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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-07042010-134959 |
| Date | 26 February 2010 |
| Creators | Heimfarth, Tobias |
| Contributors | Mulato, Marcelo |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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