Desenvolvimento e caracterização de sensores magnetoelétricos baseados em compósitos de CoFeO4/PZT para aplicação de monitoramento de biosinais

Abstract

Resumo: Pesquisas recentes têm se concentrado no desenvolvimento de compósitos, mais especificamente nos esquemas de conexão entre suas fases, com o objetivo de criar materiais com elevado efeito magnetoelétrico (EME). Esses compósitos, caracterizados pelo acoplamento entre fases magnéticas e elétricas, apresentam grande potencial para a detecção de sinais de baixa frequência e intensidade, tornando-se promissores para aplicações em monitoramento de biosinais e instrumentação de precisão. Neste trabalho, foram desenvolvidos dois sensores elaborados com um compósito de nanopartículas de ferrita de cobalto (CoFe2O4) e fibras piezelétricas (PZT). Para a leitura de sinais de baixa intensidade e frequência pelos sensores, foi projetado um circuito baseado no amplificador de instrumentação AD620, além de um código em Python, fundamentado em um amplificador lock-in, para a análise desses sinais. As medições dielétricas realizadas demonstraram o comportamento estável dos compósitos, especialmente quando as fibras de PZT foram polarizadas, indicando que são adequados para a construção de sensores de sinais de baixa intensidade e frequência. Além disso, as curvas de histerese e a análise da dependência do coeficiente magnetoelétrico em relação a um campo magnético (H) revelaram uma correlação significativa com a tensão de pico 'E'. Esses resultados, obtidos em temperatura ambiente, destacam o forte acoplamento magnetoelétrico dos compósitos, um fator essencial para otimizar a sensibilidade dos sensores. As medições magnetoelétricas realizadas nos sensores desenvolvidos, Sensor 1 e Sensor 2, permitiram determinar suas frequências de ressonância, que resultaram em 82 kHz. Essa frequência foi então utilizada como excitação, aplicada por meio de uma bobina acoplada aos sensores. Os sensores foram avaliados com sinais oscilantes nas frequências de 125 Hz e 2 Hz, apresentando amplitudes de resposta de 0,15 mV e 0,11 mV, respectivamente, para um campo magnético AC de 0,1 Oe, o menor campo testado. As respostas espectrais indicam a capacidade dos sensores de captar sinais em frequências típicas de biosinais, como os de ECG e MCG. O circuito de leitura apresentou uma relação sinal-ruído (SNR) de 10 a 15, adequada para tais aplicações. Embora ainda não tenham sido testados na faixa de biosinais magnéticos em torno de 10 uT, os resultados obtidos com os sensores magnetoelétricos mostram-se promissores para futuros testes de leitura e análise desses sinais.

Abstract: Recent research has focused on the development of composites, particularly focusing on the connectivity schemes between their phases, with the goal of creating materials that exhibit a high magnetoelectric effect (ME). These composites, characterized by the coupling of magnetic and electric phases, demonstrate significant potential for detecting low-frequency and low-intensity signals, making them promising candidates for applications in biosignal monitoring and precision instrumentation. In this study, two sensors were developed using a composite of cobalt ferrite (CoFe,,) nanoparticles and piezoelectric fibers (PZT). A readout circuit was designed based on the AD620 instrumentation amplifier, complemented by a Python code based on a lock-in amplifier for signal analysis, which enabled the detection of low-frequency, low-intensity signals from the sensors. Dielectric measurements confirmed the stable behavior of the composites, particularly when the PZT fibers were polarized, indicating their suitability for constructing sensors aimed at low-intensity and low-frequency signals. Furthermore, hysteresis curves and the analysis of the magnetoelectric coefficient's dependence on the magnetic field (H) revealed a significant correlation with the peak voltage a'_E. These results, obtained at room temperature, highlight the strong magnetoelectric coupling of the composites, a critical factor for optimizing sensor sensitivity. Magnetoelectric measurements of the developed sensors, designated as Sensor 1 and Sensor 2, facilitated the determination of their resonance frequencies, which were found to be 82 kHz. This frequency was subsequently used as excitation, applied through a coil coupled to the sensors. The sensors were evaluated with oscillating signals at frequencies of Hz Hz and Hz, yielding response amplitudes of 0.15 mV and 0.11 mV, respectively, for an AC magnetic field of 0.1 Oe, the lowest field tested. The spectral responses indicate the sensors capability to capture signals at frequencies typical of biosignals, such as ECG and MCG. The readout circuit demonstrated a signal-to-noise ratio (SNR) of 10 to 15, which is suitable for such applications. Although the sensors have not yet been tested within the range of magnetic biosignals around 10uT, the results obtained with the magnetoelectric sensors show promise for future tests in the reading and analysis of these signals.