Sensitivity improvement of GMI magnetic and pressure transducers for biomedical measurements

Eduardo Costa da Silva, Luiz Antônio Pereira de Gusmão, Carlos Roberto Hall Barbosa, Elisabeth Costa Monteiro, Fernando Luiz de Araújo Machado
2011 Revista Brasileira de Engenharia Biomédica  
This work presents an experimental study aiming the sensitivity optimization of Giant Magnetoimpedance (GMI) sensors, by means of properly choosing the values of their conditioning parameters. The optimized GMI sensors, together with the development of improved transduction electronic circuits, can lead to the sensitivity enhancement of GMI biomedical, pressure and magnetic transducer prototypes, previously developed by the research group at LaBioMet, PUC-Rio. Those prototypes are,
more » ... s are, respectively, aimed at the measurement of arterial pulse waves and the localization of magnetic foreign bodies inserted in the human body. Thus, the experimental characterization of GMI ribbon-shaped samples (Co 70 Fe 5 Si 15 B 10 ) was performed, as a function of the external magnetic field, including the experimental evaluation of the asymmetric GMI effect (AGMI). The parameters that affect the behavior of the GMI samples were experimentally analyzed, such as the DC level (0 mA to 100 mA) and frequency (100 kHz to 10 MHz) of the excitation current, as well as the samples length (1 cm, 3 cm, 5 cm and 15 cm). The conditioning parameters, experimentally identified, that optimize the GMI samples sensitivity lead to a maximum specific sensitivity of 0.84 W·Oe -1 ·cm -1 (8400 Ω ·T -1 ·cm -1 ). A new electronic circuit was developed for conditioning and reading of the GMI samples, which directly contributed to the performance enhancement of both transducers. The electronic circuits developed were evaluated supposing the operation of the GMI samples in their most sensitive region. Comparing to previously developed prototypes, the optimum sensitivity achieved for the new configuration of the GMI magnetic transducer increased about 9 times (from 0.12 mV/nT to 1.08 mV/nT), and the sensitivity of the modified pressure transducer increased approximately 7 times (from 1 mV/Pa to 7 mV/Pa). Aumento da sensibilidade de transdutores GMI de campo magnético e pressão para medições biomédicas Resumo Este trabalho apresenta um estudo experimental objetivando a otimização da sensibilidade de sensores GMI (Magnetoimpedância Gigante), por meio da escolha adequada dos valores de seus parâmetros de condicionamento. A otimização do condicionamento dos sensores GMI e o aperfeiçoamento dos circuitos eletrônicos utilizados resultaram em aumento na sensibilidade dos protótipos de transdutores biomédicos GMI, de pressão e magnético, anteriormente desenvolvidos pelo grupo de pesquisa do LaBioMet, PUC-Rio. Estes protótipos são, respectivamente, destinados à medição da onda de pulso arterial e à localização de corpos estranhos magnéticos inseridos no corpo humano. Realizou-se a caracterização experimental de amostras GMI (Co 70 Fe 5 Si 15 B 10 ) em forma de fita, em função do campo magnético externo, incluindo a avaliação experimental do efeito GMI assimétrico (AGMI). Os parâmetros que afetam o comportamento das amostras GMI foram experimentalmente analisados, tais como o nível CC (0 mA a 100 mA) e frequência (100 kHz a 10 MHz) da corrente de excitação, assim como a dependência em relação ao comprimento das amostras (1 cm, 3 cm, 5 cm e 15 cm). Os parâmetros de condicionamento, experimentalmente identificados, que otimizam a sensibilidade das amostras GMI, determinaram uma sensibilidade específica máxima de 0,84 W·Oe -1 ·cm -1 (8400 Ω ·T -1 ·cm -1 ). Um novo circuito eletrônico foi desenvolvido para o condicionamento e leitura das amostras GMI, o qual contribuiu diretamente para a melhoria de desempenho de ambos os transdutores. O circuito eletrônico desenvolvido foi avaliado supondo a operação das amostras GMI em suas regiões de maior sensibilidade. Comparando os novos resultados com os obtidos com os protótipos anteriormente desenvolvidos, a sensibilidade ótima alcançada pela nova configuração do transdutor magnético GMI representou um aumento de cerca de 9 vezes (de 0,12 mV/NT para 1,08 mV/nT), e a sensibilidade do transdutor de pressão foi elevada em aproximadamente 7 vezes (de 1 mV/Pa para 7 mV/Pa).
doi:10.4322/rbeb.2011.007 fatcat:6aioqcmaazb57or4w3k2icjyiy