dois leiautes em que as bobinas de excitação e as coletoras foram posicionadas no mesmo plano. Foram então construídos sensores miniaturizados utilizando um processo de microfabricação simplificado com apenas quatro máscaras fotolitográficas e núcleos de NiFe eletrodepositando. Os dispositivos resultantes apresentaram boa linearidade para campos de até 200 ?T, com responsividades máximas de 16 V/T e 8 V/T quando operados com a excitação senoidal e frequência de 100 kHz. O ruído\\ita contidos na faixa de 0,1 a 10 Hz foi estimado em 40 nT e 59 nT. Também foram desenvolvidos sensores tipo \\ita ortogonais. Foi proposto e validado um modelo matemático para o sinal de saída quando este tipo de sensor é operado em constante saturação. Desta maneira a permeabilidade magnética é modulada pela rotação da magnetização, reduzindo os saltos de Barkhausen. Os sensores foram construídos a partir de fios de cobre com diâmetros de 45 e 120 ?m eletrodepositados com ligas de NiFe e NiFeP, e envoltos por um solenoide. Os melhores dispositivos, com núcleo de NiFe, operados no modo de rotação da magnetização apresentaram considerável redução do ruído em relação ao modo convencional. A amostra menos ruidosa foi de 8 nT para 0,55 nT \\ita contidos na faixa de 0,1 Hz a 10 Hz. O preço pago foi uma diminuição na responsividade, de 796 para 211 V/T e o aumento no efeito \\ita, de 2 para 4,5 ?T. / Two kinds of miniaturized fluxgate magnetic sensor have been developed, a planar parallel and an orthogonal one, with electroplated ferromagnetic alloy cores. The development of the parallel one had focus on the overall manufacture complexity reduction. Two planar layouts making use of only one layer of coils were proposed and constructed with a simplified micromachinig process that used only four photolithographic masks. The cores were obtained by electroplating NiFe thought molds. The sensors presented a maximum sensitivity of 16 V/T and 8 V/T, depending on the layout, for a 100 kHz sine excitation. Also the rms noise levels contained in the 0.1-10 Hz range were measured, resulting in 40 nT and 59 nT. It has been also developed some orthogonal fluxgate sensors. The output signal generated by this kind of sensor operated in constant saturation mode was mathematical modeled and experimentally validated. In this case, the core magnetic permeability is no longer modulated by the domain walls movement but rather by the magnetization rotation. The advantage being the suppression of Barkhausen jumps, one of the main sources of noise. The sensors were build using cooper wires with two diameter, 45 and 120 ?m, electroplated with NiFe and NiFeP alloys. The best devices, with NiFe cores, operated in the magnetization rotation mode had their noise levels reduced by a factor of about 10 when compared to the conventional mode. The less noisy sample went from 8 nT to 0.55 nT \\ita contained in the 0,1-10 Hz range. The drawback was a decrease in the sensitivity, from 796 to 211 V/T and an increase in the perming error, from 2 to 4,5 ?T.

Este trabalho trata sobre o desenvolvimento de sensores magnéticos tipo fluxgate baseados em tecnologia planar. O material utilizado como núcleo é baseado em trabalhos anteriores que determinaram os melhores parâmetros de eletrodeposição de ligas de NiFe para esta aplicação. Foram criados dispositivos funcionais mostrando a usabilidade do material. Também foram propostos 4 novos leiautes com o propósito de melhorar características como sensibilidade, preço, consumo de potência e resolução se comparados com sensores similares atuais. Inicialmente somente dispositivos em escala de milímetros foram criados utilizando placas de circuito impresso como substrato e um processo litográfico baseado em toner de impressora a laser. Este processo é muito simples e permite uma rápida ida do desenho ao protótipo em escala macro sem necessitar de equipamentos especiais. Note que ao contrário de macrofluxgates convencionais, estes dispositivos pode ser diretamente escalonados. Estes protótipos fornecerão os dados necessários para a construção de micro sensores otimizados. Para calcular a intensidade do campo magnético ao qual o núcleo está submetido foram feitas simulações de elementos finitos. A pequenas distâncias do plano, menores que a separação entre as espiras e onde o núcleo ferromagnético se situa, o campo é muito influenciado pela periodicidade da bobina, dando origem a um campo com oscilações periódicas de grande amplitude. Os efeitos desta alta inomogeneidade não é bem conhecido. Utilizando as curvas de histerese medida para os filmes de NiFe foram obtidas as curvas de resposta simulada para um fluxgate. A sensibilidade e a região linear em função do campo de excitação também foram simuladas. Enquanto que a sensibilidade tem um máximo para campos pouco mais intensos que o de saturação do material, decrescendo posteriormente, a região linear apresenta um pico para campos excitatórios baixos. O primeiro foi confirmado pelos resultados experimentais que também mostraram evidências do segundo. Os quatro leiautes são basicamente dois tipos com uma versão dupla cada um. Isto é, empilhando duas camadas de bobinas idênticas consegue-se multiplicar por raiz de dois o campo de excitação utilizando a mesma potência e dobrar o número de bobinas coletoras. Os leiautes propostos mostraram melhor sensibilidade, até oito vezes maior, se comparados com uma referência tirada da literatura. Também o ruído foi menor nas versões de dupla camada. O melhor apresentou um ruído menor que 1/3 da referência, ambos com potências de 1 Wrms. Mas todos leiautes propostos tiveram menor região linear. Todas estas características também foram estudadas em função da potência aplicada que está diretamente ligada a amplitude do campo de excitação. / This work present the development of fluxgate magnetic field sensors based on planar technology. The material for the core of the device is based on early works that determined the best NiFe electrodeposition parameters for this application. Functional devices were created proving the usability of the alloy. Also 4 new layouts were proposed in order to build more sensitivity, cheaper, less power consumption and better resolution sensors. Firstly, only macro scale devices were created using printed circuit board as substrate and a laser printer toner based lithography. This process is very simple and allows a fast way from sketch to macro scale prototypes with no need of special equipments. Unlike the conventional macrofluxgates, these devices can be directly scalonable. This prototypes characterization data will be used to produce optimized microsensors. Some finite element simulations computed the magnetic field produced by a square planar coil to predict the intensity that the core is immersed on. At small distances from the coil\'s plane, smaller than the separation between wires, where the core stands, the field is very influenced by the periodicity of the coil giving rise to periodic profiles. The effects of this high inhomogeneity is not well known. Using the measured hysteresis curve from the NiFe films, the simulated response of a fluxgate sensor was obtained. The simulated sensitivity and linear range as a function of the excitation field amplitude showed some unexpected results. While the sensitivity has a maximum with excitation fields just above the core saturation values decreasing later on, the linear range shows a high peak in low field region. The first were confirmed by the experimental data that also showed strong evidences of the existence of the second one. The 4 new layouts are basically 2 with a double version each. That is, stacking two identical coil layers in order to multiply by 1.41 the excitation field using the same power, double the number of pick-up coils and minimize the undesired perpendicular magnetic field produce by planar coils. The new layout prototypes had better sensitivity, up to eight times higher, related to the reference one taken from literature. Also the noise measured was smaller in the double layers version. The best one presented more then three times less noise than the reference for a power of Wrms. But all of them presented smaller linear range. All this sensors characteristics where also studied as a function of the applied power, that is directly related to the excitation field.

Foram desenvolvidos sensores magnéticos tipo \\ita miniaturizados, paralelos planos e ortogonais, com os núcleos compostos por ligas ferromagnéticas eletrodepositadas. O foco no desenvolvimento dos sensores paralelos planos foi a redução da complexidade do processo de microfabricação, utilizando apenas uma camada de bobinas. Para isto foram propostos dois leiautes em que as bobinas de excitação e as coletoras foram posicionadas no mesmo plano. Foram então construídos sensores miniaturizados utilizando um processo de microfabricação simplificado com apenas quatro máscaras fotolitográficas e núcleos de NiFe eletrodepositando. Os dispositivos resultantes apresentaram boa linearidade para campos de até 200 ?T, com responsividades máximas de 16 V/T e 8 V/T quando operados com a excitação senoidal e frequência de 100 kHz. O ruído\\ita contidos na faixa de 0,1 a 10 Hz foi estimado em 40 nT e 59 nT. Também foram desenvolvidos sensores tipo \\ita ortogonais. Foi proposto e validado um modelo matemático para o sinal de saída quando este tipo de sensor é operado em constante saturação. Desta maneira a permeabilidade magnética é modulada pela rotação da magnetização, reduzindo os saltos de Barkhausen. Os sensores foram construídos a partir de fios de cobre com diâmetros de 45 e 120 ?m eletrodepositados com ligas de NiFe e NiFeP, e envoltos por um solenoide. Os melhores dispositivos, com núcleo de NiFe, operados no modo de rotação da magnetização apresentaram considerável redução do ruído em relação ao modo convencional. A amostra menos ruidosa foi de 8 nT para 0,55 nT \\ita contidos na faixa de 0,1 Hz a 10 Hz. O preço pago foi uma diminuição na responsividade, de 796 para 211 V/T e o aumento no efeito \\ita, de 2 para 4,5 ?T. / Two kinds of miniaturized fluxgate magnetic sensor have been developed, a planar parallel and an orthogonal one, with electroplated ferromagnetic alloy cores. The development of the parallel one had focus on the overall manufacture complexity reduction. Two planar layouts making use of only one layer of coils were proposed and constructed with a simplified micromachinig process that used only four photolithographic masks. The cores were obtained by electroplating NiFe thought molds. The sensors presented a maximum sensitivity of 16 V/T and 8 V/T, depending on the layout, for a 100 kHz sine excitation. Also the rms noise levels contained in the 0.1-10 Hz range were measured, resulting in 40 nT and 59 nT. It has been also developed some orthogonal fluxgate sensors. The output signal generated by this kind of sensor operated in constant saturation mode was mathematical modeled and experimentally validated. In this case, the core magnetic permeability is no longer modulated by the domain walls movement but rather by the magnetization rotation. The advantage being the suppression of Barkhausen jumps, one of the main sources of noise. The sensors were build using cooper wires with two diameter, 45 and 120 ?m, electroplated with NiFe and NiFeP alloys. The best devices, with NiFe cores, operated in the magnetization rotation mode had their noise levels reduced by a factor of about 10 when compared to the conventional mode. The less noisy sample went from 8 nT to 0.55 nT \\ita contained in the 0,1-10 Hz range. The drawback was a decrease in the sensitivity, from 796 to 211 V/T and an increase in the perming error, from 2 to 4,5 ?T.

A recent theory describes the fluxgate magnetometer as a modulated inductor. In that theory, hysteresis and demagnetization are implicitly incorporated in the sense-coil inductance, an easily measured quantity. In this thesis, the principle equation of that theory is experimentally tested. Expressions relating the open-circuit and short-circuit output from a fluxgate magnetometer to the magnetic field are derived from the principle equation. In order to test the proposed relations, the writer assembled a ring-core fluxgate a computer-controlled current source to drive the fluxgate, and circuits required to monitor the open-circuit and short-circuit output signals, initial tests showed that the integrated open-circuit output voltage from the fluxgate is proportional to the magnetic field. The constant of proportionality is simply the product of the length-to-turns ratio of the sense-coil and the maximum change in the sense-coil inductance caused the drive current. This result was correctly predicted by the aforementioned fluxgate equation. Test results from the short-circuit experiment were also correctly predicted by the fluxgate equation. Therefore, experimental data is provided that supports the validity of the fluxgate equation. The same fluxgate theory is used to predict specific values of drive current parameters that maximize the fluxgate output signal. The computer-controlled current source was used to generate a bipolar square-pulse waveform with an adjustable amplitude, frequency, and duty cycle. A sinusoidal drive waveform was also used. Experimental data confirm the validity of all the predicted relations, and thus, provide substantial support for theoretical work that has been recently published. As a final application, the fluxgate theory was used to quantify the behavior of a ring-core fluxgate immersed in a magnetic fluid. A fluxgate was put in magnetic fluid in an attempt to discover if the fluxgate responds primarily to the ambient flux density, and consequently, to determine whether the output signal could be enhanced by simply placing the sensor in a container filled with magnetic fluid, The experiment was terminated when inductance measurements taken on the immersed sensor showed that stray flux from the toroidal drive-coil significantly altered the permeability of the magnetic fluid, and thus altered the calculated values of flux density in the magnetic fluid. / Science, Faculty of / Earth, Ocean and Atmospheric Sciences, Department of / Graduate

No description available.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 198-214).

This diploma thesis deals with selection, construction and realization of measuring device of magnetostatic field and description of the basic laws used in magnetism. It also describes principles and functions of particular sensors and probes curently used for measuring of magnetic fields, especially fluxgate magnetometer, which has been constructed. The result of this work is a particular realisation of measuring device with functional testing measurements.

No description available.

Banded iron formations (BIFs) are iron oxide- and silica-rich chemical sedimentary rocks and the principal source of high-grade (HG) iron ore. Magnetic survey methods are commonly applied in the exploration for BIF-hosted iron ore deposits but the interpretation of total magnetic intensity (TMI) data is often complicated by the presence of strong remanent magnetization and anisotropy of magnetic susceptibility (AMS). This study evaluated a tri-axial fluxgate vector magnetometer system for ground-based high-resolution mapping of BIF-hosted HG iron ore deposits at a 16 ha site near Mary River, Baffin Island. Magnetometer orientation was measured using a MEMS (Micro Electro-Mechanical System) accelerometer and dual D-GPS receivers. 12-oriented block samples were collected for analysis of rock magnetic properties and supplemented with outcrop measurements using a hand-held susceptibility probe. The large (3 Gauss) dynamic range of the tri-axial vector magnetometer permitted mapping of HG magnetite ore zones, with TMI in excess of 400,000 nT. A 20 m-wide W-E trending HG zone and a narrow (<10 m) BIF zone were identified in RMV maps with distinctive dipole signatures. Within the HG zone a northwest-southeast oriented magnetic fabric was defined by linear magnetic lows that offset the strike of the HG ore zone and were interpreted as brittle faults or shear zones. The RMV orientation indicated the presence of strong bedding parallel magnetization, while its signal amplitude showed a wide variation between ore types and provided basis for ore grade differentiation. Paleomagnetic measurements revealed high Q ratios for hematite ores and strong AMS for BIF. The results from Mary River demonstrate that remanence and AMS effects are important in BIF-hosted iron ores and cannot be neglected in magnetic interpretation and inversion modelling of magnetic source bodies. / Thesis / Master of Science (MSc)