BRPI0902770A2

BRPI0902770A2 - transdutor de campo magnético, método de medição de campo magnético, aparato compreendendo circuito eletrÈnico de condicionamento e leitura

Info

Publication number: BRPI0902770A2
Application number: BRPI0902770-0A
Authority: BR
Inventors: Elisabeth Costa Monteiro; Carlos Roberto Hall Barbosa; Gusmao Luiz Antonio Pereira De; Silva Eduardo Costa Da; Flavia Maria Pompeia Cavalcanti; Fernando Luis De Araujo Machado; Daniel Ramos Louzada
Original assignee: Faculdades Catolicas Mantenedo
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-11-23
Also published as: WO2010094096A1; WO2010094096A8; BRPI1008608A2; BRPI1008608B1

Abstract

TRANSDUTOR DE CAMPO MAGNéTICO, MéTODO DE MEDIçáO DE CAMPO MAGNéTICO, APARATO COMPREENDENDO CIRCUITO ELETRÈNICO DE CONDICIONAMENTO E LEITURA. A presente invenção pertence ao campo dos transdutores, permitindo a medição de campos magnéticos. O transdutor da presente invenção baseia-se nas características de variação de magnitude da Magnetoimpedância Gigante. A presente invenção compreende ainda um aparato compreendendo o tal transdutor e um método de medição de campo magnético, com aplicações biomédicas.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Transdutor de Campo Magnético, Método de Medição deCampo Magnético, Aparato Compreendendo Circuito Eletrônicode Condicionamento e Leitura

Campo da Invenção

A presente invenção pertence ao campo dos transdutores, permitindo amedição de campos magnéticos. O transdutor da presente invenção baseia-senas características de variação de magnitude da Magnetoimpedância Gigante.A presente invenção compreende ainda um aparato compreendendo o taltransdutor e um método de medição de campo magnético, com aplicaçõesbiomédicas.

Antecedentes da Invenção

A importância da Magnetoimpedância Gigante (GMI) no cenáriocientífico mundial tem aumentado e vários laboratórios estão empreendendopesquisas promissoras em várias áreas de aplicação. Um exemplo recente foia concessão do Prêmio Nobel em Física para os pesquisadores Albert Fert ePeter Grünberg que descobriram a magneto-resistência gigante(GMR).

O efeito da Magnetoimpedância Gigante começou a ser estudadointensamente na década de 90. Os primeiros resultados obtidos em taisestudos foram interpretados como uma variação do efeito daMagnetoresistência Gigante cujo comportamento experimental é examinadocom a aplicação de uma corrente contínua e da presença de um campomagnético contínuo. O efeito GMR apenas considera a variação da resistência,e o fenômeno é explicado pela mudança do movimento de elétrons quando nósagimos em seus spins através da orientação da magnetização. Entretanto,experimentos realizados com amostras de ligas ferromagnéticas usandocorrente alternada, mostraram uma variação da parteresistiva com relação a ambos, o campo magnético externo e a freqüência dacorrente aplicada. De onde, vem o nome GMI.

A presente invenção é focada em um caso particular deMagnetoimpedância Gigante chamada Magnetoimpedância Longitudinal (LMI). Ofenômeno da LMI é induzido através da aplicação de uma corrente alternada (I) aolongo do comprimento de uma fita (ou fio) que é submetida a um campomagnético externo (H) paralelo à mesma. A diferença de potencial (V) é entãomedida entre as extremidades da fita como mostrado na Figura 1.

Usando a descrição de fase da tensão AC e corrente, bem como arbitrandoa fase da corrente (<j>\) como zero, a impedância da amostra pode ser calculadacomo:

<formula>formula see original document page 3</formula>

Assim, a impedância complexa (Z) é definida por dois componentes, umreal e um imaginário:

<formula>formula see original document page 3</formula>

Onde

<formula>formula see original document page 3</formula>

O efeito GMI é na verdade um resultado da dependência da profundidadeda pele com a permeabilidade magnética, que varia não apenas com o campomagnético externo que é aplicado na amostra, mas também com a freqüência eintensidade da corrente que passa através do mesmo. Então, genericamente, deacordo com a literatura, pode-se definir:

<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula>

Onde Lê o comprimento e t é a espessura da fita, co é a freqüência dacorrente e a é a condutividade do material.

Dispositivos baseados no fenômeno da Magnetoimpedância Gigante (GMI)são apresentados na literatura em aplicações destinadas à medição de camposmagnéticos. Nessas descrições, utiliza-se normalmente a característica devariação da magnitude da impedância do dispositivo, quando o mesmo ésubmetido a um campo magnético externo tangencial. O transdutor objeto dapresente invenção baseia-se, alternativamente, na característica de variação dafase da impedância do dispositivo GMI.

A presente invenção apresenta melhorias introduzidas nos transdutoresanteriores quando as características de fase das amostras GMI começaram a serconsideradas no lugar da magnitude.

Os documentos US 5,831,432 e US 6,831,457 descrevem sensores decampos magnéticos baseados em elementos de magneto-impedância, capazes dedetectar campos magnéticos pequenos. A presente invenção difere destesdocumentos por apresentar um sensor de campo magnético baseado na variaçãoda fase da impedância

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontradosdocumentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, deforma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente aoestado da técnica.

Sumário da Invenção

Em um primeiro aspecto, a presente invenção descreve um transdutor decampo magnético baseado na variação de fase do efeito GMI.É, portanto, um objeto da presente invenção um transdutor de campomagnético compreendendo:

- elementos sensores;

- campo de polarização; e

- meios de excitação dos elementos sensores.

É um adicional objeto da presente invenção um aparato compreendendo otransdutor do circuito eletrônico capaz de realizar a leitura da variação de fase doelemento sensor, quando o mesmo é submetido a um campo magnético externo.

É um adiconal objeto da presente invenção um método de medição decampo magnético compreendendo as etapas de:

a) submeter um sensor a um campo magnético externo; e

b) realizar a leitura da variação de fase do sensor.

Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelosversados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serãodescritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 mostra um circuito eletrônico de condicionamento e leitura defase.

A Figura 2 mostra a magnitude da impedância de uma fita GMI de 15 cmsubmetida a uma corrente contínua de 80 mA.

A Figura 3 mostra a magnitude da impedância de uma fita GMI de 3 cmsubmetida a uma corrente contínua de 80 mA.

A Figura 4 mostra a fase da impedância de uma fita GMI de 15 cmsubmetida a uma corrente contínua de 80 mA.

A Figura 5 mostra a fase da impedância de uma fita GMI de 3 cm submetidaa uma corrente contínua de 80 mA.

Descrição Detalhada da InvençãoOs exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar umadas inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, o escopoda mesma.

Comparativamente aos transdutores baseados em variação de módulo, otransdutor desenvolvido oferece a vantagem de apresentar maior sensibilidade emaior linearidade quando operado em freqüências de excitação mais baixas.

Estudos realizados indicaram que dispositivos GMI apresentam umavariação das características de fase tão ou mais significativa quanto às jáconhecidas variações em magnitude da impedância. Esses estudos envolveram amedição do comportamento da impedância de dispositivos de comprimentosdiferentes, submetidos a condições de excitação (CA e CC) diversas eimplementados segundo disposições físicas variadas.

Transdutor de Campo Magnético

O transdutor de campo magnético da presente invenção é um transdutorque compreende:

- elementos sensores;

- campo de polarização; e

- meios de excitação dos elementos sensores.

Os elementos sensores podem estar dispostos de diversas formas, comopor exemplo, em um plano, em um anel, dispostos de forma plana ouperpendiculares entre si e ainda em uma configuração de sanduíche.

Os elementos sensores são materiais feitos de ligas metálicas como ligasferro/cobre, ferro/alumínio, Co7OFe5Sii5Bi0. Ele apresenta formatopreferencialmente de fita, com espessura de 30 a 90 mm, preferencialmente60mm, largura de 0,5 a 2,0 mm, preferencialmente 1,5 mm e comprimento de 1 a20 cm, preferencialmente entre 3 e 15 cm.

A escolha do comprimento adequado varia em função da sensibilidade defase desejada, uma vez que a sensibilidade aumenta para comprimentos menoresde fitas.O meio de excitação compreende fontes de energia, como correntesalternadas e/ou contínuas.

Aparato Compreendendo o Transdutor de Campo Magnético

O aparato compreendendo o transdutor é um aparato compreendendo umcircuito eletrônico capaz de realizar a leitura da variação de fase do elementosensor, quando o mesmo é submetido a um campo magnético externo.

Em uma realização preferencial, o aparato compreende um circuitoeletrônico conforme Figura 1, e, por ser desenhado a detectar pequenas variaçõesde fase, o circuito deve ser implementado com elementos rápidos, como porexemplo, uma porta lógica, preferencialmente uma porta lógica XOR.

O circuito da Figura 1 pode ser utilizado em um aparato para detecção deobjetos metálicos no corpo de um paciente. Um circuito similar pode ser utilizadopara determinação das ondas de pulso arterial.

Devido ao fato da sensibilidade de fase ser obtida em freqüênciasrelativamente pequenas (100 kHz), a implementação de circuitos eletrônicos decondicionamento é facilitada, constituindo uma vantagem adicional da presenteinvenção. O circuito idealizado é capaz de condicionar a fita, fornecendo acorrente AC (com a freqüência e magnitude apropriadas) e o nível DCespecificado. Também entrega uma saída de voltagem que é proporcional àvariação de fase das fitas (A0).

Exemplo 1. Avaliação da sensibilidade das fitas em relação à correntePC: Caracterização da Fase e Magnitude

Estudos levaram à conclusão de que as fitas apresentaram um máximo desensibilidade para correntes DC ao redor de 80 mA, independentemente do seucomprimento ou da freqüência da corrente AC. Medidas foram acompanhadascom correntes DC de 0 mA, 20 mA, 40 mA, 60 mA e 80 mA.Todas as medidas foram feitas na liga em forma de fita Co7OFe5Sii5B10 comuma espessura média de 60 mm e uma largura média de 1,5 mm. A magnitude dacorrente AC foi mantida em 15 mAp porque tem sido previamente visto que talvariável não afeta o comportamento da fita significantemente.

As figuras 2 e 3 exemplificam, respectivamente, os resultados decaracterização da magnitude obtidos com fitas de comprimentos 15 cm e 3cm(usando uma corrente DC de 80mA), onde Z0 é o valor da magnitude no caso deum campo magnético externo nulo paralelo ao comprimento da fita.

A melhor sensibilidade de magnitude obtido com a fita de 15 cm decomprimento foi 12,9 Q /Oe a 80 mA e 10MHz. Apesar do maior valor desensibilidade acontecer para o maior valor de freqüência testada, foi notado quecomeçando com 10 MHz, a sensibilidade começa a saturar.

As figuras 4 e 5 mostram respectivamente, os resultados da caracterizaçãode fase de fitas de 15 e 3 cm de comprimento quando dirigidas por uma correnteDC de 80mA. B0 é o valor de fase no caso de um campo magnético externo nuloparalelo ao comprimento da fita.

A melhor sensibilidade de fase obtida com a fita de 15 cm de comprimentofoi 17 QIOe a 80 mA e 10MHz, e para a fita de 3cm de comprimento foi 9 Q/Oe a80mAe 100kHz.

Para uma comparação entre a performance das fitas com diferentescomprimentos, o valor de sensibilidade da fita de 3 cm deve ser multiplicado porcinco. Se isto é feito, a sensibilidade da magnitude da fita de 15 cm decomprimento será cerca de 2,9 vezes maior que aquela triplicada, enquanto asensibilidade de fase das fitas de 3 cm em cascata será ao redor de 2,6 vezesmaior que a maior. Em outras palavras, a sensibilidade de fase é melhorada paracomprimentos de fita menores enquanto a sensibilidade da magnitude é reduzidaà medida que o comprimento reduz. Isto é claramente uma vantagem para aaplicação biomédica onde, em geral, é muito conveniente trabalhar com osmenores elementos sensores possíveis, para ter a melhor resolução espacial.

Uma vez que o objetivo final é medir pequenos campos magnéticos, umaporta lógica da família XOR com atraso de propagação de 260ps foi adotado.

Simulação dos resultados

Alguns estudos de simulação do circuito completo do transdutor foram feitoscom a ajuda do programa SPICE. As fitas sensoras GMI foram modeladas comouma resistência em série com uma indutância. Os resultados mostrados na Tabela1 foram obtidos pelos transdutores baseados nas características de fase GMI. Osnovos transdutores, baseados nas características de fase GMI, apresentam umaumento significante na sensibilidade quando comparados com aqueles baseadosnas características de magnitude, aproximadamente 38 vezes para o detector decorpos magnéticos e 13 vezes para as medidas de onda de pulso arterial.

Tabela 1

<table>table see original document page 9</column></row><table>

Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados epoderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outrosvariantes, abrangidos no escopo das reivindicações anexas.

Claims

Transdutor de Campo Magnético, Método de Medição de CampoMagnético, Aparato Compreendendo Circuito Eletrônico deCondicionamento e Leitura

1. Transdutor de campo magnético caracterizado por compreender:- elementos sensores;- campo de polarização;- meios de excitação dos elementos sensores.

2. Transdutor de campo magnético de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelos elementos sensores estarem dispostos nas formas de umplano, um anel, dispostos de forma plana ou perpendiculares entre si ou emuma configuração de sanduíche.

3. Transdutor de campo magnético de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelos elementos sensores serem materiais feitos de ligasmetálicas escolhidas do grupo que compreende ligas ferro/cobre,ferro/alumínio, Co7oFe5Si15Bio e combinações das mesmas.

4. Transdutor de campo magnético de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelos elementos sensores apresentarem formato de fita, comespessura de 30 a 90 mm, largura de 0,5 a 2,0 mm e comprimento entre 1 a 20 cm.

5. Transdutor de campo magnético de acordo com a reivindicação 4,caracterizado por apresentar formato de fita, com espessura de 60 mm, largurade 1,5 mm e comprimento entre 3 e 15 cm.

6. Transdutor de campo magnético de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo meio de excitação compreender fontes de energia decorrentes alternadas e/ou contínuas

7. Aparato compreendendo um transdutor do circuito eletrônicocaracterizado por compreender um circuito eletrônico o qual contém um transdutorde campo magnético que compreende:- elementos sensores;- campo de polarização; e- meios de excitação dos elementos sensores.

8. Aparato de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreenderum circuito eletrônico capaz de detectar variações de fase de até 10 MHz.

9. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pela variação defase ser de até 100 kHz.

10. Aparato de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por serimplementado com uma porta lógica.

11. Aparato de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela portalógica ser uma porta lógica XOR.

12. Método de medição de campo magnético caracterizado porcompreender as etapas de:a) submeter um sensor a um campo magnético externo; eb) realizar a leitura da variação de fase do sensor.