BRPI1008608B1 - transdutor de campo magnético e/ou pressão, método de medição de campo magnético e método de medição de pressão - Google Patents

Abstract

métodos de medição e transdutores de campo magnético e pressão, baseados nas características de fase do efeito gmi. a presente invenção pertence ao campo dos transdutores, permitindo a medição de campo magnético e pressão. o transdutor da presente invenção baseia-se nas características de variação de fase da magnetoimpedância gigante (gmi). a presente invenção compreende ainda um método para medição de campo magnético e pressão a partir das características de fase do fenômeno gmi.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Transdutor de Campo Magnético e/ou Pressão, Método de Medição de Campo Magnético e Método de Medição de Pressão.

Campo da Invenção

A presente invenção pertence ao campo dos transdutores, permitindo a medição de campo magnético e pressão. o transdutor da presente invenção baseia-se nas características de variação de fase da Magnetoimpedância Gigante (GMi). A presente invenção compreende ainda um método para medição de campo magnético e pressão a partir das características de fase do fenômeno GMI.

Antecedentes da Invenção

A importância da Magnetoimpedância Gigante (GMI) no cenário científico mundial tem aumentado e diversos laboratórios estão empreendendo pesquisas promissoras em várias áreas de aplicação. um exemplo recente foi a concessão do Prêmio Nobel em Física em 2007 para os pesquisadores Albert Fert e Peter Grünberg que descobriram a Magnetoresistência Gigante (GMR).

O efeito da Magnetoimpedância Gigante começou a ser estudado intensamente na década de 1990. Os primeiros resultados obtidos em tais estudos foram interpretados como uma variação do efeito da Magnetoresistência Gigante, cujo comportamento experimental é examinado com a aplicação de uma corrente contínua e da presença de um campo magnético contínuo. O efeito GMR considera, apenas, a variação da resistência, e o fenômeno é explicado pela mudança do movimento dos elétrons quando seus spins são alterados por meio da orientação da magnetização. Entretanto, experimentos realizados com amostras de ligas ferromagnéticas usando corrente alternada mostraram uma variação tanto da parte resistiva quanto da parte reativa, ambas com relação ao

Petição 870190116327, de 11/11/2019, pág. 9/15

2/23 campo magnético externo e à freqüência da corrente aplicada, dando origem ao nome GMI.

Os pesquisadores da presente invenção focaram em um caso particular de Magnetoimpedância Gigante chamada Magnetoimpedância Longitudinal (LMI). O fenômeno da LMI é induzido por meio da aplicação de uma corrente alternada (I) ao longo do comprimento de uma fita (ou fio) que é submetida a um campo magnético externo (ff) paralelo à mesma. A diferença de potencial (V) é então medida entre as extremidades da fita, como mostrado na Figura 1.

Usando a descrição de fase da tensão e corrente alternadas, bem como arbitrando a fase da corrente ($q) como zero, a impedância da amostra pode ser calculada como:

Z= (1)

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

Z=R+jX (2)

Onde

R-|z|cos^ _e X=|z|sin^ (3)

O efeito GMI é na verdade um resultado da dependência da profundidade de penetração da corrente {skin depth) com a permeabilidade magnética transversal (μ_{), que varia não apenas com o campo magnético externo aplicado à amostra, mas também com a freqüência e a intensidade da corrente que passa através da mesma. Então, genericamente, de acordo com a literatura, pode-se definir /--(!-).......^{L 1}

2ωσδ i__e ^(l

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Γ~^ y 2πωμ_ζσ (5) onde Léo comprimento e t é a espessura da fita, ω é a freqüência da corrente e σ é a condutividade elétrica do material.

As curvas de GMI, indicando a variação da impedância com o campo magnético externo H, são geralmente simétricas em relação a este campo. Contudo, deve-se destacar que certas condições favorecem o aparecimento de uma assimetria nas curvas GMI, denominada Magnetoimpedância Gigante Assimétrica (AGMI). Apesar de nem todas as causas da AGMI serem conhecidas, três fatores se destacam na literatura: (a) corrente CC, (b) campos magnéticos CA e (c) “Exchange bias”.

Entretanto, como será visto nas seções posteriores, os pesquisadores da presente invenção buscaram induzir AGMI apenas por corrente CC, ou seja, a superposição de corrente CA (necessária para o efeito GMI) a níveis arbitrários de corrente CC (necessária para o efeito AGMI). Desse modo, consegue-se alterar significativamente a forma das curvas GMI em função do campo magnético.

Por meio da AGMI, consegue-se aumentar tanto a sensibilidade de módulo (d\Z\/dH) quanto a de fase (dQ/dH). Essa assimetria é caracterizada pelo incremento de um dos picos (ou vales) em detrimento do outro.

Destaca-se, ainda, que por conveniência, e por ser o sistema comumente utilizado na literatura a respeito do efeito GMI, os resultados são apresentados no Sistema de Unidades CGS. Assim, a Tabela 1 apresenta as unidades de algumas grandezas magnéticas de interesse e suas conversões para o Sistema Internacional (SI).

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Tabela 1. Sistema de Unidades

Grandeza	Representação	CGS	Sl	Conversão
Densidade de Fluxo Magnético	B	gauss (G)	Tesla (T)	1 G = 10‘4T
Campo Magnético	H	oersted (Oe)	A/m	1 Oe = 1/4π x 103 A/m

Sabe-se, também, que a relação entre a densidade de fluxo magnético (B) e o valor do campo magnético (H) é estabelecida por:

Β[Τ]=_Αο/φ4/™| (6)

Onde: y₀ é a permeabilidade magnética do vácuo (4π x 10’⁷H/m).

Conseqüentemente, no vácuo, tendo em vista a tabela 1, tem-se que:

B[G]=//[Oe] (7)

Dispositivos baseados no fenômeno da Magnetoimpedância Gigante (GMI) são apresentados na literatura tanto em sua aplicação mais direta, ou seja, detecção de campo magnético, como em outras aplicações, as quais, em geral, associam uma variação da grandeza que se deseja medir às variações do campo magnético ao qual os elementos sensores (fitas ou fios) GMI estão submetidos. Nessas descrições, utiliza-se geralmente a característica de variação do módulo da impedância do dispositivo, quando o mesmo é submetido a um campo magnético externo longitudinal - no caso da LMI.

Os transdutores e métodos, objetos da presente patente, baseiam-se, alternativamente, na característica de variação da fase da impedância do dispositivo GMI, introduzindo, assim, melhorias quando comparados aos dispositivos baseados nas características de módulo, conforme descrito mais adiante no ÈxempTo 1. Esse mesmo exemplo permite conctuir sobre a utilização da fase do efeito GMI na detecção de campo magnético.

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Por sua vez, no Exemplo 2 são apresentadas as configurações estruturais que possibilitam a medição de pressão, as quais se diferenciam daquelas destacadas na literatura, permitindo ganhos na sensibilidade, bem como a possibilidade de ajustes de sensibilidade e fundo de escala, por meio de fontes magnéticas variáveis.

O documento Pl 0902770-0, depositado em 17/02/2009, descreve um método, transdutor e circuito eletrônico destinados à detecção de campos magnéticos.

Ainda, a presente invenção difere dos demais métodos e transdutores de detecção de campo magnético e pressão por utilizar o fenômeno GMI, mais especificamente, as características de fase do mesmo, como parte do processo de transdução, o que possibilita, por exemplo, o aumento de sensibilidade e a possibilidade de trabalhar-se em freqüências mais baixas (em relação àqueles baseados no módulo do efeito GMI), característica que facilita a implementação do circuito eletrônico de condicionamento.

Os documentos US 5,831,432 e US 6,831,457 descrevem sensores de campos magnéticos baseados em elementos de magneto-impedância, capazes de detectar campos magnéticos pequenos. A presente invenção difere destes documentos por apresentar um sensor de campo magnético baseado na variação da fase da impedância do efeito GMI, ao invés do módulo da impedância como nos sensores apresentados nos documentos anteriormente mencionados. A utilização da fase possibilita as vantagens mencionadas ao longo do texto.

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

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Sumário da Invenção

Em um primeiro aspecto, a presente invenção descreve métodos de medição (campo magnético e pressão) e transdutores (campo magnético e pressão) nos quais se utilizam as características de fase do efeito GMI.

É, portanto, objeto da presente invenção um transdutor de campo magnético compreendendo:

- elementos sensores baseados nas características de fase do efeito GMI;

- gerador de campo magnético de polarização;

- meios de excitação e leitura dos elementos sensores.

E também um transdutor de pressão que utiliza-se do transdutor magnético em seu processo de transdução, compreendendo:

- elementos sensores baseados nas características de fase do efeito GMI ;

- gerador de campo magnético de polarização;

- meios de excitação e leitura dos elementos sensores;

- estrutura compreendendo os elementos acima mencionados, bem como membrana elástica, câmara e membrana semi-rígida; dispostos p.ex como na figura 2, e

- transdutor magnético e seu circuito eletrônico, baseado nas características de fase do efeito GMI.

Em um segundo aspecto destacam-se os métodos de medição. O método de medição de campo magnético compreende as etapas de:

a) dispor os elementos sensores de forma apropriada: em um plano, em um anel ou ainda dispostos em paralelo ou perpendiculares entre si;

b) excitar os elementos sensores com corrente CA superposta, ou não, a níveis CC, por meio de um circuito capaz de realizar tal condicionamento;

c) polarizar os elementos sensores com um campo magnético de polarização, com auxílio de um gerador de campo magnético;

d) submeter os sensores a um campo magnético externo (H_ext), o qual é o campo que se deseja medir;

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e) realizar a leitura da variação de fase do sensor; e

f) determinar o valor do campo magnético ao qual o mesmo está submetido, pela leitura do circuito eletrônico, expressa em Volts, dividida pela sensibilidade do mesmo (S [V/Oe]).

Por sua vez, o método de medição de pressão, tendo em vista a figura 2, pressupõe que uma variação de pressão (ΔΡ) aplicada sobre a membrana semirígida seja transmitida pela câmara incompressível e gere, consequentemente, um deslocamento da membrana elástica. Essa, por sua vez, faz com que a fonte de campo magnético (p. ex. ímã permanente ou solenóide) se desloque, aproximando-se ou afastando-se da fita GMI, provocando uma variação do campo magnético sobre ela. Essa variação de campo altera as características de fase da fita, gerando um ΔΘ que, finalmente, é convertido pelo circuito eletrônico (figura 3) em uma tensão CC relacionada à variação de pressão original ΔΡ.

De forma mais específica, o método de medição de pressão compreende as etapas de:

a) excitar os elementos sensores com corrente CA superposta, ou não, a níveis CC , por meio de um circuito capaz de realizar tal condicionamento;

b) definir a variação máxima do campo magnético gerado pela fonte de campo móvel, da situação de pressão nula até o fundo de escala;

c) polarizar os elementos sensores de forma a manter os mesmos em sua região de trabalho, com um campo magnético de polarização, definido como a superposição do campo gerado por uma fonte fixa de campo magnético e uma fonte móvel de campo magnético (presa à membrana elástica);

d) submeter a membrana semi-rígida a uma variação de pressão(AP);

e) realizar a leitura da variação de fase do sensor; e

f) determinar, por meio dessa (item e), a variação de pressão.

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É um adicional objeto da presente invenção um aparato compreendendo o circuito eletrônico dos transdutores (em especial os circuitos ilustrados nas figuras 3 e 4) capaz de excitar e realizar a leitura da variação de fase do elemento sensor.

Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e são descritos mais adiante neste documento, em detalhes suficientes para sua reprodução.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 mostra uma Medição Típica do efeito GMI.

A Figura 2 mostra o desenho esquemático da estrutura do transdutor de pressão, onde: (1) Membrana Semi-Rígida; (2) Câmara Incompressível; (3) Membrana Elástica; (4) Fonte Magnética Móvel (Excitação das Fitas); (5) Fonte Magnética Fixa (Ajuste do campo de polarização) e (6) Fita GMI.

A Figura 3 mostra o Circuito Eletrônico de Condicionamento e Leitura.

A Figura 4 mostra o Circuito Eletrônico Diferencial de Condicionamento e Leitura.

A Figura 5 mostra o Campo Magnético gerado por um solenóide (escala logarítmica), sendo H_máx= 481 Oe e H_min = 2,84 Oe.

A Figura 6 mostra a variação do módulo da impedância, em função do campo magnético longitudinal, de uma fita GMI de 15 cm, submetida a uma corrente contínua de 80 mA.

A Figura 7 mostra a variação do módulo da impedância, em função do campo magnético longitudinal, de uma fita GMI de 3 cm, submetida a uma corrente contínua de 80 mA.

A Figura 8 mostra a variação da fase da impedância, em função do campo magnético longitudinal, de uma fita GMI de 15 cm, submetida a uma corrente continua de 80 mA.

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A Figura 9 mostra a variação da fase da impedância, em função do campo magnético longitudinal, de uma fita GMI de 3 cm, submetida a uma corrente contínua de 80 mA.

A Figura 10 mostra a variação da fase da impedância, em função do campo magnético longitudinal, de uma fita GMI de 15 cm, submetida a uma corrente CA de freqüência 10 MHz.

A Figura 11 mostra a Componente (H_x) do campo magnético em função da distância (y) ao centro do solenóide.

A Figura 12 mostra a Componente (H_x) do campo magnético ao longo do comprimento da fita (x).

A Figura 13 mostra o Campo magnético de polarização (H_poi) ao longo do comprimento da fita (x).

Descrição Detalhada da Invenção

Sem limitar o escopo da invenção, exemplos das inúmeras maneiras de se realizá-la são apresentados a seguir.

Ao longo do texto, convencionou-se chamar de “região de trabalho” à região de baixos valores de campo magnético (poucos oersteds) das curvas características de fase ou módulo da impedância do efeito GMI em função do campo magnético externo longitudinal ao comprimento das fitas (elementos sensores), na qual se verifiquem elevados valores de sensibilidade e boa linearidade.

Comparativamente aos transdutores baseados na variação de módulo de amostras GMI, o transdutor desenvolvido com base nas características de fase oferece a vantagem de apresentar maior sensibilidade e maior linearidade quando operado em freqüências de excitação mais baixas.

Estudos realizados no Laboratório de Biometrologia da PUC-Rio indicaram que dispositivos GMI apresentam uma variação das características de fase tão ou mais significativa que as já conhecidas variações de módulo (magnitude) da

10/23 impedância. Esses estudos envolveram a medição do comportamento da impedância de dispositivos de comprimentos diferentes, submetidos a condições de excitação (CA e CC) diversas e implementados segundo disposições físicas variadas.

Na área biomédica, destacam-se como exemplos de aplicações do transdutor de campo magnético: a detecção de objetos metálicos no corpo de um paciente, a detecção de campos biomagnéticos (p. ex. o campo magnético do coração - Magnetocardiografia (MCG)), entre outros. Por sua vez, as aplicações do transdutor de pressão englobam o registro de ondas de pulso arterial, a medição da velocidade da onda de pulso (VOP), etc.

Deve-se enfatizar que os transdutores e métodos apresentados possuem um extenso campo de aplicação. Ou seja, apesar dos mesmos terem sido desenvolvidos objetivando solucionar problemas biomédicos, nota-se que eles podem ser utilizados em outras aplicações que demandem elevada sensibilidade para detecção de sinais de campo magnético ou de pressão. Ressalta-se, por exemplo, no caso do transdutor magnético, sua utilização como Detector de Anomalia Magnética (Magnetic Anomaly Detector - MAD) cujas aplicações envolvem a localização de reservatórios de petróleo e/ou de minérios.

Transdutores Baseados na Fase do Efeito GMI

Os elementos sensores são constituídos por ligas metálicas amorfas, portadoras do efeito GMI, contendo, por exemplo, Ferro, Cobalto, Boro e Silício. Eles apresentam formato preferencialmente de fita, com espessura de 10 a 90 pm, preferencialmente 60 pm, largura de 0,1 a 2,5 mm, preferencialmente 1,5 mm e comprimento de 0,1 a 20 cm, preferencialmente entre 3 e 15 cm.

Os meios de excitação podem ser quaisquer geradores conhecidos do estado da técnica, compreendendo fontes de energia, como correntes alternadas e/ou contínuas, fontes magnéticas como enrolamentos solenoidais com ou sem núcleos ferromagnéticos e ímãs permanentes. Ainda, os elementos sensores devem ser excitados (condicionados) por uma corrente CA (amplitudes entre 500

11/23 μΑ e 50 mA; e freqüências entre 10kHz e 20MHz) e CC (entre 0 mA e 100 mA), a qual pode ser gerada, por exemplo, pelos circuitos apresentados nas figuras 3 e 4.

A escolha do comprimento adequado dos elementos sensores varia em função da sensibilidade de fase desejada. Entretanto, no caso do transdutor de pressão, o comprimento das fontes magnéticas (móvel e fixa, conforme figura 2) dependerá, essencialmente, do tamanho dos elementos sensores GMI, sendo que as fontes devem, preferencialmente, possuir um comprimento superior ao dos elementos sensores. Objetiva-se que o campo magnético sobre os elementos sensores seja o mais paralelo possível em relação ao comprimento dos mesmos, pois as fitas GMI utilizadas são do tipo LMI.

Em seguida se apresenta as particularidades de cada transdutor.

a) Transdutor de Campo Magnético

O transdutor de campo magnético da presente invenção compreende:

- elementos sensores baseados nas características de fase do efeito GMI;

- gerador de campo magnético de polarização;

- meios de excitação e leitura dos elementos sensores.

Os elementos sensores podem estar dispostos de diversas formas, em função de sua finalidade, como por exemplo, em um plano (detecção das componentes do campo magnético paralelas à direção de propagação da corrente de excitação nas fitas GMI), em um anel (detecção da integral do campo magnético ao longo do anel) e ainda dispostos em paralelo ou perpendiculares entre si.

b) Transdutor de Pressão

O transdutor de pressão da presente invenção compreende:

- elementos sensores baseados nas características de fase do efeito GMI ;

- gerador de campo magnético de polarização;

- meios de excitação e leitura dos elementos sensores;

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- estrutura compreendendo os elementos acima mencionados, bem como membrana elástica, câmara e membrana semi-rígida; dispostos p.ex como na figura 2, e

- transdutor magnético e seu circuito eletrônico, baseado nas características de fase do efeito GMI.

Os elementos sensores devem estar dispostos de forma a garantir que o campo magnético gerado pelas fontes magnéticas (apresentadas na figura 2) seja, idealmente, uniforme e paralelo ao comprimento dos mesmos. Porém, tendo em vista a figura 5, percebe-se que, para atender essa condição, dever-se-ia posicionar as fontes magnéticas a uma distância muito grande das fitas ou fazer com que o comprimento dessas fosse muito superior ao das fitas. Tendo em vista que essa condição ideal é inviável na prática, deve-se garantir, apenas, que a componente paralela ao comprimento das fitas do campo magnético resultante (campo de polarização) gerado pelas fontes (fixa e móvel), faça com que todos os pontos ao longo do comprimento das fitas operem dentro dos limites da região de trabalho.

Métodos de Detecção

a) Medição de campo magnético

O método de medição do campo magnético de acordo com a presente invenção é um método que compreende as etapas de:

a) dispor os elementos sensores de forma apropriada, tendo em vista sua finalidade, ou seja, em um plano (detecção das componentes do campo magnético paralelas à direção de propagação da corrente de excitação nas fitas GMI), em um anel (detecção da integral do campo magnético ao longo do anel) ou ainda dispostos em paralelo ou perpendiculares entre si;

b) excitar os elementos sensores com corrente CA superposta, ou não, a níveis CC, por meio de um circuito capaz de realizar tal condicionamento, como por exemplo aqueles apresentados nas figuras 3 e 4;

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c) polarizar os elementos sensores com um campo magnético de polarização, com auxílio de um gerador de campo magnético, o qual pode ser qualquer gerador conhecido do estado da técnica. Um exemplo de tal tipo de gerador são enrolamentos solenoidais excitados por uma fonte de corrente CC;

d) submeter os sensores a um campo magnético externo (H_ext), o qual é o campo que se deseja medir;

e) realizar a leitura da variação de fase do sensor, utilizando-se, por exemplo, os circuitos apresentados nas figuras 3 e 4, ou outro capaz de realizar tal leitura. Esse circuito terá uma sensibilidade associada S [V/Oe]; e

f) determinar, assim, o valor do campo magnético ao qual o mesmo está submetido, o qual será dado pela leitura do circuito eletrônico, expressa em Volts, dividida pela sensibilidade do mesmo (S [V/Oe]).

b) Medição de Pressão

O método de medição de pressão, tendo em vista a figura 2, pressupõe que uma variação de pressão (ΔΡ) aplicada sobre a membrana semi-rigida seja transmitida pela câmara incompressível e gere, consequentemente, um deslocamento da membrana elástica. Essa, por sua vez, faz com que o gerador de campo de polarização (p. ex. ímã permanente ou solenóide) se desloque, aproximando-se ou afastando-se da fita GMI, provocando uma variação do campo magnético sobre ela. Essa variação de campo altera as características de fase da fita, gerando um ΔΘ que, finalmente, é convertido pelo circuito eletrônico (p.ex. figura 3) em uma tensão CC relacionada à variação de pressão original ΔΡ.

Mais especificamente, o método de medição de pressão, de acordo com a presente invenção, compreende as etapas de:

a) dispor os elementos sensores de forma a garantir que o campo magnético gerado pelas fontes magnéticas (apresentadas na figura 2) seja, idealmente, uniforme e paralelo ao comprimento dos mesmos. Porém, tendo em vista a figura 5, percebe-se que, para atender essa condição, dever-se-ia

14/23 posicionar as fontes magnéticas a uma distância muito grande das fitas ou fazer com que o comprimento dessas fosse muito superior ao das fitas. Tendo em vista que essa condição ideal é inviável na prática, deve-se garantir, apenas, que a componente paralela ao comprimento das fitas do campo magnético resultante gerado pelas fontes (fixa e móvel) faça com que todos os pontos ao longo do comprimento das fitas operem dentro dos limites da região de trabalho;

b) excitar os elementos sensores com corrente CA e CC por meio de um circuito capaz de realizar tal condicionamento, como por exemplo aquele apresentado na figura 3;

c) definir a variação máxima da componente do campo magnético (gerado pela fonte de campo móvel) paralela ao comprimento dos elementos sensores, da situação de pressão nula até o fundo de escala. A escolha dessa variação máxima de campo deve ser feita tendo em vista que se deve manter os elementos sensores GMI em sua região de trabalho, desde a condição de pressão nula até o fundo de escala (pressão máxima). Por meio da razão entre a variação máxima da componente do campo magnético, paralela ao comprimento dos elementos sensores, e a pressão de fundo de escala, obtém-se a constante S2 [Oe/Pa],

d) polarizar os elementos sensores de forma a manter os mesmos em sua região de trabalho, com um campo magnético de polarização, definido como a superposição do campo gerado por uma fonte de campo fixa e uma fonte de campo móvel (presa à membrana elástica);

e) submeter a membrana semi-rígida a uma variação de pressão(AP);

f) realizar a leitura da variação de fase do sensor, utilizando-se, por exemplo, o circuito apresentado na figura 3, ou outro capaz de realizar tal leitura. Daqui, pode-se obter uma constante denominada S1 [V/Oe], a qual representa a sensibilidade do circuito eletrônico de detecção de campo magnético; e —g) Finalmente, determinar, por meio dessa (item f), a variação de pressão. Sabendo que a sensibilidade total do transdutor de pressão (S [V/Pa]) é expressa como o produto entre S1 e S₂, pode-se, facilmente, concluir que a variação de

15/23 pressão (ΔΡ [Pa]) será a razão entre a leitura do transdutor [V] e a sua sensibilidade total [S].

Circuito Eletrônico de Leitura e Condicionamento

Os transdutores incorporam um circuito eletrônico capaz de realizar a leitura da variação de fase do elemento sensor, quando o mesmo é submetido a um campo magnético externo.

Em uma realização preferencial, o aparato compreende circuitos eletrônicos conforme as figuras 3 e 4, os quais, por serem destinados a detectar pequenas variações de fase, devem ser implementados com elementos de resposta rápida, ou seja, com baixos tempos de atraso de propagação.

Os circuitos das figuras 3 (leitura direta) e 4 (leitura diferencial) podem ser utilizados em um aparato para detecção de campo magnético, baseado na variação de fase das fitas GMI. Ainda, com o esquema de leitura diferencial utilizando-se duas fitas GMI, ou dois conjuntos de fitas, mostrado na figura 4, é possível implementar transdutores mais sensíveis e, com a topologia empregada, obter uma leitura final em tensão que é mais imune a variações de temperatura.

Devido ao fato da sensibilidade ótima de fase ser obtida em freqüências relativamente pequenas (100 kHz), a implementação de circuitos eletrônicos de condicionamento é facilitada, constituindo uma vantagem adicional da presente invenção. O circuito idealizado é capaz de condicionar a fita, fornecendo corrente CA (com a freqüência e magnitude apropriadas) e o nível CC especificado. Os circuitos também são caracterizados por apresentarem uma saída de tensão que é proporcional à variação de fase das fitas (ΔΘ).

Exemplo 1. Caracterização da Fase e do Módulo da Impedância de Fitas GMI

Estudos realizados pelos autores da presente invenção levaram à conclusão de que as fitas apresentam altas sensibilidades quando condicionadas a correntes CC com valores próximos a 80 mA, independentemente do seu

16/23 comprimento ou da freqüência da corrente CA aplicada. Foram realizadas medições aplicando-se correntes CC de 0 mA, 20 mA, 40 mA, 60 mA e 80 mA.

As medições experimentais foram feitas com a liga CoyoFesShsBw em forma de fita, com uma espessura média de 60 pm e uma largura média de 1,5 mm. A amplitude da corrente CA foi mantida em 15 mA, pois observou-se que tai variável não afeta o comportamento da fita significativamente.

As figuras 6 e 7 exemplificam os resultados de caracterização da magnitude da impedância obtidos, respectivamente, com fitas de comprimentos 15cm e 3cm (usando uma corrente CC de 80mA), onde Zo é o valor da magnitude no caso de um campo magnético externo nulo paralelo ao comprimento da fita.

A melhor sensibilidade de magnitude obtida com a fita de 15 cm de comprimento foi 12,9Ω/Οβ, condicionada por uma corrente CC de 80 mA e CA de 10MHz. Apesar do maior valor de sensibilidade coincidir com o maior valor de freqüência testada, foi notado que, a partir de 10 MHz, a sensibilidade começa a saturar.

As figuras 8 e 9 mostram, respectivamente, os resultados da caracterização de fase de fitas de 15 cm e 3 cm de comprimento quando submetidas a uma corrente CC de 80mA, onde θο é o valor de fase no caso de um campo magnético externo nulo paralelo ao comprimento da fita.

A melhor sensibilidade de fase obtida com a fita de 15 cm de comprimento foi 17°/Oe (quando submetida a uma corrente CC de 80 mA e CA de 10MHz), e para a fita de 3cm de comprimento foi 9°/Oe (quando submetida a uma corrente CC de 80mA e CA de 100kHz). Porém, para uma comparação justa entre o desempenho dessas fitas com diferentes comprimentos, o valor de sensibilidade da fita de 3 cm deve ser multiplicado por cinco. Se isto for feito, a sensibilidade de magnitude (módulo) da fita com comprimento de 15 cm será cerca de 2,9 vezes maior que a de 3 cm, enquanto a sensibilidade de fase das fitas de 3 cm será aproximadamente 2,6 vezes maior que a de 15 cm.

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Em outras palavras, ao utilizar-se a característica de fase do efeito GMI pode-se trabalhar com comprimentos de fita menores, com sensibilidades ainda satisfatórias, o que não ocorre nas características de módulo da impedância, nas quais a sensibilidade é reduzida à medida que o comprimento diminui. Isto é, 5 claramente, uma vantagem para a aplicação biomédica onde, em geral, é muito conveniente trabalhar com os menores elementos sensores possíveis, para obterem-se melhores resoluções espaciais.

Por outro lado, apresenta-se a figura 10, para exemplificar o efeito da AGMI por corrente CC, para três níveis de corrente CC diferentes (0 mA, 40mA e 80 10 mA), sendo que em todos os casos uma mesma fita GMI de 15 cm está submetida a uma corrente CA com amplitude de 15mA e freqüência de 2 MHz.

Os gráficos apresentados (figuras 6 a 10) mostram como as características de módulo e fase são afetadas pelos diversos parâmetros estudados: comprimento, nível CC e freqüência da corrente aplicada. A Tabela 2 apresenta as 15 sensibilidades de fase máximas, para cada um dos comprimentos de fita GMI analisados, e considerando apenas a situação de melhor condicionamento, isto é, a corrente aplicada ótima.

Tabela 2. Resumo das Sensibilidades Ótimas.

Comprimento das Fitas (cm)	Corrente (mA)	Sensibilidade (graus/Oe)	Sensibilidade Equivalente (graus / [Oe.cml)
1	80+ 15 sin (2π100ΚΗζ t)	1,3	1,30
3	80 + 15 sin (2n100kHz t)	9,0	3,00
5	80 + 15 sin (2n100kHz t)	10,9	2,18
15	80+15 sin (2π10ΜΗζ t)	17,0	1,13

A coluna denominada “sensibilidade específica” foi adicionada na tabela para uma comparação justa entre o desempenho de fitas com comprimentos diferentes. Ou seja, o valor da sensibilidade específica da fita é obtido pela divisão da sensibilidade pelo respectivo comprimento.

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Simulação dos resultados

Foram feitas simulações do circuito completo do transdutor com a ajuda do programa SPICE. As fitas GMI foram modeladas como uma resistência em série com uma indutância. Os resultados de sensibilidade obtidos pelos transdutores baseados nas características de fase GMI, 226 V/Oe (leitura direta - figura 3) ou 459 V/Oe (leitura diferencial - figura 4), indicam um aumento significativo quando comparados com aqueles baseados nas características de magnitude (módulo), ou seja, um aumento de, respectivamente, 19 vezes ou 38 vezes.

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

Exemplo 2. Considerações sobre a Implementação do Transdutor e Método de Detecção de Pressão

Na estrutura idealizada, apresentada na figura 2, pressupõe-se que uma variação de pressão (ΔΡ) aplicada sobre a membrana semi-rígida seja transmitida pela câmara incompressível e gere, consequentemente, um deslocamento da membrana elástica. Essa, por sua vez, faz com que a fonte de campo magnético (ímã permanente) se desloque, aproximando-se ou afastando-se da fita GMI, provocando uma variação do campo magnético sobre ela. Essa variação de campo altera as características de fase da fita, gerando um ΔΘ que, finalmente, é convertido pelo circuito eletrônico em uma tensão CC relacionada à variação de pressão original ΔΡ.

A sensibilidade do transdutor de pressão é expressa em mV/Pa e pode ser obtida como resultado do produto de duas sensibilidades: S₇, expressa em mV/Oe e S2, expressa em Oe/Pa. A componente S1 corresponde à contribuição do conjunto fita-circuito eletrônico, sendo obtida pela multiplicação da sensibilidade das fitas (graus/Oe) pela sensibilidade da circuito eletrônico (mV/graus). Por outro lado, S2 relaciona a variação da intensidade do campo magnético tangencial às

19/23 fitas com a pressão aplicada (e que se pretende medir). Essa segunda sensibilidade pode ser otimizada mecanicamente (aumentando-se o deslocamento da membrana elástica em função da pressão) ou magneticamente (escolhendo-se adequadamente as fontes de campo magnético utilizadas - nesse caso, ímãs permanentes).

De acordo com os resultados medidos (figura 9 em 100 kHz), a sensibilidade Si é maior se o campo de polarização das fitas (campo tangencial às mesmas na situação de pressão nula) tem um valor próximo de 0,9 Oe. Além disso, percebe-se que o campo de excitação da fita (que aparecerá superposto ao seu campo de polarização) não deve apresentar variações superiores a ±0,3 Oe, sob o risco de levá-la a operar fora de sua região linear.

Observe-se que, supondo uma mesma deformação da membrana elástica, quanto menor for a distância da fonte magnética em relação às fitas, maior será a variação do campo tangencial às fitas. Entretanto, essa maior proximidade irá produzir um campo de polarização também maior. Para resolver essa inconsistência, uma segunda fonte magnética é fixada abaixo das fitas, conforme representado na figura 2. Este recurso permite que possam ser simultaneamente obtidas condições ótimas de excitação e de polarização, por meio da combinação dos campos gerados pela fonte móvel e pela fonte fixa. Tendo como base

1. A sensibilidade do conjunto fita-circuito eletrônico já obtida nos desenvolvimentos anteriores (Sy),

2. A característica de deflexão da membrana elástica disponível (ΔΙ=0,023 cm, correspondente a ΔΡ=1380 Pa [fundo de escala]) e

3. A perspectiva de que a variação do campo magnético de excitação da fita (correspondente a um mesmo deslocamento ΔΙ= 0,023 da fonte fixa) seja de 0,3 Oe, foi possível montar a tabela 3.

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Tabela 3. Sensibilidade do transdutor de pressão.

Sensibilidade:	Atribuída a:	Valor:
Si	Fita GMI e circuito eletrônico	226 V/Oe
s2	Variação do campo magnético em função do deslocamento da membrana	0,22 mOe/Pa
S — Si x S2	Sensibilidade Total	50 mV/Pa

Utilizando-se a sensibilidade total do transdutor S, expressa em (mV/Pa), e o fundo de escala do transdutor FS, expresso em (Pa), pode-se definir uma constante C como:

C[mP] = S[mP/Pa]xFS[Pa] (8)

Particularmente, no caso do transdutor desenvolvido tem-se:

C[mF] = 50[mF/Pa]xl380[Pa] = 69000m V (9)

Por meio da constante (C) observa-se que existe um compromisso entre sensibilidade e fundo de escala, ou seja, pode-se aumentar a sensibilidade total diminuindo o fundo de escala, ou vice-versa.

Visando a facilitar a combinação dos campos gerados pelas duas fontes magnéticas (móvel e fixa) e, assim, a otimizar a excitação/polarização da fita, implementou-se uma estrutura na qual os campos são gerados por enrolamentos solenoidais, ao invés de ímãs permanentes.

Nessa nova realização, a sensibilidade S₂ (dependente da variação do campo magnético em função do deslocamento da membrana) podería ser controlada por meio de ajustes na corrente l_dc que circula nos solenóides. A tabela 4 exemplifica essa dependência, para alguns valores arbitrários.

Tabela 4. Dependência entre Sensibilidade e Fundo de Escala

Si: (V/Oe)	S2: (mOe/Pa)	S: (mV/Pa)	Fundo de Escala: (Pa)
226	0,022	5	13800
226	0,220	50	1380
226	2,200	500	138

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Além disso, essa nova implementação permite que os valores de fundo de escala do transdutor de pressão sejam ajustados sem a necessidade de se reposicionar fisicamente as fontes magnéticas, permitindo que o mesmo seja utilizado em diferentes aplicações. Essa nova estrutura seria similar àquela apresentada na figura 2, utilizando-se apenas como fontes magnéticas enrolamentos solenoidais com núcleo de ferrite, ao invés de imãs permanentes.

Esses núcleos devem ser inseridos de forma a aumentar a permeabilidade magnética, possibilitando a geração de campos magnéticos com correntes (l_dc) inferiores às que teriam de ser utilizadas no caso de solenóides sem núcleo. Tal recurso é especialmente útil, e mesmo necessário, em aplicações biomédicas, nas quais se deseja que as correntes e tensões envolvidas sejam as menores possíveis.

Para simulação do campo de um solenóide, utilizou-se um programa computacional que realiza a integração numérica das equações do campo magnético gerado por uma espira de corrente. O programa admite que um solenóide é composto por um conjunto de espiras de corrente e, a partir dessa simplificação, calcula o campo total resultante.

Por meio desse recurso, estudou-se o campo gerado por um solenóide de 250 espiras, 5mm de diâmetro, 5cm de comprimento, percorrido por uma corrente de 600mA e com um núcleo de permeabilidade magnética relativa igual a 1000. A configuração típica das linhas de campo desse solenóide, representadas sobre um plano que passe por seu eixo, é apresentada na figura 5.

Lembrando que as fitas LMI são sensíveis apenas ao campo magnético longitudinal à direção de propagação da corrente de excitação, e observando a conformação das linhas de campo do solenóide, fica claro o posicionamento em paralelo adotado para o conjunto fita-solenóide (ver figura 5). Assim, apenas o comportamento da componente H_x do campo magnético gerado pelo solenóide será analisado a seguir.

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Na figura 11, é exibida a dependência dessa componente com a distância entre o centro do solenóide (x,y) = (0,0) e um ponto sobre o eixo y.

Examinando-se essa figura, pode-se determinar que, partindo de um posicionamento inicial da fita a uma distância de 1,0 cm do centro do solenóide, um deslocamento de 0,023 cm irá corresponder a uma variação de 0,3 Oe no campo aplicado. Entretanto, nota-se que na situação inicial a fita estaria sujeita a um campo de polarização (H_poi) de 28,8 Oe, que a colocaria fora da região ideal de trabalho (entre 0,5 e 1,4 Oe). De forma a restabelecer a condição de polarização, recorre-se, então à segunda fonte magnética já mencionada, sendo a fita posicionada entre dois solenóides que geram sobre ela campos opostos, sendo um deles móvel (acoplado à membrana elástica) e o outro fixo.

Para exemplificar a solução proposta, apresentam-se nas figuras 12 e 13 os resultados obtidos quando a fita é colocada entre dois solenóides com as mesmas características anteriormente descritas, a distâncias de 1,1cm e 1,0 cm, objetivando-se a obtenção de um campo de polarização de 1,15 Oe, apesar de se saber que o campo ótimo de polarização seria 0,9 Oe (que permite uma maior excursão).

A figura 12 ilustra o valor das componentes H_x geradas sobre a fita pelos dois solenóides, supondo-se que a mesma esteja colocada de forma simétrica em relação à origem (x=0). Como já podia ser previsto por um exame da figura 5, as componentes H_x não são uniformes ao longo do comprimento da fita (3cm), o qual seria o comportamento ideal, pois um H_x uniforme ao longo da fita significa que todos os pontos ao longo do comprimento do elemento sensor estão sujeitos ao mesmo campo, ou seja, essa situação permitiría a excursão máxima ao longo da região de trabalho, sem a presença de efeitos não lineares.

A figura 13 apresenta o aspecto do campo resultante sobre a fita, que é obtido pela subtração das componentes H_x relativas aos dois solenóides. Essa figura permite uma melhor visualização da faixa em que o campo varia, e permite

23/23 <· concluir que o seu valor médio, bem como os valores ponto-a-ponto ao longo da fita, estão dentro da faixa desejada para o campo de polarização.

Discussão dos resultados

Os resultados obtidos por simulação indicam que essa nova configuração deve proporcionar um aumento expressivo de sensibilidade: em cerca de 50 vezes, quando comparado a transdutores anteriormente desenvolvidos com base no módulo do efeito GMI - vide: D. Ramos Louzada, E. Costa Monteiro, L. A. P. Gusmão, C. Hall Barbosa “Medição não-invasiva de ondas de pulso arterial utilizando transdutor de pressão MIG”, Proceedings do IV Latin American 10 Congress on Biomedical Engineering, CLAIB2007, Venezuela, Setembro 2007.

Pelo fato de utilizar enrolamentos solenoidais como fontes magnéticas, a nova estrutura flexibiliza a utilização do sensor para diversas aplicações em função da sensibilidade e do fundo de escala demandados.

Também vale destacar que, pelo fato de estar baseada na variação das 15 características de fase das fitas GMI, a nova configuração pode utilizar, com bom desempenho, sinais de freqüências relativamente baixas (100KHz). Esse detalhe facilita a implementação dos circuitos eletrônicos, e não foi observado nos transdutores baseados nas características de módulo, que necessitam operar com freqüências superiores a 1MHz.

Claims (15)

1. Reivindicações

   1. TRANSDUTOR DE CAMPO MAGNÉTICO E/OU PRESSÃO, caracterizado por compreender um ou mais elementos sensores (6) produzidos a partir de ligas metálicas amorfas portadoras do efeito da Magnetoimpedância Gigante (GMI), compreendendo ainda meios de polarização magnética dos elementos sensores (4,5); circuito eletrônico de condicionamento dos elementos sensores; e circuito eletrônico de leitura da variação de fase do(s) referidos elemento(s) sensor(es) GMI em função da variação do campo magnético externo.
2. 2. TRANSDUTOR, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a referida liga ou ligas compreende(m) Ferro, Cobalto, Boro, Silício, ou combinações dos mesmos.
3. 3. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por seus elementos sensores se apresentarem no formato de fita (6), com ao menos uma das dimensões selecionada dentre: espessura de 10 pm a 90 pm; largura de 0,1 mm a

   2,5 mm; comprimento de 0,1 cm a 20 cm; ou combinações das mesmas.
4. 4. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: membrana elástica (3); câmara incompressível (2); e membrana semi-rígida (1).
5. 5. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que os elementos sensores (6) estão dispostos em um plano, na forma de um anel, dispostos em paralelo ou dispostos perpendicularmente entre si.
6. 6. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que os elementos sensores estão dispostos de forma que a componente paralela ao comprimento das fitas do campo magnético resultante, gerado pelas fontes de campo magnético, sendo uma posicionada de forma fixa, que gera o campo magnético de polarização (5), e a outra móvel (4), presa à membrana elástica (3), que gera um campo magnético dependente da pressão, faça com que todos os pontos ao longo do comprimento dos elementos sensores GMI fixos na estrutura (6) operem dentro dos limites da região de trabalho, gerando uma variação de fase que é associada à variação de pressão.
7. 7. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-6, caracterizado pelo fato de que o campo magnético de polarização é gerado por enrolamentos solenoidais

   Petição 870190116327, de 11/11/2019, pág. 10/15

   2/4 excitados por uma fonte de corrente CC, com ou sem núcleos ferromagnéticos, ou por ímãs permanentes.
8. 8. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um circuito eletrônico de condicionamento dos elementos sensores, compreendendo fontes de correntes alternadas; fontes de correntes contínuas; ou a superposição das mesmas.
9. 9. TRANSDUTOR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo circuito eletrônico condicionar os elementos sensores com correntes alternadas de frequências entre 10 kHz e 20 MHz e amplitudes entre 500 pm e 50 mA; e níveis CC de corrente entre 0 mA e 100 mA; ou a superposição das mesmas.
10. 10. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-9, caracterizado por adicionalmente incorporar um circuito eletrônico de leitura, que realiza a leitura da variação de fase do(s) elemento(s) sensor(es) GMI em função da variação do campo magnético externo.
11. 11. TRANSDUTOR, de acordo com as reivindicações 1-10, caracterizado pelo fato de compreender meios de ajuste de fundo de escala e/ou de sensibilidade.
12. 12. MÉTODO DE MEDIÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO, caracterizado por compreender as etapas de:

    a) dispor os elementos sensores contendo uma ou mais ligas metálicas amorfas portadoras do efeito da Magnetoimpedância Gigante (GMI) da seguinte forma: em um plano; em um anel; ou dispostos em paralelo ou perpendiculares entre si;

    b) excitar os elementos sensores com corrente CA superposta, ou não, a níveis CC, por meio do circuito eletrônico de condicionamento;

    c) polarizar os elementos sensores com um campo magnético de polarização, com auxílio de um gerador de campo magnético, que corresponda ao centro da região linear de maior sensibilidade de fase (graus/oersted) de cada sensor.

    d) submeter os sensores a um campo magnético externo (Hext), o qual é o campo que se deseja medir;

    e) realizar a leitura da variação de fase do sensor GMI utilizando o circuito eletrônico de leitura; e

    f) determinar o valor do campo magnético, pela leitura do referido circuito eletrônico de leitura, que fornece uma saída proporcional à variação de fase do

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    3/4 sensor GMl e, consequentemente, ao valor do campo magnético ao qual o mesmo está submetido.
13. 13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo circuito eletrônico de leitura compreender uma saída expressa em volts proporcional ao campo magnético que se deseja medir.
14. 14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo campo magnético que se deseja medir ser definido pela divisão entre a saída do circuito eletrônico de leitura, expressa em volts, e a sensibilidade do mesmo (S [V/Oe]).
15. 15. MÉTODO DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO, caracterizado por compreender as etapas de:

    a) dispor os elementos sensores de forma a garantir que a componente paralela ao comprimento das fitas do campo magnético resultante gerado pelas fontes magnéticas (fixa e móvel) faça com que todos os pontos ao longo do comprimento das fitas operem dentro dos limites da região de trabalho;

    b) excitar os elementos sensores com corrente CA superposta, ou não, a níveis CC, por meio do circuito eletrônico de condicionamento;

    c) definir a variação máxima da componente do campo magnético (gerado pela fonte de campo móvel) paralela ao comprimento dos elementos sensores, da situação de pressão nula até o fundo de escala; a escolha dessa variação máxima de campo deve ser feita tendo em vista que se deve manter os elementos sensores GMI em sua região de trabalho, desde a condição de pressão nula até o fundo de escala (pressão máxima); por meio da razão entre a variação máxima da componente do campo magnético, paralela ao comprimento dos elementos sensores, e a pressão de fundo de escala, obtém-se a constante S2 [Oe/Pa];

    d) polarizar os elementos sensores de forma a manter os mesmos em sua região de trabalho, com um campo magnético de polarização definido pela superposição do campo gerado por uma fonte de campo fixa e por uma fonte de campo móvel (presa à membrana elástica);

    e) submeter a membrana semi-rígida a uma variação de pressão (ΔΡ);

    f) realizar a leitura da variação de fase do sensor utilizando o referido circuito eletrônico de leitura, para a obtenção de uma constante denominada Si [V/Oe], a qual representa a sensibilidade do referido circuito eletrônico de leitura; e

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    g) determinar a variação de pressão (ΔΡ), expressa como a razão entre a leitura do transdutor [V] e a sua sensibilidade total (S [V/Pa]).