ES2558624B1 - Sensores basados en placas con nanohilos magnéticos - Google Patents

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Abstract

Sensores basados en placas con nanohilos magnéticos.#Se da a conocer un sensor de variables físicas de un primer objeto (2), en particular, de velocidad rotacional y de posición de dicho primer objeto (2) mediante una combinación de placas (3) que comprenden nanohilos magnetizados y detectores de campo magnético (4) generado por dichos nanohilos magnetizados. En concreto, se dan a conocer dos realizaciones en las que, para la medición de la velocidad rotacional del primer objeto (2) se digitaliza la detección del campo magnético generado por los nanohilos y, para la medición de la posición, se utiliza la señal analógica de campo magnético detectado para calcular la distancia entre primer objeto (2) y el detector (4).

Description

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DESCRIPCION
Sensores basados en placas con nanohilos magneticos.
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention da a conocer diversos tipos de sensores cuyo funcionamiento se basa en la utilization de placas o pellculas que disponen de nanohilos magneticos. En particular, la presente invencion da a conocer sensores de position y de aceleracion en base a la detection de campos magneticos generados por nanohilos dispuestos en una placa o pellcula.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Son conocidos diversos tipos de sensores para la medicion de la posicion y/o de la velocidad rotacional de un objeto. En particular, son conocidos los sensores que miden la velocidad y/o la distancia de un objeto de manera no-intrusiva mediante, por ejemplo, medios opticos.
En particular, en cuanto a velocidad rotacional se refiere, son conocidos los sensores de velocidad rotacional que comprenden un emisor de luz, un receptor de luz y un codificador que gira junto con el objeto cuya velocidad se pretende medir, estando dicho objeto dispuesto, parcialmente, entre el emisor y el receptor de luz de manera tal que interrumpe el paso de luz con una determinada frecuencia y, en funcion de dicha frecuencia de interruption de luz, se determina la velocidad rotacional del objeto.
Por otra parte, son conocidos sensores de posicion mediante laser en los que se mide el tiempo que transcurre entre la emision de un haz de luz y la reception de dicho haz tras rebotar en un objeto. Disponiendo del tiempo que transcurre entre la emision del haz y la recepcion del haz rebotado as! como de la velocidad de la luz, se calcula la distancia que ha recorrido dicho haz.
Dichas tecnicas son ampliamente utilizadas pero tienen el problema de que se requiere la presencia de un emisor y un receptor activos (ambos energizados durante el proceso de sensado) y, ademas, en el caso del sensor de velocidad rotacional, se requiere realizar modificaciones a la estructura del objeto a fin de poder medir su velocidad.
Por otra parte, son conocidos en la tecnica diversos metodos para la generation de campos magneticos que puedan ser utilizados en el campo de los medidores de diversas variables flsicas, por ejemplo, mediante el uso de nanohilos con partlculas magneticas. Algunas soluciones que apuntan a la utilizacion de nanohilos se plantean, por ejemplo, en el documento US2010/0132465 en el que se da a conocer un sensor de aceleracion que incorpora un nanohilo con una nanopartlcula magnetica dispuesta en su parte superior. El funcionamiento del dispositivo que da a conocer dicho documento es tal que, al someter el nanohilo a una aceleracion, por efecto de la inercia, el nanohilo se inclina y la nanopartlcula se acerca a un placa en la que se detecta la intensidad de campo magnetico de la nanopartlcula. Cuanto mas cercana este la nanopartlcula a la placa mayor sera la aceleracion a la que esta sometida el nanohilo y, en consecuencia, mayor sera la intensidad de campo magnetico detectada.
El dispositivo dado a conocer en dicho documento presenta el problema de que la fabricacion de dichos nanohilos con nanopartlculas adheridas a su superficie superior requiere un proceso complejo y, ademas, la placa detectora requiere una sensibilidad apreciable para poder detectar campos magneticos de baja intensidad. Por otra parte, este principio de funcionamiento es aplicable a sensores de aceleracion pero es diflcilmente aplicable, por ejemplo, a sensores de velocidad rotacional o posicion.
Ademas, este tipo de sensores requiere la modification del objeto del que se pretende medir la variable flsica e incorporar diversos dispositivos en el mismo tales como sensores, nanohilos,
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fuentes de alimentacion etc.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Por tanto, se hace necesario disponer de dispositivos de menor coste y que permitan realizar mediciones de diversas variables fisicas y que no involucren modificaciones sustanciales en el objeto o los objetos sobre los cuales se realiza la medicion. Ademas, conviene disponer de dispositivos que no requieran la incorporation de elementos sensibles tales como fuentes de alimentacion, detectores de campo, etc. en el objeto o los objetos sobre los que se desea realizar el sensado.
En consecuencia, la presente invention da a conocer un sensor del tipo que comprende, al menos, una placa o pelicula con nanohilos en el que dicha placa o pelicula con nanohilos se dispone unida a uno o varios objetos de los que se pretende realizar una medicion de una variable fisica, siendo dichos nanohilos magneticos y comprendiendo dicho sensor un detector de campo magnetico generado por dichos nanohilos estando dispuesto dicho detector de campo magnetico separado de dicha placa o pelicula y de dichos nanohilos.
En una realization preferente, los nanohilos son nanohilos metalicos magnetizados y, en particular, son nanohilos magnetizados ferromagneticos y/o ferrimagneticos y el material del que estan fabricados dichos nanohilos puede comprender, por ejemplo, hierro, cobalto, niquel o una combination entre ellos y, mas preferentemente, su composition es Fe30Co70.
En cuanto a la placa, en una realizacion preferente, comprende una membrana nanoporosa que puede tener diametros de poro de aproximadamente 40 nm y un espacio entre poros de aproximadamente 105 nm. De manera especialmente preferente,
la membrana es una membrana de oxido de aluminio anodizado (AAO) y dicha membrana puede ser, por ejemplo, del tipo obtenida mediante irradiation de matrices polimericas o anodization catodica.
Particularmente, el sensor de la presente invencion puede ser utilizado para medir, como variable fisica, la velocidad rotacional del objeto o los objetos.
En caso de que se desee medir la velocidad rotacional del objeto o los objetos, una realizacion preferente, seria que el detector de campo magnetico disponga de un umbral de campo magnetico definido por el usuario y, preferentemente, se disponga de un contador del numero de veces que el campo magnetico detectado por el detector de campo magnetico excede el umbral de campo magnetico definido por el usuario. De esta manera se realiza un conteo del numero de campos magneticos que se han detectado por el detector y este parametro, junto con el tiempo ocurrido entre detecciones, permite calcular la velocidad rotacional del objeto o los objetos.
Este tipo de medicion podria considerarse como una medicion digital de la velocidad rotacional del objeto o los objetos.
Por otra parte, el sensor de la presente invencion puede ser utilizado para medir, como variable fisica, la position del objeto o los objetos. Esta medicion seria una medicion analogica del campo magnetico detectado mediante el detector de campos magneticos ya que la intensidad de campo magnetico seria inversamente proporcional a la distancia entre el detector de campo magnetico y el objeto o los objetos.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de
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realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha description, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una realization preferente de un sensor de velocidad rotacional segun la presente invention.
La figura 2 muestra la respuesta en voltaje obtenida mediante el sensor de velocidad rotacional de la figura 1.
La figura 3 muestra una comparativa entre la respuesta del sensor de velocidad rotacional de la figura 1 y la velocidad real del motor.
La figura 4 muestra una grafica de respuesta en voltaje obtenida mediante un sensor de position segun la presente invencion.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
La figura 1 muestra un ejemplo de realization de un sensor segun la presente invention aplicado a medir, como variable flsica, la velocidad rotacional de un primer objeto (2). Para este ejemplo, se ha conectado dicho primer objeto (2) a un motor (1). Ademas, se ha unido a dicho primer objeto (2) una placa (3) y dicha placa (3) comprende una matriz porosa con nanohilos de Fe30Co70 magnetizados.
La medicion de velocidad rotacional de este ejemplo se realiza mediante la utilization del campo magnetico producido por matrices de nanohilos magneticos, ordenados o desordenados dispuestos en la placa (3). Las matrices nanoporosas se pueden fabricar por distintos metodos, tales como irradiation de matrices polimericas o anodization catodica de aluminio, titanio, silicio u otros elementos o aleaciones. En los nanoporos de estas matrices se crecen nanohilos magneticos por cualquier proceso flsico o qulmico. En la actualidad el metodo mas utilizado es el de electrodeposicion aunque podrlan usarse otros tales como deposition de capas atomicas (ALD), la reaction qulmica de sales que contienen elementos magneticos o la deposition qulmica humeda.
La longitud de estos hilos sera siempre mayor que su diametro. Debido a la anisotropla magnetica de forma, que puede verse reforzada por anisotroplas de otro origen tales como magnetocristalina o magnetoelastica, la imanacion de estos nanohilos es paralela al eje de dichos nanohilos y por lo tanto producira un campo magnetico externo que es perpendicular al plano de la placa (3) que aloja a los nanohilos. Este campo magnetico resultante es, sustancialmente, la suma vectorial del campo magnetico generado por cada uno de los nanohilos magneticos.
Otras posibles formas de producir campo magnetico en pellculas delgadas de unas micras de espesor pueden ser la orientation de partlculas de ferrita de bario o estroncio en un medio polimerico flexible o la production de pellculas delgadas de materiales magneticos con una alta anisotropla magnetocristalina perpendicular al plano de la pellcula, que supera a la anisotropla magnetica de forma.
En el primer caso el valor de la imanacion de saturation de estas ferritas es muy bajo (alrededor de 300 emu/cm3), lo que implica que el valor del campo magnetico generado por estos materiales compuestos no es muy alto; ademas la alineacion de las partlculas nunca sera tan perfecta como en el caso de las matrices nanoporosas, donde los nanohilos magneticos son paralelos entre ellos y perpendiculares a la superficie de la matriz. En el segundo caso los materiales empleados en estas aleaciones, tales como Pt, encarecen enormemente el producto.
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La utilization de este tipo de matrices con nanohilos magneticos resuelve el problema de la utilization de peliculas delgadas magneticas generadoras de campo magnetico en determinados dispositivos donde el volumen de material magnetico es vital en contraste con la utilization de imanes que, por cuyas dimensiones, no podrian utilizarse en ciertas aplicaciones.
En el caso de la presente realization, un pequeno trozo de placa (3) que dispone de una matriz con nanohilos genera un campo magnetico que se mide mediante un detector de campo magnetico (4). Ademas, se dispone un controlador en el que se define un umbral de campo magnetico a partir del cual se considera que la detection representa un paso de la placa (3) por el detector de campo magnetico (4) y asi, digitalmente, se determina la cantidad de veces que ha pasado la placa (3) por el detector de campo magnetico (4). Adicionalmente, en el controlador se dispone de un contador que determina la cantidad de veces por segundo que pasa la placa (3) por el detector de campo magnetico (4) y, a partir de estos datos, se determina la frecuencia (o la velocidad rotacional) del primer objeto (2).
En la figura 2 se observa un grafico de las mediciones obtenidas para una velocidad de motor (1) en una configuration segun la figura 1.
En particular se observa que, en la medicion, se obtiene un primer pico (5), un segundo pico (6) y un tercer pico (7) en los que el campo magnetico es mayor respecto al resto de senales, en consecuencia, resulta evidente que estos picos (5, 6, 7) representan pasos de la placa (3) por el detector de campo magnetico (4).
Para calcular la velocidad del primer objeto (2) se mide el intervalo (8) de tiempo transcurrido entre picos (5, 6, 7), en particular, el intervalo (8) transcurrido entre el primer pico (5) y el segundo pico (6). Para el ejemplo de la figura 2 se tiene dicho intervalo (8) es de 12,9 ms.
Dado que el primer objeto (2) dispone de una unica placa (3) con nanohilos magneticos, la frecuencia con la que gira dicho primer objeto (2) es de 77,52 Hz, lo que representa una velocidad rotacional de 4651,2 RPM. Dichos calculos vienen dados por las siguientes ecuaciones:
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/ = I250[^ = 77-52 [Hz|
Vrot = 77,52 [s-1] * 60 [s] = 4651,2 [RPM]
La figura 3 muestra una grafica en la que se demuestra la precision del sensor de la presente invention. En particular, dicha grafica muestra una senal de calibration (10) que, a efectos practicos, se puede interpretar como la velocidad real del primer objeto (2) y la frecuencia (9) medida mediante el sensor de la presente invention. Como conclusion principal, se obtiene una precision muy alta ya que dichas senales son muy semejantes durante todo el rango para el cual se ha realizado la evaluation.
La figura 4 muestra una segunda realization de un sensor segun la presente invention en la que se utiliza la misma combination de nanohilos magneticos y detector de campo magnetico (4) pero para evaluar la posicion de un segundo objeto (no representado).
En concreto en el eje de las abscisas se dispone la distancia del segundo objeto respecto al detector de campo magnetico medida en milimetros y en el eje de las ordenadas el voltaje de salida del sensor medido en milivoltios.
De esta realization se obtiene una senal de position (11) que es inversamente proporcional a la distancia del segundo objeto, esto es, a mayor distancia entre el segundo objeto y el detector
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de campo magnetico (4), menor sera el campo magnetico detectado. En particular, se observa que se tiene una senal sustancialmente lineal para el rango de distancias de separacion entre 0 y 1,5 mm.
5 En particular, el detector de campo magnetico (4) utilizado en los experimentos de la presente invencion es un sensor de efecto Hall analogico de estado solido. Sin embargo, existen diversos tipos de detectores de campo magnetico (4) tanto analogicos como digitales (por ejemplo mediante interruptores que se abren ante la presencia de un campo magnetico) que podrlan aplicarse a la presente invencion sin alejarse del ambito de proteccion de la misma que 10 quedara definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

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    25
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    35
    40
    ES 2 558 624 A1
    REIVINDICACIONES
    1. Sensor para la medicion de una variable flsica en un primer objeto (2), siendo dicho sensor del tipo que comprende, al menos, una placa (3) con nanohilos caracterizado por que dicha placa
    (3) con nanohilos se dispone unida al objeto (2), siendo dichos nanohilos magneticos y por que dicho sensor comprende un detector del campo magnetico (4) generado por dichos nanohilos estando dispuesto dicho detector de campo magnetico (4) separado de dicha placa (3) y de dichos nanohilos.
  2. 2. Sensor, segun la revindication 1, caracterizado por que los nanohilos son nanohilos metalicos magnetizados.
  3. 3. Sensor, segun la reivindicacion 2, caracterizado por que los nanohilos son nanohilos metalicos ferromagneticos y/o ferrimagneticos.
  4. 4. Sensor, segun la reivindicacion 3, caracterizado por que el material de los nanohilos comprende hierro, cobalto, nlquel o una combination entre ellos.
  5. 5. Sensor, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la placa (3) comprende una membrana nanoporosa.
  6. 6. Sensor, segun la reivindicacion 5, caracterizado por que la membrana nanoporosa es una membrana de oxido de aluminio anodizado (AAO).
  7. 7. Sensor, segun una cualquiera de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado por que la membrana nanoporosa es del tipo obtenida mediante irradiation de matrices polimericas o anodizacion catodica.
  8. 8. Sensor, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la variable flsica es la velocidad rotacional del primer objeto (2).
  9. 9. Sensor, segun la reivindicacion 8, caracterizado por que el detector de campo magnetico
    (4) dispone de un controlador que define un umbral de campo magnetico.
  10. 10. Sensor, segun la reivindicacion 9, caracterizado por que comprende un contador del numero de veces que el campo magnetico detectado por el detector de campo magnetico (4) excede el umbral de campo magnetico definido por el usuario.
  11. 11. Sensor, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la variable flsica es la position del primer objeto (2).
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