Desenvolvimento de sensores magnéticos tipo fluxgate miniaturizados utilizando ligas ferromagnéticas eletrodepositadas.

Abstract

AgradecimentosAos meus pais por todo apoio dado. Ao meu professor orientador Marcelo Mulato pela amizade. Aos meus colegas e ex-colegas de laboratório por tornar o trabalho mais agradável: Guilherme, Hugo, Jessica, Júlio, Marina, Rafael e Shirlei. Ao professor Marcelo Carreño e seu ex-aluno Murilo pelo suporte prestado. Ao professor Oswaldo Baffa Filho pelo empréstimo de equipamentos fundamentais. Aos técnicos Natalia, Élcio e Aziani pela ajuda no desenvolvimento experimental da minha pesquisa e a secretária Nilza. A CAPES, CNPq e Fapesp pelo apoio financeiro. ResumoForam desenvolvidos sensores magnéticos tipo fluxgate miniaturizados, paralelos planos e ortogonais, com os núcleos compostos por ligas ferromagnéticas eletrodepositadas.O foco no desenvolvimento dos sensores paralelos planos foi a redução da complexidade do processo de microfabricação, utilizando apenas uma camada de bobinas. Para isto foi proposto um leiaute em que a bobina de excitação e as coletoras estão posicionadas no mesmo plano. Mas os testes com protótipos em escala mostraram que a falta de excitação direta em uma das extremidades dos núcleos era fonte de ruído. Foi então proposto um segundo leiaute para mitigar este problema adicionando bobinas excitadoras em paralelo com as coletoras. Levando em conta as outras consequências que esta mudança trouxe, o leiaute mais simples apresentou melhores caraterísticas para baixas amplitudes de excitação. Foram então construídos sensores miniaturizados com ambos leiautes, utilizando um processo de microfabricação simplificado com apenas quatro máscaras fotolitográficas. Obteve-se os núcleos dos sensores eletrodepositando NiFe em condições previamente estudadas, de maneira a formar filmes com alta permeabilidade magnética. Os dispositivos resultantes apresentaram boa linearidade para campos de até 200 µT, com responsividades máximas de 16 e 8 V/T dependendo do leiaute, quando operados com a excitação senoidal e frequência de 100 kHz. Também foi medido o ruído rms contidos na faixa de 0,1 a 10 Hz. O sensor mais simples, sem as bobinas extras, obteve os melhores resultados com 40 nT para a faixa de amplitudes de excitação estudada, contra 59 nT do segundo leiaute. Entretanto o primeiro leiaute atinge o mínimo de ruído para amplitudes de excitação baixas de modo que não é possível reduzi-lo com um simples aumento de corrente. As bobinas extras do segundo contornam este problema e seus resultados sugerem que, com o aumento da resolução espacial utilizada na confecção das bobina, pode-se atingir os níveis de ruído de sensores muito mais complexos.Também foram desenvolvidos sensores tipo fluxgate ortogonais com núcleos eletrodepositados sobre fios de cobre. Foi proposto e testado um modelo matemático para o sinal de saída quando este tipo de sensor é operado em constante saturação, de maneira que a permeabilidade magnética é modulada pela rotação da magnetização. Isto é obtido adicionando-se uma componente constante ao campo de excitação.A vantagem deste método é a redução dos saltos de Barkhausen, uma das p...