ES2277770B1 - MULTIFUNCTIONAL SENSOR BASED ON MULTI-PAPER MAGNETIC MICROWAVE WITH MAGNETOELASTIC COUPLING. - Google Patents
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Abstract
Sensor multifuncional basado en microhilos magnéticos multicapas con acoplamiento magnetoelástico. La presente patente protege un dispositivo sensor multifuncional, cuyo elemento sensor es un microhilo magnético multicapa, constituido por núcleo metálico rodeado de una o varias capas externas, donde como mínimo el núcleo o una de las capas externas es magnética. El funcionamiento del dispositivo sensor multifuncional se basa en el acoplamiento magnetoelástico entre la capa magnética y el resto de capas. Para la detección de los cambios en el medio ambiente, y por tanto de las propiedades magnéticas en el elemento sensor, se hace pasar una corriente AC a través del núcleo metálico, recogiéndose la señal de salida en forma de voltaje, impedancia, resistencia o inductancia de la capa magnética. La respuesta optimizada se obtiene para un microhilo formado por: núcleo magnético blando amorfo, capa de vidrio intermedia y capa externa magnética dura. El dispositivo sensor multifuncional puede serusado como: sensor magnético, temperatura, tensión, posición, óptico y químico.Multifunctional sensor based on multilayer magnetic micro wires with magnetoelastic coupling. The present patent protects a multifunctional sensor device, whose sensor element is a multilayer magnetic micro thread, constituted by a metal core surrounded by one or more external layers, where at least the core or one of the external layers is magnetic. The operation of the multifunctional sensor device is based on the magnetoelastic coupling between the magnetic layer and the rest of the layers. For the detection of changes in the environment, and therefore of the magnetic properties in the sensor element, an AC current is passed through the metal core, the output signal being collected in the form of voltage, impedance, resistance or inductance of the magnetic layer. The optimized response is obtained for a micro thread consisting of: amorphous soft magnetic core, intermediate glass layer and hard magnetic outer layer. The multifunctional sensor device can be used as: magnetic sensor, temperature, voltage, position, optical and chemical.
Description
Sensor multifuncional basado en microhilos magnéticos multicapas con acoplamiento magnetoelástico.Multifunction sensor based on microwires Multilayer magnetic with magnetoelastic coupling.
La presente invención se refiere al campo de
materiales magnéticos, en concreto microhilos magnéticos
multicapas, y su aplicación como elementos sensores. En particular,
la presente invención se refiere a un dispositivo sensor
multifuncional formado por diferentes elementos, entre ellos un
microhilo magnético multicapa, y su utilización, no solo como
sensor de campo magnético, sino también como sensor de posición,
tensión, temperatura, químico y
óptico.The present invention relates to the field of magnetic materials, namely multilayer magnetic micro wires, and their application as sensor elements. In particular, the present invention relates to a multifunctional sensor device formed by different elements, including a multilayer magnetic micro wire, and its use, not only as a magnetic field sensor, but also as a position, voltage, temperature, chemical and position sensor.
optical.
El mundo de los sensores está caracterizado por una profunda variedad de dispositivos, apropiadamente seleccionados para detectar las diferentes condiciones externas. Por ejemplo, numerosos sensores térmicos son presentados como sensores de contacto y no contacto, dispositivos basados en la medida de un flujo de calor o cambios de temperatura y tecnologías sensoras básicas para testar la temperatura que incluye termopares [Hutter Thomas, Danhamer Bernd, Niedermann: Thermoanalytical sensor, and method of producing the thermoanalytical sensor, patent US2005169344 (agosto 2005)], termistores [Welch Richard E, Yang Tung-Sheng, Miller William E: Thermistor sensor probe, patent USD507977S (Agosto 2005)], termómetros de estado sólido [Feder Jan, Beyerle Rick, Byers Stephen, Jones Thomas: Thermal control of a DUT using a thermal control substrate, patent US2005007136 (Enero 2005)], de estado líquido, de gas, de fibra óptica [Jonh Laurence N, Comer Neil A: Optical temperature, patent US5180227 (Enero 1993)], etc. Los sensores magnéticos presentan igualmente una gran variedad en sus tipos y formas de acuerdo con el principio físico de funcionamiento: los hay desde los que actúan por la presencia de un imán permanente, cuyo principio de operación está basado en el uso de unos pequeños contactos de cobre, hasta sensores de tipo fluxómetro que utilizan un voltaje inducido para cambiar la permeabilidad de un núcleo ferromagnético. Los sensores magnéticos más corrientes son: de tipo Fluxgate [Bartington Geoffrey William: Fluxgate sensor, patent GB2411964 (Septiembre 2005)], magnetoresistivos que hacen uso del comportamiento anisótropo de la magnetorresistencia del núcleo [Holmes Stuart Nicholas: Anisotropic magnetoresistive sensor, patent GB2388915 (noviembre 2003)], de efecto Hall [Rumenin Chavdar: Microsensor for magnetic field, patent BG108430 (junio 2005)], magneto-ópticos basados en el efecto Kerr y Faraday, magnetómetro de RMN (Resonancia Magnética Nuclear), Squid, sensores de tipo spin válvula [Hasegawa Naoya: Spin-valve type magnetoresistive sensor and method of manufacturing the same, patent US6913836 (julio 2005)], etc. En los sensores químicos se diferencian: los sensores de gas fabricados de material sólido [Salter Carlton, Pendergrass Robert: Thin film gas sensor configuration, patent US2005183967 (agosto 2005)] que mide la variación de una propiedad física como consecuencia de una reacción en la superficie o de un electrolito sólido que detecta el cambio de conductividad eléctrica; los sensores catalíticos, como por ejemplo por Pellistor, que miden el cambio de temperatura debido al calor de reacción en la superficie [Hingold Volodymyr Markovych, Bondarchurk Anatolii Ivanovych, Bubleinyk Vitalii Anatoliiovyc, Medvediev Valerii Mykolaiovych, Koptikov Viktor Pavlovich, Lupo Leonid Heorhiiovych: Catalytic thermal sensor for detecting combustible gases or vapors, patent UA73019 (Enero de 2005)]; los biosensores, que contienen una parte biológica, una enzima o un anticuerpo, que está en contacto con un convertidor físico, que transforme la señal biológica en eléctrica [Kim Chang-Kyung, Yoon Chong-Seung, Lee Ji-Hyun, Yu Cheong-Si: Micro-magnetoelastic biosensor array for detection of DNA hybridization and fabrication method thereof, patent US2004014201 (Enero 2004)]. También presentan una gran variedad de dispositivos, los sensores de tensión, de cambio de forma, de presión [Viola Jeffrey L, Moore William T: Magnetoelastic pressure sensor, patent US2004093951 (mayo 2004)] y de torque [Viola Jeffrey Louis, Laidlaw John Francis: Magnetoelastic torque sensor assembly, patent GB2395568 (mayo 2004)], extendiéndose desde los indicadores de cambio de forma (strain gauge) [Morimoto Hideo: Strain gauge type sensor and gauge type sensor unit using the same, patent WO2005045388 (mayo 2005)] hasta las cintas amorfas, usadas para medir cambios de curvatura para observar su respuesta magnética a las tensiones aplicadas. Y finalmente los sensores de orientación y posición que incluye: GPS, brújulas, dispositivos basados en elementos magnéticos amorfos [Masuda Sumio, Sumino Keiichi: Position sensor, patent JP8313237(noviembre 1996)]. Todos estos tipos de sensores que se mencionan son solo la punta del iceberg de un larguísimo panorama de familias de sensores. Claramente, la fabricación y utilización de sensores multifuncionales, que puedan ser capaces de detectar diferentes condiciones ambientales, trae ventajas inmediatas en términos de simplificar la tecnología y reducir el tiempo de medida y el coste de fabricación. En las siguientes secciones se introduce un novedoso sensor multifuncional basado en microhilos magnéticos multicapas.The world of sensors is characterized by a deep variety of devices, appropriately selected to detect different external conditions. For example, numerous thermal sensors are presented as contact and non-contact sensors, devices based on the measurement of a heat flow or temperature changes and basic sensor technologies for testing the temperature including thermocouples [Hutter Thomas, Danhamer Bernd, Niedermann: Thermoanalytical sensor, and method of producing the thermoanalytical sensor , patent US2005169344 (August 2005)], thermistors [Welch Richard E, Yang Tung-Sheng, Miller William E: Thermistor sensor probe , patent USD507977S (August 2005)], solid state thermometers [Feder Jan, Beyerle Rick, Byers Stephen, Jones Thomas: Thermal control of a DUT using a thermal control substrate , patent US2005007136 (January 2005)], liquid state, gas, fiber optic [Jonh Laurence N, Eat Neil A : Optical temperature , patent US5180227 (January 1993)], etc. Magnetic sensors also have a great variety in their types and shapes according to the physical principle of operation: there are those from which they act by the presence of a permanent magnet, whose principle of operation is based on the use of small contacts of copper, even fluxometer sensors that use an induced voltage to change the permeability of a ferromagnetic core. The most common magnetic sensors are: of the Fluxgate type [Bartington Geoffrey William: Fluxgate sensor , patent GB2411964 (September 2005)], magnetoresistives that make use of the anisotropic behavior of the magnetoresistive core [Holmes Stuart Nicholas: Anisotropic magnetoresistive sensor, patent GB2388915 ( November 2003)], Hall effect [Rumenin Chavdar: Microsensor for magnetic field , patent BG108430 (June 2005)], magneto-optics based on the Kerr and Faraday effect, NMR magnetometer (Nuclear Magnetic Resonance), Squid, type sensors spin valve [Hasegawa Naoya: Spin-valve type magnetoresistive sensor and method of manufacturing the same , patent US6913836 (July 2005)], etc. In chemical sensors they differ: gas sensors made of solid material [Salter Carlton, Robert Pendergrass: Thin film gas sensor configuration , patent US2005183967 (August 2005)] that measures the variation of a physical property as a result of a reaction in the surface or of a solid electrolyte that detects the change in electrical conductivity; Catalytic sensors, such as by Pellistor, which measure the temperature change due to the heat of reaction on the surface [Hingold Volodymyr Markovych, Bondarchurk Anatolii Ivanovych, Bubleinyk Vitalii Anatoliiovyc, Medvediev Valerii Mykolaiovych, Koptikov Viktor Pavlovor Catic, Lupo Leonlovy Catalytic : Lupo thermal sensor for detecting fuel gases or vapors , patent UA73019 (January 2005)]; the biosensors, which contain a biological part, an enzyme or an antibody, that is in contact with a physical converter, that transforms the biological signal into electrical [Kim Chang-Kyung, Yoon Chong-Seung, Lee Ji-Hyun, Yu Cheong- Yes: Micro-magnetoelastic biosensor array for detection of DNA hybridization and fabrication method thereof , patent US2004014201 (January 2004)]. They also feature a wide variety of devices, tension sensors, shape change, pressure sensors [Viola Jeffrey L, Moore William T: Magnetoelastic pressure sensor , patent US2004093951 (May 2004)] and torque [Viola Jeffrey Louis, Laidlaw John Francis: Magnetoelastic torque sensor assembly , patent GB2395568 (May 2004)], extending from strain gauge indicators [Morimoto Hideo: Strain gauge type sensor and gauge type sensor unit using the same , patent WO2005045388 (May 2005) ] to amorphous tapes, used to measure curvature changes to observe their magnetic response to the applied stresses. And finally the orientation and position sensors that include: GPS, compasses, devices based on amorphous magnetic elements [Masuda Sumio, Sumino Keiichi: Position sensor , patent JP8313237 (November 1996)]. All these types of sensors that are mentioned are just the tip of the iceberg of a very long panorama of sensor families. Clearly, the manufacture and use of multifunctional sensors, which may be able to detect different environmental conditions, brings immediate advantages in terms of simplifying technology and reducing measurement time and manufacturing cost. In the following sections, a new multifunctional sensor based on multilayer magnetic micro wires is introduced.
Los materiales con forma de hilo y de reducido tamaño, típicamente unas pequeñas decenas de micras, exhiben unas propiedades magnéticas específicas y de gran interés tecnológico [M. Vázquez, Soft magnetic wires, Physica B, Vol. 299, pp. 302-313, 2001]. Este tipo de materiales se denominan microhilos magnéticos amorfos, y pueden ser obtenidos mediante dos técnicas de solidificación ultrarrápida: el método de solidificación ultrarrápida y estiramiento (Quenching and Drawing)[Gorynin; Igor V., Farmakovsky, Boris V., Khinsky; Alexander P., Kalogina, Karina V., Riviere V., Alfredo, Szekely; Julian, Saluja, Navtej S.; Method of casting amorphous and microcrystalline microwires; US Patent n° 5240066 (agosto 1993)] y el método de solidificación ultrarrápida en agua rotando (Quenching into rotating water) [I. Ohnaka, Melt spinning into a liquid cooling medium, Int. J. of Rapid Solidification, 4 (1985) 219- 236]. El microhilo magnético amorfo obtenido por el primer método, está recubierto por una capa de vidrio aislante (glass-coated microwires). En este tipo de microhilos, el núcleo metálico tiene una composición ferromagnética, y las dimensiones del diámetro del núcleo y del espesor del vidrio oscila entre 1 y 200 \mum. Uno de los principales campos de aplicación de estos microhilos magnéticos amorfos, con o sin vidrio, reside en los sensores de campo magnético [M. Vázquez; Giant magneto-impedance in soft magnetic wires, J. Magn. Magn. Mater., 226-230 (2001) 693-699; Antonenco; Alexandru; Brook-Levinson; Edward, Manov; Vladimir, Sorkine; Evgeni, Tarakanov; Yuri; Glass-coated amorphous magnetic microwire marker for article surveillance; US Patent n°6,441,737 (Agosto 2002)].The wire-shaped and small-sized materials, typically a few tens of microns, exhibit specific magnetic properties of great technological interest [M. Vázquez, Soft magnetic wires , Physica B, Vol. 299, pp. 302-313, 2001]. These types of materials are called amorphous magnetic microwires, and they can be obtained by two ultrafast solidification techniques: the ultrafast solidification and stretching method (Quenching and Drawing) [Gorynin; Igor V., Farmakovsky, Boris V., Khinsky; Alexander P., Kalogina, Karina V., Riviere V., Alfredo, Szekely; Julian, Saluja, Navtej S .; Method of casting amorphous and microcrystalline microwires ; US Patent No. 5240066 (August 1993)] and the method of ultrafast solidification in rotating water (Quenching into rotating water) [I. Ohnaka, Melt spinning into a liquid cooling medium , Int. J. of Rapid Solidification, 4 (1985) 219-236]. The amorphous magnetic micro wire obtained by the first method is covered by a layer of insulated glass (glass-coated microwires). In this type of thread, the metal core has a ferromagnetic composition, and the dimensions of the diameter of the core and the thickness of the glass range between 1 and 200 µm. One of the main fields of application of these amorphous magnetic micro wires, with or without glass, resides in the magnetic field sensors [M. Vazquez; Giant magneto-impedance in soft magnetic wires , J. Magn. Magn. Mater., 226-230 (2001) 693-699; Antonenco; Alexandru; Brook-Levinson; Edward, Manov; Vladimir, Sorkine; Evgeni, Tarakanov; Yuri; Glass-coated amorphous magnetic microwire marker for article surveillance ; US Patent No. 6,441,737 (August 2002)].
Tomando los microhilos amorfos como punto de referencia, una nueva generación de microhilos puede ser obtenida: los microhilos magnéticos multicapas. Los microhilos magnéticos multicapas están constituidos, en primer lugar, por un núcleo metálico amorfo, obtenido por cualquiera de los dos métodos de solidificación ultrarrápida anteriormente mencionados, y en segundo lugar, por una o varias capas que son depositadas sobre dicho núcleo (con o sin capa aislante intermedia de vidrio), de forma que al menos el núcleo o una de las cubiertas debe ser magnética [K. R. Pirota, M. Hernández Velez, D. Navas, A. Zhukov, M. Vázquez; Multilayer microwires: tayloring magnetic behaviour by sputtering and electroplating, Adv. Funct. Mater., 14 (2004) 266-268; K. R. Pirota, M. Provencio, K. L. García, R. Escobar-Galindo, P. Mendoza Zelis, M. Hernández Velez, M. Vázquez; Bi-magnetic microwires: a novel family of materials with controlled magnetic behaviour, J. Magn. Magn. Mater., 290-291 (2005) 68-73]. La deposición de estas capas externas pueden ser realizadas mediante numerosas de técnicas: sputtering, electrodeposición, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physic Vapor Deposition), etc.Taking amorphous micro wires as a reference point, a new generation of micro wires can be obtained: multilayer magnetic micro wires. The multilayer magnetic microwires are constituted, firstly, by an amorphous metallic core, obtained by any of the two ultrafast solidification methods mentioned above, and secondly, by one or more layers that are deposited on said core (with or without intermediate insulating layer of glass), so that at least the core or one of the covers must be magnetic [KR Pirota, M. Hernández Velez, D. Navas, A. Zhukov, M. Vázquez; Multilayer microwires: tayloring magnetic behavior by sputtering and electroplating , Adv. Funct. Mater., 14 (2004) 266-268; KR Pirota, M. Provencio, KL García, R. Escobar-Galindo, P. Mendoza Zelis, M. Hernández Velez, M. Vázquez; Bi-magnetic microwires: a novel family of materials with controlled magnetic behavior , J. Magn. Magn. Mater., 290-291 (2005) 68-73]. The deposition of these outer layers can be performed by numerous techniques: sputtering, electrodeposition, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physic Vapor Deposition), etc.
La técnica de la electrodeposición es fácil y barata de aplicar. En el caso de los microhilos recubiertos de vidrio (glass-coated), esta técnica requiere que la superficie sea recubierta, previamente, por sputtering de un metal conductor (Au, Ag, Ti) de espesor nanométrico, desempeñando la función de electrodo en la posterior electrodeposición. La electrodeposición se realiza sumergiendo el microhilo en una solución electrolítica, que se encuentra dentro de una celda electrolítica de un metal inerte (en general platino) con geometría cilíndrica (para garantizar la deposición homogénea del material). Mientras dicho metal está conectado al polo positivo de la fuente de alimentación, el microhilo se conecta al polo negativo, de forma que al aplicar corriente se produce la deposición del material metálico sobre la superficie del microhilo. En la figura 1 se muestra el montaje experimental de la técnica de electrodeposición. En la figura 2 se observa un esquema del microhilo multicapa magnético con capa de vidrio intermedia y capa nanométrica de un metal noble que precede a la capa metálica externa [K. R. Pirota, M. Hernández Velez, D. Navas, A. Zhukov, M. Vázquez; Multilayer microwires: tayloring magnetic behaviour by sputtering and electroplating, Adv. Funct. Mater., 14 (2004) 266-268][K. R. Pirota, M. Provencio, K. L. García, R. Escobar-Galindo, P. Mendoza Zelis, M. Hernández Velez, M. Vázquez; Bi-magnetic microwires: a novel family of materials with controlled magnetic behaviour, J. Magn. Magn. Mater., 290-291 (2005) 68-73]. Los microhilos magnéticos multicapas formados por diferentes capas, con o sin capa aislante de vidrio intermedia, constituyen una nueva familia de materiales con excelentes propiedades magnéticas y mecánicas que les confiere un gran potencial en aplicaciones de sensores.The electrodeposition technique is easy and cheap to apply. In the case of glass-coated micro-wires, this technique requires that the surface be covered, previously, by sputtering of a conductive metal (Au, Ag, Ti) of nanometric thickness, performing the function of electrode in the subsequent electrodeposition. The electrodeposition is carried out by immersing the micro wire in an electrolytic solution, which is inside an electrolytic cell of an inert metal (in general platinum) with cylindrical geometry (to guarantee the homogeneous deposition of the material). While said metal is connected to the positive pole of the power supply, the micro wire is connected to the negative pole, so that when applying current the deposition of the metallic material occurs on the surface of the micro wire. The experimental assembly of the electrodeposition technique is shown in Figure 1. Figure 2 shows a scheme of the multilayer magnetic micro-wire with intermediate glass layer and nanometric layer of a noble metal that precedes the external metallic layer [KR Pirota, M. Hernández Velez, D. Navas, A. Zhukov, M. Vazquez; Multilayer microwires: tayloring magnetic behavior by sputtering and electroplating , Adv. Funct. Mater., 14 (2004) 266-268] [KR Pirota, M. Provencio, KL García, R. Escobar-Galindo, P. Mendoza Zelis, M. Hernández Velez, M. Vázquez; Bi-magnetic microwires: a novel family of materials with controlled magnetic behavior , J. Magn. Magn. Mater., 290-291 (2005) 68-73]. The multilayer magnetic micro wires formed by different layers, with or without intermediate glass insulating layer, constitute a new family of materials with excellent magnetic and mechanical properties that gives them great potential in sensor applications.
La presente patente protege un dispositivo sensor multifuncional basado en microhilos magnéticos multicapa y su utilización, no solo como sensores de campo magnético, sino también como sensores de posición, tensión, temperatura, químicos y ópticos.This patent protects a device multifunctional sensor based on multilayer magnetic microwires and its use, not only as magnetic field sensors, but also as position, voltage, temperature, chemical and Optical
Un objeto de esta invención se refiere a un dispositivo sensor multifuncional, que puede detectar diferentes modificaciones en el medio, y que comprende al menos:An object of this invention relates to a multifunction sensor device, which can detect different modifications in the medium, and that includes at least:
- a)to)
- Un microhilo magnético multicapa como elemento sensor, con geometría cilíndrica, formado por un núcleo metálico y recubierto por una o varias capas externas, con o sin capa aislante intermedia de vidrio, siendo necesario que, o bien el núcleo metálico, o bien una de las capas externas, sea magnética de forma que haya acoplamiento magnetoelástico,A multilayer magnetic micro thread as a sensor element, with geometry cylindrical, formed by a metal core and covered by one or several outer layers, with or without intermediate insulating layer of glass, being necessary that either the metal core, or a of the outer layers, be magnetic so that there is coupling magnetoelastic,
- b)b)
- Una fuente de alimentación para aplicar una corriente alterna a través del núcleo metálico del elemento sensor,A power supply to apply an alternating current through of the metal core of the sensor element,
- c)C)
- Un aparato de medida de las propiedades magnéticas del microhilo magnético multicapa, que dependerán de ciertas condiciones ambientales externas cambiantes,A apparatus for measuring the magnetic properties of the thread multilayer magnetic, which will depend on certain conditions changing external environmental,
- d)d)
- Dos conexiones eléctricas que conectan el elemento sensor con el aparato de medida y la fuente de alimentación , yTwo electrical connections that connect the sensor element with the device measurement and power supply, and
- e)and)
- Un soporte rígido o flexible, sobre el que queda fijado el elemento sensor o microhilo multicapa.A rigid or flexible support, on which the element is fixed multilayer sensor or micro thread.
Otro objeto de la invención es la utilización de este dispositivo sensor multifuncional en el campo de los sensores, en particular como sensor magnético, de tensión, de temperatura, de posición, óptico y químico.Another object of the invention is the use of This multifunction sensor device in the field of sensors, in particular as a magnetic, voltage, temperature, of position, optical and chemical.
La presente invención se refiere a un determinado dispositivo, formado por varios elementos, entre ellos un elemento de microhilos magnéticos multicapa, capaz de detectar modificaciones en el medio externo, funcionando como sensor magnético, térmico, de posición, de tensión, químico y óptico. Por tanto, el dispositivo sensor es multifuncional, siendo esta una ventaja importante frente a otros dispositivos existentes en el mercado. Otras ventajas que presenta el dispositivo sensor multifuncional residen en su bajo coste, alta sensibilidad, rápido tiempo de respuesta y de fácil integración en cualquier dispositivo miniaturizado debido a su pequeña masa y a sus reducidas dimensiones.The present invention relates to a certain device, consisting of several elements, including an element of multilayer magnetic microwires, capable of detecting modifications in the external environment, functioning as a sensor magnetic, thermal, position, tension, chemical and optical. By therefore, the sensor device is multifunctional, this being a important advantage over other existing devices in the market. Other advantages of the sensor device Multifunctional reside in its low cost, high sensitivity, fast response time and easy integration into any device miniaturized due to its small mass and its small dimensions.
Por lo tanto, un objeto de la invención hace referencia a un dispositivo sensor multifuncional, en adelante dispositivo sensor multifuncional de la invención, que puede utilizarse como sensor de diferentes parámetros, y que comprende, por lo menos:Therefore, an object of the invention makes reference to a multifunctional sensor device, hereinafter multifunction sensor device of the invention, which can be used as a sensor of different parameters, and that includes, at least:
- a)to)
- Un microhilo magnético multicapa como elemento sensor, con geometría cilíndrica, formado por un núcleo metálico y recubierto por una o varias capas externas, con o sin capa aislante intermedia de vidrio, apropiadas con el ambiente o medio que se quiere detectar. Es necesario que, o bien el núcleo metálico, o bien una de las capas externas sea magnética, de forma que haya acoplamiento magnetoelástico,A multilayer magnetic micro thread as a sensor element, with geometry cylindrical, formed by a metal core and covered by one or several outer layers, with or without intermediate insulating glass layer, appropriate with the environment or environment to be detected. Is it is necessary that either the metal core or one of the layers external be magnetic, so that there is coupling magnetoelastic,
- b)b)
- Una fuente de alimentación, que consiste en un equipo que genera un voltaje o una corriente alterna de pequeña amplitud en el núcleo del microhilo multicapa, típicamente entre 50 mV y 1V,A power supply, which consists of a computer that generates a voltage or a small amplitude alternating current in the core of the multilayer micro thread, typically between 50 mV and 1V,
- c)C)
- Un aparato de medida de las propiedades magnéticas del microhilo magnético multicapa, capaz de detectar cambios ambientales externos y convertirlos en señal electrónica,A apparatus for measuring the magnetic properties of the thread Multilayer magnetic, capable of detecting external environmental changes and convert them into electronic signal,
- d)d)
- Un soporte o material plano no conductor sobre el que se apoya el elemento sensor, pudiendo ser rígido o flexible, dependiendo de las condiciones ambientales a detectar, yA non-conductive support or flat material on which the sensor element, being able to be rigid or flexible, depending on the environmental conditions to be detected, and
- e)and)
- Dos conexiones de un elemento conductor capaz de transportar una corriente eléctrica, que conectan el elemento sensor con la fuente de alimentación y el aparato de medida.Two connections of a conductive element capable of transporting a electric current, which connect the sensor element with the source power and measuring device.
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que el núcleo metálico del elemento sensor descrito en a) es magnético.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which the metal core of the sensor element described in a) it is magnetic.
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que una de las capas externas del elemento sensor descrito en a) es magnética.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which one of the outer layers of the sensor element described in a) is magnetic.
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que tanto el núcleo metálico como una de las capas externas del elemento sensor descrito en a) son magnéticas.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which both the metal core and one of the layers external of the sensor element described in a) are magnetic.
Una realización particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que el elemento sensor descrito en a) es un microhilo formado por cuatro capas: un núcleo metálico magnético, una capa intermedia de vidrio sobre la que se deposita una capa nanométrica de Au u otro metal noble y una capa externa magnética, tal y como se muestra en la figura 2.A particular embodiment of the present invention is the multifunctional sensor device of the present invention in which the sensor element described in a) is a micro thread consisting of four layers: a magnetic metal core, an intermediate layer of glass on which a layer is deposited Au nanometer or other noble metal and a magnetic outer layer, as shown in figure 2.
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que una de las capas externas del elemento sensor descrito en a) es termocrómica, lo que posibilita su utilización como sensor óptico.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which one of the outer layers of the sensor element described in a) is thermochromic, which allows its use as an optical sensor
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que una de las capas externas del elemento sensor descrito en a) es orgánica, y sensible a las condiciones externas (como presencia de CO, gas, o concentración de ciertos elementos en fase líquido), lo que posibilita su utilización como sensor químico.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which one of the outer layers of the sensor element described in a) is organic, and sensitive to external conditions (such as the presence of CO, gas, or concentration of certain elements in liquid phase), which allows its use as a sensor chemical.
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que el núcleo metálico del elemento sensor descrito en a) esta formado por una aleación de Fe, Co o Ni, o de combinaciones entre ellos, o con otro metal, en diferentes porcentajes.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which the metal core of the sensor element described in a) it is formed by an alloy of Fe, Co or Ni, or of combinations between them, or with another metal, in different percentages
Un objeto particular de la presente invención lo constituye el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que el núcleo metálico del elemento sensor descrito en a) tiene porcentajes de Si, B u otros metaloides, que garantizan una estructura amorfa, y/o de Cr, Mo u otros metales de transición, que pueden ser añadidos para mejorar la resistencia a la corrosión y oxidación.A particular object of the present invention is constitutes the multifunctional sensor device of the present invention in which the metal core of the sensor element described in a) it has percentages of Si, B or other metalloids, which guarantee an amorphous structure, and / or Cr, Mo or other transition metals, which can be added to improve corrosion resistance and oxidation
Un objeto particular de la presente invención es el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que, como aparato de medida descrito en c) se utiliza un osciloscopio, amplificador, multímetro u otros dispositivos electrónicos, de forma que la señal de salida se recoge en forma de voltaje, resistencia, impedancia o inductancia de la capa magnética.A particular object of the present invention is the multifunction sensor device of the present invention in the that, as a measuring device described in c) a oscilloscope, amplifier, multimeter or other devices electronic, so that the output signal is collected in the form of voltage, resistance, impedance or inductance of the layer magnetic
Un objeto particular de la presente invención es el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que se utiliza un puente de impedancia (medidor de inductancia, capacitancia y resistencia, LCR-metro) que funcione al mismo tiempo como fuente de alimentación y aparato de medida, de forma que se consigue simplificar el dispositivo sensor.A particular object of the present invention is the multifunction sensor device of the present invention in the that an impedance bridge is used (inductance meter, capacitance and resistance, LCR-meter) that works at the same time as a power supply and measuring device, of way to simplify the sensor device.
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Un elemento particular de la presente invención es el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que no solo el elemento sensor esta sujeto al soporte, sino que los demás elementos del dispositivo son fijados, e incluso todo el dispositivo es montado en un circuito electrónico impreso.A particular element of the present invention it is the multifunctional sensor device of the present invention in that not only the sensor element is attached to the support, but that the other elements of the device are fixed, and even all the device is mounted on a printed electronic circuit.
Un elemento particular de la presente invención es el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que las conexiones, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la presente invención, pertenecen al siguiente grupo: cables conductores, pinturas conductoras, soldaduras a baja temperatura y/o pistas de circuito impreso (en el caso de tener todo el dispositivo montado en un circuito electrónico impreso).A particular element of the present invention it is the multifunctional sensor device of the present invention in that the connections, by way of illustration and without limiting the Scope of the present invention, belong to the following group: conductive cables, conductive paints, low welding temperature and / or printed circuit tracks (in the case of having entire device mounted on a printed electronic circuit).
Un elemento particular de la presente invención es el dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en el que el contacto entre elemento sensor descrito en a) y las conexiones descritas en e) se realiza de forma que la corriente aplicada pase solo por el núcleo metálico y no por las capas externas.A particular element of the present invention it is the multifunctional sensor device of the present invention in that the contact between sensor element described in a) and the connections described in e) is made so that the current applied pass only through the metal core and not through the layers external
Dos ejemplos diferentes de dispositivo sensor, con puente de impedancia y sin él, se muestran respectivamente en las figuras 3 y 4.Two different examples of sensor device, with and without impedance bridge, they are shown respectively in Figures 3 and 4.
Otro objeto de la invención de la patente es la utilización del dispositivo sensor multifuncional de la presente invención en la tecnología de los sensores, y más concretamente, su utilización como sensor magnético, de temperatura, de posición, de tensión, óptico o químico.Another object of the invention of the patent is the use of the multifunction sensor device of the present invention in sensor technology, and more specifically, its use as magnetic sensor, temperature, position, of Tension, optical or chemical.
La utilización del dispositivo sensor multifuncional como sensor se basa en el acoplamiento magnetoelástico que aparece en la(s) capa(s) magnética(s) como consecuencia de estar sometida(s) a una tensión mecánica, el cual depende de la composición de las capas del microhilo.The use of the sensor device Multifunctional as sensor is based on coupling magnetoelastic that appears in the layer (s) magnetic (s) as a result of being subjected to a mechanical tension, which depends on the composition of the micro thread layers.
Un caso particular para el cual se obtiene una respuesta optimizada es el de un microhilo con núcleo amorfo ferromagnético blando, capa de vidrio intermedia y una capa externa magnéticamente dura que produce un campo magnético axial DC, que satura el núcleo metálico. A la misma vez que el núcleo está saturado, una corriente alterna es aplicada a través de dicho núcleo, produciendo un campo magnético circular AC de pequeña amplitud, perpendicular al eje del hilo. Este pequeño campo alterno hace que la imanación en el núcleo oscile con un ángulo pequeño, \vartheta, entorno al eje axial. La aparición de tensiones, o, en el núcleo, causa que varíe el ángulo de oscilación de la imanación (acoplamiento magnetoelástico, MEC) respecto a la situación inicial. El cambio en la respuesta magnetoelástica del núcleo saturado se produce cuando varían las condiciones externas que generan esas tensiones. Este nuevo método de detección de la señal de salida se basa en un antiguo método propuesto por Narita en 1980 (método SAMR) [K. Narita; Measurement of Saturation Magnetostriction of Thin amorphous ribbon by means of Small Angle Magnetisation Rotation; IEEE Trans. Magn.; 16 (1980) 435-439] [P.L. Rossister, T. Keane; Small-angle magnetisation rotation of amorphous ribbons under tensile and compressive stresses. J. Mater. Sci., 21 (1986) 3248-3252][A. Hernando, M. Vázquez, V. Madurga, H. Kronmuller. Modification of Saturation magnetostriction constant afier termal treatments for Co_{58}Fe_{5}Ni_{10}B_{16}Si_{11} amorphous ribbon. J. Magn. Magn. Mater., 37(2): 161-163, 1983], usado para medir propiedades magnéticas (constante de saturación de la magnetoestricción). La diferencia entre el presente método, para la utilización del dispositivo como sensor, con el de Narita, reside en que el primero simplifica drásticamente el dispositivo de detección, de forma que no necesita ningún tipo de bobinas de Helmholtz, para crear los campos magnéticos, ni solenoides, para recoger la señal de salida, ni tampoco un dispositivo externo que aplique tensiones mecánicas en el microhilo.A particular case for which an optimized response is obtained is that of a micro wire with a soft ferromagnetic amorphous core, intermediate glass layer and a magnetically hard outer layer that produces an axial magnetic field DC, which saturates the metal core. At the same time that the core is saturated, an alternating current is applied through said core, producing a circular magnetic field AC of small amplitude, perpendicular to the axis of the wire. This small alternating field causes the magnetization in the core to oscillate with a small angle, rt, around the axial axis. The appearance of tensions, or, in the nucleus, causes the angle of oscillation of the magnetization (magnetoelastic coupling, MEC) to vary with respect to the initial situation. The change in the magnetoelastic response of the saturated nucleus occurs when the external conditions that generate these tensions vary. This new method of detecting the output signal is based on an old method proposed by Narita in 1980 (SAMR method) [K. Nose Measurement of Saturation Magnetostriction of Thin amorphous ribbon by means of Small Angle Magnetisation Rotation ; IEEE Trans. Magn .; 16 (1980) 435-439] [PL Rossister, T. Keane; Small-angle magnetization rotation of amorphous ribbons under tensile and compressive stresses . J. Mater. Sci., 21 (1986) 3248-3252] [A. Hernando, M. Vázquez, V. Madurga, H. Kronmuller. Modification of Saturation magnetostriction constant afier thermal treatments for Co_ {58} Fe_ {5} Ni_ {10} B_ {16} Si_ {11} amorphous ribbon . J. Magn. Magn. Mater., 37 (2): 161-163, 1983], used to measure magnetic properties (saturation constant of magnetostriction). The difference between the present method, for the use of the device as a sensor, with that of Narita, is that the first one dramatically simplifies the detection device, so that it does not need any type of Helmholtz coils, to create the magnetic fields, nor solenoids, to pick up the output signal, nor an external device that applies mechanical stresses on the micro thread.
La utilización del dispositivo sensor multifuncional de esta invención como sensor magnético se basa en que el elemento sensor, en el que al menos o bien el núcleo metálico, o bien una de las capas externas es magnética, montado sobre un soporte rígido, modifica sus propiedades magnéticas con pequeños cambios de campo magnético externo. Esto es debido al acoplamiento magnetoelástico de una de las capas externas con el núcleo metálico, puesto que cuando se aplica un campo magnético externo, la magnetoestricción de la(s) capa(s) (propiedad de los materiales ferromagnéticos que cambian de tamaño bajo la aplicación de un campo magnético) produce tensiones internas en el microhilo multicapa, variando la señal de salida.The use of the sensor device Multifunctional of this invention as magnetic sensor is based on that the sensor element, in which at least or the core metallic, or one of the outer layers is magnetic, mounted on a rigid support, modify its magnetic properties with Small changes of external magnetic field. This is due to magnetoelastic coupling of one of the outer layers with the metal core, since when a magnetic field is applied external, magnetostriction of the layer (s) (property of ferromagnetic materials that change size under the application of a magnetic field) produces tensions internal in the multilayer micro thread, varying the output signal.
La utilización del dispositivo sensor multifuncional de esta invención como sensor de temperatura se basa en que cuando se produce un cambio de temperatura en el medio, la diferencia de los coeficientes de expansión térmica entre el núcleo metálico y las capas externas genera tensiones internas en el núcleo, modificándose las propiedades magnéticas del núcleo metálico y, por tanto, la señal eléctrica de salida.The use of the sensor device multifunctional of this invention as temperature sensor is based in which when there is a change in temperature in the medium, the difference in thermal expansion coefficients between the core metallic and the outer layers generates internal tensions in the nucleus, modifying the magnetic properties of the nucleus metallic and, therefore, the electrical output signal.
La utilización del dispositivo sensor multifuncional de esta invención como sensor de posición se basa en que el efecto del campo magnético terrestre, cuyo valor varía con la dirección, produce que el núcleo metálico del elemento sensor modifique sus propiedades magnéticas al cambiar su orientación. En este caso también la muestra está fija a un soporte rígido, para que el cambio en las propiedades magnéticas del núcleo metálico sean sólo debidas a modificaciones del campo magnético, y no a otro tipo de variaciones en el entorno.The use of the sensor device Multifunctional of this invention as position sensor is based on that the effect of the earth’s magnetic field, whose value varies with the direction, produces that the metallic core of the sensor element Modify its magnetic properties by changing its orientation. In this case also the sample is fixed to a rigid support, to that the change in the magnetic properties of the metal core be only due to modifications of the magnetic field, and not to another type of variations in the environment.
Las tensiones generadas en el elemento sensor por una fuerza externa modifican las propiedades magnéticas del núcleo metálico, variando por tanto la señal de salida. Este hecho posibilita la utilización del dispositivo sensor multifuncional de esta invención como sensor de tensión. Las tensiones pueden ser de presión, flexión, tracción y torsión. Para poder detectar las dos primeras se requiere de un único soporte rígido y flexible respectivamente, permitiendo la detección de presión generada por el flujo de fluidos (líquidos o gases) o bien la curvatura del elemento sensor. Para la detección de tensiones de tracción o torsión, se requiere de dos pequeños soportes rígidos, cada uno situado a ambos extremos del microhilo, quedando el resto del microhilo libre.The tensions generated in the sensor element by an external force modify the magnetic properties of the metal core, thus varying the output signal. This fact enables the use of the multifunction sensor device of This invention as a voltage sensor. The tensions can be of pressure, flexion, traction and torsion. In order to detect both First requires a single rigid and flexible support respectively, allowing the detection of pressure generated by the fluid flow (liquids or gases) or the curvature of the sensor element For the detection of tensile stresses or torsion, two small rigid supports are required, each located at both ends of the thread, leaving the rest of the free micro thread.
La introducción de una capa adicional en el elemento sensor del dispositivo sensor multifuncional de la presente invención posibilita su utilización para otro tipo de aplicaciones. Así, incluyendo una capa externa adicional termocrómica, la irradiación IR producirá tensiones en la interfase entre el núcleo metálico y las capas externas, y el dispositivo se podrá utilizar como sensor óptico. De igual forma, la inclusión de una capa externa orgánica sensible a las condiciones externas (como presencia de CO, gas, o concentración de ciertos elementos en fase líquido), inducirá tensiones en el núcleo metálico, por expansión de dicha capa como consecuencia de la absorción o reacción del elemento seleccionado, y posibilitará el uso del dispositivo sensor multifuncional como sensor químico, con aplicaciones en detección de humo, o diversos gases.The introduction of an additional layer in the sensor element of the multifunction sensor device of the This invention allows its use for other types of Applications. Thus, including an additional outer layer thermochromic, IR irradiation will produce tensions at the interface between the metal core and the outer layers, and the device is You can use as an optical sensor. Similarly, the inclusion of an organic outer layer sensitive to external conditions (such as presence of CO, gas, or concentration of certain elements in phase liquid), will induce tensions in the metal core, by expansion of said layer as a result of the absorption or reaction of the selected element, and will allow the use of the sensor device multifunctional as a chemical sensor, with applications in detection of smoke, or various gases.
Figura 1: Montaje experimental de la técnica de electrodeposición: (1) Contactos eléctricos, (2) Cátodo, (3) Ánodo, (4) Vidrio, (5) Microhilo, (6) Peso inerte, (7) Celda de platino.Figure 1: Experimental assembly of the technique of electrodeposition: (1) Electrical contacts, (2) Cathode, (3) Anode, (4) Glass, (5) Micro wire, (6) Inert weight, (7) Cell platinum.
Figura 2: Esquema de un microhilo multicapa magnético: (1) Núcleo metálico, (2) Vidrio, (3) metal noble depositado por sputtering (Au, Ag, Ti...), (4) Metal electrodepositado (Ni, Co, Fe, Ag, Cu...).Figure 2: Scheme of a multilayer micro thread Magnetic: (1) Metal core, (2) Glass, (3) noble metal deposited by sputtering (Au, Ag, Ti ...), (4) Metal electrodeposing (Ni, Co, Fe, Ag, Cu ...).
Figura 3: Montaje experimental del dispositivo sensor multifuncional en el que se utiliza un puente de impedancia (LCR-metro), que funciona al mismo tiempo como aparato de medida y fuente de alimentación.Figure 3: Experimental assembly of the device multifunction sensor in which an impedance bridge is used (LCR-meter), which works at the same time as measuring device and power supply.
Figura 4: Montaje experimental del dispositivo sensor multifuncional usando una fuente de alimentación y aparato de medida independientes: (1) Preamplificador, (2) Filtro (100KHz), (3) Lock-in amplificador, (4) Fuente AC (100 KHz; 2 mA), (5) Señal de salida, (6) Elemento sensor.Figure 4: Experimental assembly of the device multifunction sensor using a power supply and device Independent measurement: (1) Preamplifier, (2) Filter (100KHz), (3) Lock-in amplifier, (4) AC source (100 KHz; 2 mA), (5) Output signal, (6) Sensor element.
Figura 5: Variación de la inductancia en función del campo magnético aplicado (Medidas de magnetoinductancia) para un dispositivo sensor multifuncional con microhilo multicapas con j = 24 mA/cm^{2} y t = 60 min.Figure 5: Variation of the inductance as a function of the applied magnetic field (Magnetoinductance measurements) to a multifunction sensor device with multilayer micro thread with j = 24 mA / cm2 and t = 60 min.
Figura 6: Variación de la inductancia, L, con la temperatura para un dispositivo sensor multifuncional con microhilo multicapas con j = 1 mA/cm^{2} y t = 30min.Figure 6: Variation of inductance, L, with the temperature for a multifunction sensor device with micro thread multilayers with j = 1 mA / cm2 and t = 30min.
Figura 7: Tiempo de respuesta del sensor de temperatura para un dispositivo sensor multifuncional con microhilos multicapas j = 12 mA/cm^{2} y t = 15 min.Figure 7: Response time of the sensor temperature for a multifunction sensor device with multilayer microwires j = 12 mA / cm2 and t = 15 min.
Figura 8: Dependencia de la inductancia con la orientación del elemento sensor en un dispositivo sensor multifuncional con microhilos multicapas con j = 24 mA/cm^{2} y t = 30 min.Figure 8: Dependence on inductance with orientation of the sensor element in a sensor device multifunctional with multilayer microwires with j = 24 mA / cm2 and t = 30 min.
Figura 9: Variación de la inductancia con la tensión mecánica (de tracción) aplicada en el núcleo metálico de un dispositivo sensor multifuncional con microhilo multicapas con j = 24 mA/cm^{2} y t = 30 min.Figure 9: Variation of inductance with mechanical (tensile) tension applied to the metal core of a multifunction sensor device with multilayer micro thread with j = 24 mA / cm2 and t = 30 min.
Figura 10: Variación de la inductancia con la flexión mecánica aplicada en un dispositivo sensor multifuncional con un microhilo multicapa con j = 24 mA/cm^{2} y t = 30 min.Figure 10: Variation of inductance with mechanical flexion applied in a multifunctional sensor device with a multilayer micro thread with j = 24 mA / cm2 and t = 30 min.
Todos los ejemplos que se citan a continuación han sido realizados con el dispositivo sensor multifuncional que presenta las siguientes características:All the examples cited below have been made with the multifunction sensor device that It has the following characteristics:
Como elemento sensor se ha utilizado un
microhilo de diámetro 41.6 \mum, constituido por un núcleo
metálico tiene una composición Co_{67. 06}Fe_{3. 84}Ni_{1.
44}B_{11. 53}Si_{1. 66} y un diámetro de 17.4 \mum recubierto
por una capa pirex de espesor
12.1 \mum, sobre el cual se
ha depositado una capa de Au por sputtering con un espesor de 30 nm
y como capa externa se ha depositado CoNi por electrodeposición. El
porcentaje relativo de CoNi depositado depende de la densidad de
corriente de la electrodeposición, mientras que su espesor depende
tanto de la densidad de corriente como del tiempo de
electrodeposición, típicamente entre 5 y 15 \mum. En los ejemplos
las densidades de corriente de electrodeposición usadas son 1, 12 y
24 mA/cm^{2} y los tiempos de electrodeposición son de 15, 30 y
60 minutos. La longitud del núcleo metálico recubierto por vidrio es
de 3 cm, mientras que la de la capa externa es de 2.5 cm, debido a
que los extremos del microhilo deben de estar libre de deposición
del material magnético con el fin de facilitar los contactos del
núcleo con la fuente de alimentación AC y el aparato de medida .
Como fuente de alimentación y aparato de medida se ha utilizado un
puente de impedancia comercial (LCR-metro HP
4284A), las frecuencias de la señal alterna aplicada en el núcleo
han sido 1 MHz y 100 KHz y la amplitud 100 mV. Las conexión entre el
puente de impedancia y el microhilo se ha realizado con cables
coaxiales o hilo de Cu (solo en medidas de tracción). Para el
contacto entre el núcleo metálico del microhilo y los cables se ha
usado pintura conductora de Ag. La señal de salida ha sido recogida
en todos los casos en forma de inductancia del núcleo metálico.As sensor element, a micro wire with a diameter of 41.6 µm has been used, consisting of a metal core having a Co 67 composition. 06} Fe_ {3. 84} Ni_ {1. 44} B_ {11. 53} Yes_ {1. 66} and a diameter of 17.4 µm coated by a thick pyrex layer
12.1 µm, on which an Au layer has been deposited by sputtering with a thickness of 30 nm and as an external layer CoNi has been deposited by electrodeposition. The relative percentage of CoNi deposited depends on the electrodeposition current density, while its thickness depends on both the current density and the electrodeposition time, typically between 5 and 15 µm. In the examples the electrodeposition current densities used are 1, 12 and 24 mA / cm2 and the electrodeposition times are 15, 30 and 60 minutes. The length of the metal core covered by glass is 3 cm, while the length of the outer layer is 2.5 cm, because the ends of the micro wire must be free of deposition of the magnetic material in order to facilitate the contacts of the core with the AC power supply and measuring device. A commercial impedance bridge (LCR-meter HP 4284A) has been used as the power supply and measuring device, the frequencies of the alternating signal applied in the core have been 1 MHz and 100 KHz and the amplitude 100 mV. The connection between the impedance bridge and the micro wire has been made with coaxial cables or Cu wire (only in tensile measurements). For the contact between the metallic core of the wire and the wires, conductive paint of Ag has been used. The output signal has been collected in all cases in the form of inductance of the metallic core.
El elemento sensor se ha colocado en el interior de unas medio de un par de bobinas de Helmholtz (dos bobinas, paralelas y conectadas, de Cu, de fabricación casera cuya distancia es igual al radio de las bobinas ,120mm, y con 500 espiras cada bobina que generan un campo magnético axial homogéneo en la zona intermedia de 36.8 Oe/A por amperio de corriente de la fuente de alimentación) y en dirección perpendicular a éstas, las cuales al ser alimentadas por una fuente de alimentación DC comercial (Hameg) generan un campo magnético axial, continuo y homogéneo en el espacio intermedio entra ambas bobinas. Como elemento sensor ha sido utilizado un microhilo multicapa con una densidad de corriente y un tiempo de electrodeposición del CoNi de 24 mA/cm^{2} y 60 min respectivamente. En la figura 5 se observa la dependencia de la inductancia con el campo magnético para una frecuencia de 1 MHz. En el rango de campo magnético entre 0 a 15 Oe la inductancia decrece desde 9.5 a 2.5 \muH aproximadamente, demostrándose la sensibilidad del dispositivo sensor frente a cambios de campo magnético.The sensor element has been placed inside of about half a pair of Helmholtz coils (two coils, Parallel and connected, Cu, home-made whose distance It is equal to the radius of the coils, 120mm, and with 500 turns each coil that generate a homogeneous axial magnetic field in the area Intermediate 36.8 Oe / A per ampere of source current feeding) and in perpendicular direction to these, which at be powered by a commercial DC power supply (Hameg) generate an axial magnetic field, continuous and homogeneous in space intermediate enters both coils. As a sensor element it has been used a multilayer micro thread with a current density and a CoNi electrodeposition time of 24 mA / cm2 and 60 min respectively. Figure 5 shows the dependence of the inductance with the magnetic field for a frequency of 1 MHz. the magnetic field range between 0 to 15 Oe the inductance decreases from 9.5 to 2.5 µH approximately, demonstrating the sensitivity of the sensor device against field changes magnetic.
El sensor ha sido testado tanto en agua ultrapura como en aire. El dispositivo de calentamiento del agua ultrapura se ha realizado en un baño comercial (Selecta-Digiterm), mientras que el calentamiento de aire se ha realizado en un horno comercial (Termiber) que tiene la posibilidad de sacar las conexiones fuera del horno para medir las propiedades magnéticas del sensor con la temperatura. La figura 6 muestra la dependencia de la inductancia con la temperatura para un microhilo multicapa con una densidad de corriente y un tiempo de electrodeposición del CoNi de 1 mA/cm^{2} y 30 minutos, respectivamente. En el rango de temperatura entre 5 y 60°C la inductancia aumenta hasta un 1200% su valor inicial, siendo la sensibilidad del dispositivo sensor muy alta, 20.22%/°C. En la figura 7 se muestra el tiempo de respuesta del sensor de temperatura para un microhilo con una densidad de corriente y un tiempo de electrodeposición del CoNi de 12 mA/cm^{2} y 15 minutos, respectivamente. El cambio de temperatura aplicado en dicha medida es de 23°C, correspondiendo el 0% al valor de la inductancia antes del cambio de temperatura, y el 100% al valor de estabilización de la inductancia después del cambio de temperatura. Definiendo la constante de tiempo de un sensor como el tiempo que tarda el valor final en decaer 1/e, posee un valor para este ejemplo de 0.67 segundos, lo que demuestra un rápido tiempo de respuesta del dispositivo sensor acorde con la pequeña masa del microhilo multicapa magnético. Para ambas figuras la frecuencia usada ha sido de 1 MHz.The sensor has been tested both in water ultrapure as in air. The water heating device ultrapure has been performed in a commercial bathroom (Selecta-Digiterm), while heating air has been made in a commercial oven (Termiber) that has the possibility of taking the connections out of the oven to measure the magnetic properties of the sensor with temperature. Figure 6 shows the dependence of inductance on temperature for a multilayer micro thread with a current density and a time of electrodeposition of CoNi of 1 mA / cm2 and 30 minutes, respectively. In the temperature range between 5 and 60 ° C the inductance increases its initial value up to 1200%, being the Sensitivity of the sensor device very high, 20.22% / ° C. In the Figure 7 shows the response time of the sensor temperature for a micro thread with a current density and a CoNi electrodeposition time of 12 mA / cm2 and 15 minutes, respectively. The temperature change applied in This measure is 23 ° C, 0% corresponding to the value of the inductance before the temperature change, and 100% to the value of stabilization of the inductance after the temperature change. Defining the time constant of a sensor as the time that it takes the final value to decay 1 / e, it has a value for this example of 0.67 seconds, which demonstrates a quick time of sensor response according to the small mass of the magnetic multilayer micro thread. For both figures the frequency used has been 1 MHz.
Todo el dispositivo sensor está montado sobre
una plataforma circular giratoria de radio 0.3 m de fabricación
casera que tiene acoplado un goniómetro, también de fabricación
casera. Al rotar la plataforma, la variación del campo magnético
terrestre con la dirección hace que la señal de salida varíe,
permitiendo deducir la orientación del sensor. En la figura 8 se
observa la dependencia de la inductancia con el ángulo de giro para
un microhilo multicapa magnético cuya densidad de corriente y el
tiempo de electrodeposición del CoNi ha sido de 24 mA/cm^{2} y 30
min, respectivamente. Se observa como a medida que se gira el
sensor la inductancia aumenta considerablemente hasta llegar a un
máximo, que corresponde aproximadamente a un giro de 180° y a partir
de aquí empieza a disminuir hasta que llegar a su valor inicial,
que lógicamente corresponde a 360°. La diferencia entre el mínimo y
el máximo, 1 y 91.1 H, demuestran nuevamente la alta sensibilidad
que posee el dispositivo sensor. La frecuencia usada ha sido
de
100 KHz.The entire sensing device is mounted on a rotating circular platform of 0.3 m radius of homemade construction that has a goniometer attached, also homemade. When rotating the platform, the variation of the terrestrial magnetic field with the direction causes the output signal to vary, allowing to deduce the orientation of the sensor. Figure 8 shows the dependence of the inductance with the angle of rotation for a multilayer magnetic wire whose current density and electrodeposition time of CoNi has been 24 mA / cm2 and 30 min, respectively. It is observed that as the sensor is rotated, the inductance increases considerably until it reaches a maximum, which corresponds approximately to a 180 ° rotation and from here it begins to decrease until it reaches its initial value, which logically corresponds to 360 ° . The difference between the minimum and the maximum, 1 and 91.1 H, once again demonstrates the high sensitivity of the sensor device. The frequency used has been
100 kHz
La dependencia de la inductancia con las tensiones es mostrada en la figura 9 y 10 para una frecuencia de 1 MHz y 100 KHz, respectivamente. En ambas figuras la densidad de corriente y el tiempo de electrodeposición del CoNi ha sido de 24 mA/cm^{2} y 30 minutos, respectivamente. En el caso de la figura 9 la tensión aplicada es de tracción (a lo largo del eje del hilo), para cuya aplicación, el núcleo del elemento sensor queda fijado por sus extremos a dos pequeños soportes rígidos quedando el resto libre, sobre estos soportes se realiza los contactos entre el núcleo del elemento sensor y el cable de Cu. Uno de los cable de Cu se fija a un objeto inmóvil, mientras que el otro se pasa por una polea y se le acopla un pequeño portapesas que queda suspendido en el aire. A medida que se va depositando más masa en el portapesas, el microhilo se va tensionando más. Para el rango de tracción entre 0 y 130 MPa la inductancia decrece 1.7 \muH. En la figura 10 la tensión aplicada es de flexión. Para la aplicación de flexión se monta el microhilo en un soporte flexible, un extremo del soporte se fija a un objeto inmóvil y el otro queda libre, la aplicación de tensiones de flexión se produce usando un objeto móvil que va flexionando el extremo libre del soporte, y por tanto el microhilo. Para un ángulo de flexión entre 0 y 30° la inductancia incrementa en 0.5 \muH. En este ejemplo la sensibilidad se puede mejorar modificando los parámetros de la capa externa (composición, corriente y tiempo de electrodeposición) y de la señal AC que atraviesa el núcleo (frecuencia y amplitud).The dependence of inductance on voltages are shown in figure 9 and 10 for a frequency of 1 MHz and 100 KHz, respectively. In both figures the density of current and electrodeposition time of CoNi has been 24 mA / cm2 and 30 minutes, respectively. In the case of the figure 9 the tension applied is tensile (along the axis of the thread), for whose application, the core of the sensor element is fixed by its ends to two small rigid supports remaining the rest free, on these supports contacts between the core of the sensor element and the Cu cable. One of the Cu cables it is fixed to a motionless object, while the other is passed through a pulley and a small weight carrier that is suspended in the air. As more mass is deposited in the weight holder, The thread is becoming more stressed. For traction range between 0 and 130 MPa inductance decreases 1.7 µH. In figure 10 the applied tension is flexion. For the application of flexion mount the micro thread on a flexible support, one end of the support it is fixed to a still object and the other is free, the application of bending stresses are produced using a moving object that goes flexing the free end of the support, and therefore the micro thread. For an angle of flexion between 0 and 30 ° the inductance increases in 0.5 µH. In this example the sensitivity can be improved modifying the parameters of the outer layer (composition, electrodeposition current and time) and of the AC signal that crosses the nucleus (frequency and amplitude).
Claims (16)
- a)to)
- Microhilo magnético multicapa como elemento sensor, con geometría cilíndrica, formado por un núcleo metálico y recubierto por una o varias capas externas, con o sin capa aislante intermedia de vidrio, siendo necesario que, o bien el núcleo metálico, o bien una de las capas externas sea magnética, para que se produzca acoplamiento magnetoelástico,Multilayer magnetic wire like sensor element, with cylindrical geometry, formed by a core metallic and covered by one or several outer layers, with or without intermediate insulating layer of glass, being necessary that either metallic core, or one of the outer layers is magnetic, for magnetoelastic coupling to occur,
- b)b)
- Fuente de alimentación que genera un voltaje o corriente alterna de pequeña amplitud en el núcleo del microhilo multicapa, típicamente entre 50 mV y 1V,Power supply that generates a voltage or alternating current of small amplitude in the core of the multilayer micro wire, typically between 50 mV and 1V,
- c)C)
- Aparato de medida de las propiedades magnéticas del microhilo magnético multicapa, que detecta cambios ambientales externos y los convierte en señal electrónica,Property measuring device magnetic multilayer magnetic thread, which detects changes external environmental and converts them into electronic signal,
- d)d)
- Soporte o material plano no conductor, sobre el que se apoya el elemento sensor, pudiendo ser rígido o flexible, ySupport or non-conductive flat material, on which the sensor element rests, being able to be rigid or flexible, and
- e)and)
- Dos conexiones de un elemento conductor capaz de transportar una corriente eléctrica, que conectan el elemento sensor con la fuente de alimentación y el aparato de medida.Two connections of a conductive element capable of transporting a electric current, which connect the sensor element with the source power and measuring device.
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