The fluxgate magnetometer has been studied for more than 80 years thanks to its (magnetic) signal detection and quantification capabilities. It is able to sense static and quasi-static magnetic fields from 1pT to 10nT. However, this simple structure, similar to a transformer with a ferromagnetic core surrounded by a primary coil and a secondary coil, has not been completely studied yet. In these decades the fluxgate magnetometer has been studied above all with one type of readout: the “second harmonic”. In the second harmonic technique the information about the target field is obtained from the amplitude of second harmonic of the output signal, that appears only when there is the asymmetrization of the otherwise symmetric behaviour due to the presence of the target magnetic field. Despite the simple concept, the second harmonic readout needs a differential architecture to simplify the extraction of the information from the output signal, so to have a zero output in absence of a target field and an enhanced output in presence of the little target field. The result is an increase of complexity in the architecture of the sensor. However, the very simple mechanism, the very simple structure, difficult to improve, and the difficulty of integration (scaling the sensor means scaling the core and then less magnetic material) led to improvements above all on the core material and the shape. The material has been investigated to improve the microscopic effects, as for example for reducing noise due to the magnetostriction, of the ferromagnetic material of the core. Another characteristic feature of the fluxgate sensor is represented by its shape. Over the years, three main shapes have been investigated: the rod (single or double), the ring and the oval (racetrack). The shape has been investigated mainly to reduce the demagnetizing effect and thus increase the sensitivity and reduce the noise floor. A few researchers have tried to modify the classical geometries. The bottleneck of the realization of a new geometry is the need of a differential mechanism made up of two fluxes in opposite directions that determines a different architecture for each type of shape, so an increase of complexity in the design of the sensor. In the last 20 years researchers at the University of Catania in collaboration with the group led by Dr. Adi R. Bulsara at the Naval Warfare Centre of San Diego (USA) have worked and developed on a different readout strategy: the Residence Times Difference (RTD). The RTD technique quantifies the asymmetrization of the output signal in the time domain, so it is inherently zero in absence of an external magnetic field and needs only one rod core to be exploited, with a great simplification in the architecture of the sensor. In this thesis, “architecture” refers to the disposition of the primary and secondary coil, “geometry” refers to the shape of the core, “structure” refers to the geometry with the related architecture of coils, “configuration” refers to the way in which a fluxgate structure is exploited. With the second harmonic technique, configuration and structure have the same meaning because each structure is static and can be exploited only in one way. Instead, through the RTD technique and the use of a flexible ferromagnetic core, the configuration starts to be a separate concept from the structure, in fact it is possible to realize different configurations from the same structure. This is the starting point of this work: the exploitation of the single rod fluxgate as “general-purpose fluxgate”. Thus, the RTD allows the digitalization of the whole system: the RTD technique quantifies the information about the target in the time domain, like a digital technique; the possibility to realize several configurations of fluxgate from the same general-purpose fluxgate is similar to the use of a reconfigurable digital sensor. In this thesis the exploitation of the flexibility starts from the study of the theory about the sensor (Chapter 2). Only deeply studying the microscopic mechanism of the fluxgate it is possible to understand how to modify geometry and material of the core to improve the performances. Then, in Chapter 3, several configurations, obtained from the same single rod structure, have been studied and characterized: • The Horseshoe configuration (Chapter 3.1), previously begun, carried out with a modelling of the mechanism and with further measurements confirming the low noise given by the flux-closed and the improvement of the immunity to external disturbances • The innovative “Serpentine” configuration (Chapter 3.2), realized for the purpose of the reduction of the noise level in a more compact area and with the discovers of an adjustable spatial sensing capability • The “old” ring configuration (Chapter 3.3), exploited with an innovative sensing methodology obtaining a very low noise and the change of direction of sensing in the perpendicular axis of the plane of the sensor, that has allowed the application of the fluxgate as viscometer (Chapter 3.4). Chapter 4 is, instead, the beginning of a study that in the future will allow the realization of a Quantum fluxgate. In fact, the ring configuration reached the limit of bending of the fluxgate made up of classic materials, thus, similar to the “more than Moore” concept in electronics, the materials have been changed with more flexible and innovative materials: • The coils made up of copper have been replaced with reduced graphene oxide (collaboration with the research group led by Prof. Torrisi at Imperial College, London) • The core made up of CoFeSiB has been replaced with cotton or nylon thread enriched by iron oxide nanoparticles (activity in the framework of the NQSTI project). In future studies, the combination of these two biocompatible materials and the resulting high flexibility will lead to the realization of a sustainable fluxgate suitable for wearable, biological and eco-friendly applications, but also it can pave the way to new theoretical studies about unexpected geometry.
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.
Viaggio nel fluxgate a RTD: sfruttare la flessibilità e raggiungere la sostenibilità / Ferro, Claudia. - (2024 Dec 09).
Viaggio nel fluxgate a RTD: sfruttare la flessibilità e raggiungere la sostenibilità
FERRO, CLAUDIA
2024-12-09
Abstract
The fluxgate magnetometer has been studied for more than 80 years thanks to its (magnetic) signal detection and quantification capabilities. It is able to sense static and quasi-static magnetic fields from 1pT to 10nT. However, this simple structure, similar to a transformer with a ferromagnetic core surrounded by a primary coil and a secondary coil, has not been completely studied yet. In these decades the fluxgate magnetometer has been studied above all with one type of readout: the “second harmonic”. In the second harmonic technique the information about the target field is obtained from the amplitude of second harmonic of the output signal, that appears only when there is the asymmetrization of the otherwise symmetric behaviour due to the presence of the target magnetic field. Despite the simple concept, the second harmonic readout needs a differential architecture to simplify the extraction of the information from the output signal, so to have a zero output in absence of a target field and an enhanced output in presence of the little target field. The result is an increase of complexity in the architecture of the sensor. However, the very simple mechanism, the very simple structure, difficult to improve, and the difficulty of integration (scaling the sensor means scaling the core and then less magnetic material) led to improvements above all on the core material and the shape. The material has been investigated to improve the microscopic effects, as for example for reducing noise due to the magnetostriction, of the ferromagnetic material of the core. Another characteristic feature of the fluxgate sensor is represented by its shape. Over the years, three main shapes have been investigated: the rod (single or double), the ring and the oval (racetrack). The shape has been investigated mainly to reduce the demagnetizing effect and thus increase the sensitivity and reduce the noise floor. A few researchers have tried to modify the classical geometries. The bottleneck of the realization of a new geometry is the need of a differential mechanism made up of two fluxes in opposite directions that determines a different architecture for each type of shape, so an increase of complexity in the design of the sensor. In the last 20 years researchers at the University of Catania in collaboration with the group led by Dr. Adi R. Bulsara at the Naval Warfare Centre of San Diego (USA) have worked and developed on a different readout strategy: the Residence Times Difference (RTD). The RTD technique quantifies the asymmetrization of the output signal in the time domain, so it is inherently zero in absence of an external magnetic field and needs only one rod core to be exploited, with a great simplification in the architecture of the sensor. In this thesis, “architecture” refers to the disposition of the primary and secondary coil, “geometry” refers to the shape of the core, “structure” refers to the geometry with the related architecture of coils, “configuration” refers to the way in which a fluxgate structure is exploited. With the second harmonic technique, configuration and structure have the same meaning because each structure is static and can be exploited only in one way. Instead, through the RTD technique and the use of a flexible ferromagnetic core, the configuration starts to be a separate concept from the structure, in fact it is possible to realize different configurations from the same structure. This is the starting point of this work: the exploitation of the single rod fluxgate as “general-purpose fluxgate”. Thus, the RTD allows the digitalization of the whole system: the RTD technique quantifies the information about the target in the time domain, like a digital technique; the possibility to realize several configurations of fluxgate from the same general-purpose fluxgate is similar to the use of a reconfigurable digital sensor. In this thesis the exploitation of the flexibility starts from the study of the theory about the sensor (Chapter 2). Only deeply studying the microscopic mechanism of the fluxgate it is possible to understand how to modify geometry and material of the core to improve the performances. Then, in Chapter 3, several configurations, obtained from the same single rod structure, have been studied and characterized: • The Horseshoe configuration (Chapter 3.1), previously begun, carried out with a modelling of the mechanism and with further measurements confirming the low noise given by the flux-closed and the improvement of the immunity to external disturbances • The innovative “Serpentine” configuration (Chapter 3.2), realized for the purpose of the reduction of the noise level in a more compact area and with the discovers of an adjustable spatial sensing capability • The “old” ring configuration (Chapter 3.3), exploited with an innovative sensing methodology obtaining a very low noise and the change of direction of sensing in the perpendicular axis of the plane of the sensor, that has allowed the application of the fluxgate as viscometer (Chapter 3.4). Chapter 4 is, instead, the beginning of a study that in the future will allow the realization of a Quantum fluxgate. In fact, the ring configuration reached the limit of bending of the fluxgate made up of classic materials, thus, similar to the “more than Moore” concept in electronics, the materials have been changed with more flexible and innovative materials: • The coils made up of copper have been replaced with reduced graphene oxide (collaboration with the research group led by Prof. Torrisi at Imperial College, London) • The core made up of CoFeSiB has been replaced with cotton or nylon thread enriched by iron oxide nanoparticles (activity in the framework of the NQSTI project). In future studies, the combination of these two biocompatible materials and the resulting high flexibility will lead to the realization of a sustainable fluxgate suitable for wearable, biological and eco-friendly applications, but also it can pave the way to new theoretical studies about unexpected geometry.File | Dimensione | Formato | |
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