Viaggio nel fluxgate a RTD: sfruttare la flessibilità e raggiungere la sostenibilità

Il magnetometro fluxgate viene studiato da più di 80 anni grazie alla sua capacità di rilevare e quantificare segnali (magnetici). E' in grado di rilevare campi magnetici statici e quasi statici da 1pT a 10nT. Però, questa struttura simile a un trasformatore con un core ferromagnetico circondato da un avvolgimento primario e un avvolgimento secondario, non è stata ancora completamente studiata. In questi decenni il magnetometro fluxgate è stato studiato soprattutto con un tipo di readout: quello a "seconda armonica". Nella tecnica a seconda armonica l'informazione sul target è ottenuta dall'ampiezza della seconda armonica del segnale di uscita, che appare solo quando c'è una asimmetrizzazione dell'altrimenti comportamento simmetrico, dovuto alla presenza del campo magnetico target. Nonostante la semplicità concettuale, il readout a seconda armonica necessita di una architettura differenziale per semplificare l'estrazione dell'informazione dal segnale di uscita, quindi deve avere uscita zero in assenza di un campo target e un'uscita amplificata in presenza di un piccolo campo target. Il risultato è un aumento della complessità dell'architettura del sensore. Tuttavia, il meccanismo molto semplice, la struttura molto semplice, difficile da migliorare e la difficoltà di integrazione (scalare il sensore significa scalare il core e quindi minor quantità di materiale magnetico) hanno portato a miglioramenti soprattutto sul materiale del core e sulla forma. Il materiale è stato studiato per migliorare gli effetti microscopici, come ad esempio la riduzione del rumore dovuto alla magnetostrizione del materiale ferromagnetico del core. Un'altra caratteristica del sensore fluxgate è rappresentata dalla sua forma. Nel corso degli anni sono state studiate tre forme principali: il "rod" (singolo o doppio), l'anello e l'ovale (racetrack). La forma è stata studiata principalmente per ridurre l'effetto di demagnetizzazione e quindi aumentare la sensibilità e ridurre il rumore di fondo. Alcuni ricercatori hanno tentato di modificare le geometrie classiche. Il collo di bottiglia della realizzazione di una nuova geometria è la necessità di un meccanismo differenziale costituito da due flussi in direzioni opposte che determinano un'architettura diversa per ogni tipo di forma, aumentando così la complessità nella progettazione del sensore. Negli ultimi 20 anni i ricercatori dell'università di Catania, in collaborazione con il gruppo guidato dal Dr. Adi R. Bulsara al Naval Warfare Centre di San Diego (USA), hanno lavorato e sviluppato una differente strategia di readout: la "Residence Times Difference (RTD)". La tecnica a RTD quntifica l'asimmetrizzazione del segnale di uscita nel dominio del tempo, quindi è intrinsecamente zero in assenza di un campo magnetico esterno e necessita solo di un fluxgate singolo da sfruttare, con una grande semplificazione dell'architettura del sesnore. In questa tesi "architettura" indica la disposizione dell'avvolgimento primario e del secondario, "geometria" indica la forma del core, "struttura" indica la geometria con la relativa architettura degli avvolgimenti, "configurazione" indica il modo in cui una struttura di fluxgate viene sfruttata. Con la tecnica a seconda armonica, configurazione e struttura hanno lo stesso significato perchè la struttura è statica a può essere sfruttata in un solo modo. Invece, attraverso la tecnica a RTD e l'utilizzo di un core ferromagnetico flessibile, la configurazione inizia ad essere un concetto separato dalla struttura, infatti è possibile realizzare differenti configurazioni a partire dalla stessa struttura. Questo è il punto di inizio di questo lavoro: l'utilizzo di un fluxgate singolo come un "general-purpose fluxgate". Quindi l'RTD consenste la digitalizzazione dell'intero sistema: la tecnica a RTD quantifica l'informazione sul target nel dominio del tempo, come una tecnica digitale; la possibilità di realizzare diverse configurazioni di fluxgate a partire dallo stesso general-purpose fluxgate è simile all'utilizzo di un sensore digitale riconfigurabile. In questa tesi lo sfruttamento della flessibilità parte dallo studio della teoria del sensore (Capitolo 2). Solo studiando approfonditamente il meccanismo microscopico del fluxgate è possibile capire come modificare la geometria e il materiale del core per migliorarne le prestazioni. Poi, nel capitolo 3 diverse configurazioni, ottenute a partire dalla stessa struttura singola, sono state studiate e caratterizzate: • La configurazione "Horseshoe" (Capitolo 3.1), iniziata precedentemente, portata avanti con una modellizzazione del meccanismo e con ulteriori misure che ne hanno confermato il basso rumore dato dalla chiusura del flusso e dal miglioramento dell'immunità ai disturbi esterni • L'innovativa configurazione “a serpentina” (Capitolo 3.2), realizzata con l'obiettivo di ridurre il livello di rumore in un'area più compatta e con la scoperta di una sensibilità spaziale variabile • La “vecchia” configurazione anulare (Chapter 3.3), sfruttata con una innovativa metodologia di sensing grazie alla quale ottiene un livello di rumore molto basso e un cambio di direzione di sensibilità lungo l'asse perpendicolare al piano del sensore, che ha consentito l'applicazione del fluxgate come viscosimetro (Capitolo 3.4). Il Capitolo 4 è invece l'inizio di uno studio che in futuro consentirà la realizzazione di un fluxgate quantistico. Infatti, la configurazione anulare raggiunge il limite di piegamento del fluxgate dato dai materiali classici, quindi, similmente al concetto di "more than Moore" in elettronica, i materiali devono essere sostituiti con materiali più flessibili e innovativi: • Gli avvolgimenti di rame sono stati sostituiti con ossido di grafene ridotto (in collaborazione con il gruppo di ricerca guidato dal professore Torrisi presso l'Imperial College di Londra) • Il core in CoFeSiB è stato sostituito con campioni di cotone o nylon arricchiti da nanoparticelle di ossido di ferro (attività nell'ambito del progetto NQSTI). In studi futuri, la combinazione di questi due materiali biocompatibili e la risultante alta flessibilità porteranno alla realizzazione di un fluxgate sostenibile adatto per applicazioni indossabili, biologiche e eco-friendly, ma apre anche la strada a nuovi studi teorici su geometrie inaspettate.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2024

Author dc:creator

• FERRO, CLAUDIA

Contributors dc:contributor

• BAGLIO, Salvatore
• ARENA, Paolo Pietro

• RTD fluxgate
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Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:NON PUBBLICO - Accesso privato/ristretto
• license uri:iris.PRI01

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/658129

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/658129