Kiểm tra lớp nhạy của cảm biến sóng âm bề mặt (saw) có cấu trúc đa lớp bằng phương pháp dòng xoáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN VĂN ĐƯA KIỂM TRA LỚP NHẠY CỦA CẢM BIẾN SÓNG ÂM BỀ MẶT SAW CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY LUẬN VĂN THẠ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN ĐƯA

KIỂM TRA LỚP NHẠY CỦA CẢM BIẾN SÓNG ÂM BỀ MẶT (SAW)

CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hà Nội – Năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN ĐƯA

KIỂM TRA LỚP NHẠY CỦA CẢM BIẾN SÓNG ÂM BỀ MẶT (SAW)

CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Cung Thành Long

Hà Nội – Năm 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Kiểm tra lớp nhạy của cảm biến sóng

âm bề mặt (SAW) có cấu trúc đa lớp bằng phương pháp dòng xoáy” do tôi tự thực

hiện dưới sự hướng dẫn của TS Cung Thành Long Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đưa

LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Cung Thành Long, người thầy đáng kính đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn Thầy đã truyền đạt lại cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm nghiên cứu và giúp đỡ rất nhiều

để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy/cô trong Viện Điện nói chung và các thầy cô bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học Công nghiệp nói riêng, đã giúp đỡ và giảng dạy tôi trong suốt thời gian tôi theo học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đó là những hành trang kiến thức quý báu giúp tôi rất nhiều trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm việc sau này

Luận văn này có thể sẽ không được hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ, động viên hết sức quý báu từ PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng, Ths Nguyễn Thị Huế và các thành viên MANDEVICES LAB, những người luôn tạo điều kiện nghiên cứu và giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu tại trường

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình_những người luôn ở bên tôi, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi theo đuổi ước mơ nghiên cứu của mình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY, CẢM BIẾN SÓNG ÂM BỀ MẶT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 3

I.1 Giới thiệu phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy sử dụng dòng điện xoáy 3

Nguyên lý hoạt động 3

Ưu và nhược điểm của phương pháp dòng xoáy 5

Các loại cảm biến dòng xoáy 5

Đường cong tổng trở chuẩn hóa 6

Mô hình tương tác giữa cảm biến dòng xoáy và vật liệu kiểm tra đơn khối [1] [3] 8

Độ sâu xuyên thấu 11

Lift – off 13

I.2 Giới thiệu về thiết bị SAW 13

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị SAW 14

Phân loại các thiết bị SAW 16

I.3 Định hướng nghiên cứu của luận văn 21

CHƯƠNG II MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ TRƯỜNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS 24

II.1 Tổng quan về phần mềm ANSYS 24

Phương pháp phần tử hữu hạn 27

Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán điện từ trường 29

II.2 Các bước thực hiện bài toán bằng ANSYS 30

Tiền xử lý 31

Giải bài toán 35

Hậu xử lý 38

II.3 Khảo sát tương tác trường điện từ giữa cảm biến EC với cấu trúc đơn khối sử dụng phần mềm ANSYS 39

Mục đích, yêu cầu bài toán mô phỏng 39

Quá trình mô phỏng 40

Kết quả mô phỏng 44

CHƯƠNG III TƯƠNG TÁC GIỮA CẢM BIẾN DÒNG XOÁY VÀ CẤU TRÚC SAW ĐA LỚP 49

III.1 Mục đích, yêu cầu bài toán mô phỏng 49

Mục đích 49

Thông số mô phỏng 50

III.2 Khảo sát tương tác cảm biến EC và cảm biến SAW đa lớp (vật liệu nhạy/AlN/Si) khi thay đổi chiều dày lớp vật liệu nhạy 53

Trường hợp cảm biến SAW có lớp vật liệu nhạy là vật liệu có điện trở suất thấp Pd 53

Trường hợp cảm biến SAW có lớp vật liệu nhạy là vật liệu có điện trở suất cao ZnO 56

Ảnh hưởng của chiều dày lớp đế áp điện AlN và đế Si đến ∆𝑹𝒏 57

III.3 Khảo sát tương tác giữa cảm biến EC với cấu trúc SAW đa lớp có đế áp điện dạng khối Quazt 60

Trường hợp lớp vật liệu nhạy là vật liệu có điện trở suất cao ZnO 60

Trường hợp lớp vật liệu nhạy là vật liệu có điện trở suất thấp Pd 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT/

FEM Finite element method Phương pháp phần tử hữu hạn

Spectroscopy

Phổ kế quang điện tử tia X

AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi nguyên tử lực

Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình I-1: Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng xoáy [2] 4

Hình I-2: Nguyên lý của đầu dò cảm biến có chức năng kép [1] 6

Hình I-3: Đầu dò có cuộn dây thu, phát tách biệt [1] 6

Hình I-4: Đồ thị đường cong tổng trở chuẩn hóa 7

Hình I-5: Mô hình chuyển đổi thể hiện tương tác của cuộn dây và vật cần kiểm tra [3] 8

Hình I-6: Tấm vật liệu được kích thích bởi sóng điện từ trường phẳng [3] 8

Hình I-7: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi k khi chiều dày tấm vật liệu là 1mm, 𝜎=17MS/m, L2=1nH 11

Hình I-8: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi chiều dày lớp vật liệu khi k=1, 𝜎=17MS/m, L2=1nH 11

Hình I-9: Hình ảnh minh họa hiệu ứng xuyên thấu 12

Hình I-10: Cấu tạo cơ bản của một thiết bị SAW 14

Hình I-11: Điện trường xoay chiều giữa các ngón tay 15

Hình I-12: Dao động cơ sinh ra tại các IDT 15

Hình I-13: Sự biến dạng bề mặt áp điện dưới tác dụng của điện trường 15

Hình I-14: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc SAW 17

Hình I-15: Cấu trúc của cảm biến SAW có đế áp điện dạng màng mỏng 17

Hình I-16: Cấu tạo cơ bản của một cảm biến SAW khí 18

Hình I-17: Cấu trúc cảm biến SAW đo từ trường 20

Hình II-1: Các bước thực hiện một bài toán mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS 30

Hình II-2: a) chia lưới tự do; b) chia lưới có quy tắc 34

Hình II-3: Cấu trúc mô phỏng 39

Hình II-4: Mô hình mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc đơn khối 41

Hình II-5: Mô hình xây dựng trong phần mềm ANSYS 41

Hình II-6: Kết quả chia lưới 2D 42

Hình II-7: Vector từ trường B được trích xuất từ phần mềm ANSYS khi tần số mô phỏng là 7700Hz, lift – off bằng 0 và vật liệu là Pd 43

Hình II-8: Lưu đồ thuật toán chương trình thực hiện trên MATLAB 44

Hình II-9: Đồ thị đường cong chuẩn hóa trong trường hợp giữ lift-off=0, thay đổi chiều dày

tấm vật liệu Pd lần lượt là 400µm, 500µm, 600µm 45

Hình II-10: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi khoảng các giữa cảm biến EC và

tấm vật liệu trong trường hợp tấm vật liệu làm từ Pd, có chiều dày là 600µm 46

Hình II-11: Đồ thị đường cong tổng trở chuẩn hóa khi tấm vật liệu lần lượt là AlN, Si, ZnO

và Pd trong trường hợp lift – off bằng 0 và chiều dày tấm vật liệu là 600µm 47

Hình II-12: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi tấm vật liệu là AlN (hình a) và tấm vật liệu

là Si (hình b) trong trường hợp lift – off bằng 0 và chiều dày tấm vật liệu là 600µm 47

Hình III-1: Mô hình 3D mô phỏng tương tác giữa cảm biến EC với cấu trúc cảm biến SAW

Hình III-6: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi chiều dày lớp nhạy ZnO từ 100nm

đến 500nm (bước nhảy là 100nm) trong khoảng tần số từ 0 đến 4GHz 56

Hình III-7: Đặc tuyến giữa ΔR và chiều dày lớp vật liệu nhạy ZnO: a) ở tần số 30kHz,

Hình III-11: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi chiều dày lớp nhạy ZnO với cấu

trúc SAW có đế áp điện khối từ 100nm đến 500nm (bước nhảy là 100nm) trong khoảng tần

số từ 0 đến 4GHz 60

Hình III-12: Đặc tuyến giữa ΔR và chiều dày lớp vật liệu nhạy: a) ở tần số 30kHz, 300kHz,

3MHz; b) ở tần số 50MHz, 300MHz, 3GHz 60

Hình III-13: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi chiều dày lớp nhạy Pd (với cấu

trúc SAW có đế áp điện khối) từ 100nm đến 500nm (bước nhảy là 100nm) trong khoảng tần

số từ 0 đến 4GHz 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng II-1: Một số tham số trong ANSYS 32 Bảng II-2: Bảng thông số các vật liệu mô phỏng 40 Bảng III-1: Bảng thông số vật liệu mô phỏng tương tác điện từ trường giữa EC với cấu trúc

SAW đa lớp có đế áp điện dạng màng mỏng 51

Bảng III-2: Bảng thông số vật liệu mô phỏng tương tác điện từ trường giữa EC với cấu trúc

SAW đa lớp có đế áp điện dạng khối 52

MỞ ĐẦU

Ngày nay, các cảm biến hóa học dùng công nghệ vật liệu nano đang được chú trọng nghiên cứu phát triển Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, giúp đo các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí… Trong các cảm biến hóa học trên thì cảm biến hóa học dựa trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW – surface acoustic wave) đã được chứng minh có nhiều ưu điểm vượt trội như độ nhạy cao, nhỏ, nhẹ, độ tin cậy cao và có khả năng chế tạo cảm biến không dây Đối với các cảm biến trên, thì vai trò của lớp vật liệu nhạy vô cùng quan trọng, nó quyết định trực tiếp đến đặc tuyến của cảm biến

Các phương pháp dùng để đo và kiểm tra chiều dày lớp vật liệu siêu mỏng (cỡ nm) hiện nay thường được sử dụng là phương pháp phổ kế quang điện tử (XPS), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) hay kính hiển vi điện tử quét (SEM) Tuy nhiên các phương pháp này đỏi hỏi chi phí thiết bị lớn, vận hành điều khiển phức tạp

Hiện nay, kỹ thuật dòng xoáy đang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như trong hàng không vũ trụ (dùng để kiểm tra các vết nứt trên

bề mặt, kiểm tra lỗ bu lông, kiểm tra bánh xe…) hay trong các ngành công nghiệp ô

tô (dùng để đo chiều dày các lớp sơn phủ bề mặt… ) Ưu điểm của phương pháp dòng xoáy là độ nhạy cao, độ tin cậy cao, đáp ứng nhanh và dễ dàng thực hiện Các nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu vào việc xác định chiều dày lớp vật liệu một lớp hoặc nhiều lớp với kích thước từ vài trăm micro mét đến vài mm Hiện có rất ít những nghiên cứu về tương tác giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc đa lớp có kích thước siêu mỏng như cấu trúc cảm biến SAW đa lớp

Trong luận văn này, tác giả tiến hành khảo sát sự tương tác giữa cảm biến dòng xoáy với cảm biến SAW có cấu trúc đa lớp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Luận văn tốt nghiệp gồm 3 chương:

- Chương 1: Trình bày cơ sở lý thuyết chung về phương pháp dòng xoáy, giới thiệu về cảm biến sóng âm bề mặt và đưa ra định hướng nghiên cứu cụ thể thực hiện trong luận văn

- Chương 2: Trình bày lý thuyết chung về phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH), trong bài toán điện từ trường sử dụng phần mềm ANSYS Tiến hành mô phỏng, khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến EC với một

số cấu trúc vật liệu đơn khối khác nhau

- Chương 3: Nghiên cứu tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc SAW đa lớp dạng màng mỏng (thin – film), tìm cách xác định chiều dày lớp nhạy của một số loại cảm biến SAW

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY, CẢM BIẾN SÓNG ÂM BỀ

MẶT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Chương I, trình bày tổng quan về phương pháp dòng điện xoáy (nguyên lý cảm biến dòng xoáy, các loại cảm biến dòng xoáy, đưa ra mô hình mạch tương đương, khái niệm tổng trở chuẩn hóa, độ sâu xuyên thấu tiêu chuẩn, lift-off,…) Ngoài ra, lý thuyết về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW), nguyên lý hoạt động, phân loại của cảm biến SAW cũng được trình bày Trên cơ sở đó định hình vấn đề nghiên cứu cụ thể thực hiện trong luận văn này

I.1 Giới thiệu phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy sử dụng dòng điện xoáy

Từ những năm 1950, phương pháp dòng xoáy đã được phát triển, ứng dụng trong việc kiểm tra vật liệu, đặc biệt là trong công nghiệp hàng không và hạt nhân [1] Càng

về sau, kỹ thuật dòng xoáy được nghiên cứu và phát triển mạnh hơn ứng dụng sâu rộng hơn trong đo và kiểm tra vật liệu Đây là một phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy vì nó không làm ảnh hưởng đến các đối tượng cần kiểm tra Các ứng dụng phổ biến của kỹ thuật dòng xoáy là:

- Kiểm tra khuyết tật trên bề mặt và bên trong vật liệu

- Đo và kiểm tra chiều dày lớp vật liệu dẫn điện

- Đo chiều dày lớp phủ bề mặt không dẫn điện trên lớp vật liệu dẫn điện

- Đo điện dẫn suất của vật liệu

- Khảo sát sự già hóa của các linh kiện điện tử,…

Nguyên lý hoạt động

Dòng điện xoáy (hay còn gọi là dòng điện Fuco) là dòng điện khép kín sinh ra và tập trung chủ yếu trên bề mặt một vật dẫn điện khi ta đặt nó vào trong một từ trường biến thiên theo thời gian Các kỹ thuật kiểm tra sử dụng dòng điện xoáy đều dựa trên

nguyên tắc này, tức là gây ra dòng xoáy trên đối tượng cần kiểm tra dưới tác dụng của một trường điện từ biến thiên

Từ trường kích thích thường được tạo ra nhờ sử dụng một cuộn dây mang dòng điện xoay chiều, đặt gần đối tượng kiểm tra Dưới tác dụng của từ trường này, dòng điện xoáy được sinh ra trong vật liệu dẫn điện Các dòng xoáy lại sinh ra từ trường cảm ứng có xu hướng chống lại từ trường kích thích ban đầu theo định luật Lenz Như vậy, từ thông xuyên qua lòng ống dây là tổng của cả từ thông kích thích và cảm ứng Nó mang thông tin về hình dạng, kích thước cũng như tính chất vật lý của đối tượng kiểm tra Về nguyên tắc, có thể đo trực tiếp từ trường này để thu được thông tin về đối tượng kiểm tra (Hình I-1)

Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, khi từ thông trong cuộn dây thay đổi sẽ sinh ra trong cuộn dây một suất điện động cảm ứng theo (1)

𝜀 = −𝑑𝜙𝐵

Như vậy, thay vì đo trực tiếp từ thông xuyên qua cảm biến, người ta có thể đo điện áp trên hai đầu cuộn dây hoặc tổng trở của cuộn dây, để qua đó phát hiện khuyết tật trên đối tượng kiểm tra, xác định chiều dày lớp vật liệu, xác định khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng đo, xác định sự thay đổi lý tính của đối tượng, …cùng nhiều thông tin hữu ích khác

Hình I-1: Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng xoáy [2]

Ưu và nhược điểm của phương pháp dòng xoáy

(a) Ưu điểm

- Tốc độ kiểm tra nhanh, tức thời Phương pháp kiểm tra bằng dòng xoáy cho ra kết quả nhanh trong dây chuyển kiểm tra tự động các sản phẩm đầu ra như dây, thanh, ống hoặc trong dây chuyền sản xuất Kết quả kiểm tra bằng phương pháp dòng xoáy cho ra kết quả nhanh, tức thời trong khi các kỹ thuật khác như thẩm thấu chất lỏng, hoặc kiểm tra quang học yêu cầu thời gian nhiều hơn [1]

- Đối tượng được sử dụng là các vật liệu dẫn điện

- Là phương pháp đo không phá hủy nên không làm ảnh hưởng đến mẫu cần kiểm tra

- Nhạy với các khuyết tật

- Dễ dàng thực hiện và giá thành thấp

(b) Nhược điểm

- Bề mặt kiểm tra đòi hỏi độ bằng phẳng cao (không có những mấp mô vì dễ gây sai số)

- Chỉ áp dụng đối với vật liệu dẫn điện

- Độ xuyên thấu hạn chế, phụ thuộc vào tần số kích thích

Các loại cảm biến dòng xoáy

Ta có thể phân loại cảm biến dòng xoáy thành 2 loại: Cảm biến chức năng kép

và cảm biến chức năng riêng biệt:

(a) Cảm biến chức năng kép

Cảm biến chức năng kép là loại cảm biến có một phần tử đóng vai trò của cả phần

tử phát và phần tử thu (Hình I-2) Đây là loại cảm biến được sử dụng nhiều trong các ứng dụng đo và kiểm tra bằng dòng xoáy

Hình I-2: Nguyên lý của đầu dò cảm biến có chức năng kép [1]

(b) Cảm biến chức năng riêng biệt

Khác với đầu dò có chức năng kép, loại này có cấu tạo từ 2 cuộn dây (Hình I-3) Một cuộn dây có chức năng tạo ra từ trường bằng cách cho dòng điện hoặc điện áp xoay chiều chạy qua Cuộn dây còn lại có chức năng thu lại từ trường tổng (bao gồm

từ trường do cuộn dây 1 và do dòng điện xoáy gây ra) Đối với cảm biến có chức năng kép, cần hạn chế liên hệ hỗ cảm trực tiếp giữa phần tử phát và phần tử thu, vì đây có thể coi là một nguồn nhiễu trong dữ liệu đo

Hình I-3: Đầu dò có cuộn dây thu, phát tách biệt [1]

Đường cong tổng trở chuẩn hóa

Trở kháng của cuộn dây khi đặt ở ngoài không khí là Z0 được thể hiện ở công thức (2)

trong đó, R0 và X0 lần lượt là điện trở, và cảm kháng của cuộn dây khi đặt ngoài không khí

Khi đặt vật liệu cần kiểm tra gần cuộn dây mang dòng điện xoay chiều, dòng điện xoáy sẽ xuất hiện trên vật liệu Chính dòng điện xoáy này sẽ tạo ra từ trường thứ cấp chống lại từ trường sinh ra bởi đầu đo Khi đó, cuộn dây có trở kháng Zc được tính bằng công thức

Hình I-4: Đồ thị đường cong tổng trở chuẩn hóa

Mô hình tương tác giữa cảm biến dòng xoáy và vật liệu kiểm tra đơn khối [1] [3]

Để khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với khối vật liệu cần kiểm tra nhóm của Placko hay nhóm Peng và cộng sự đã đề xuất mô hình mạch điện biến đổi tương đương Mạch điện bên phía sơ cấp đại diện cho cuộn dây cảm biến có trở kháng 𝑧𝑐 = 𝑉/𝐼 Trong phía sơ cấp, R0, L0 đại diện cho điện trở và trở kháng của cuộn dây Mạch điện thứ cấp đại diện cho vật cần kiểm tra, trong đó, L2

(điện cảm thứ cấp) và Z2 (trở kháng) là đại diện cho tấm vật liệu cần kiểm tra Cuối cùng hệ số k là hệ số cặp đôi, liên quan tới khoảng cách của cảm biến và vật liệu cần kiểm tra Hệ số k giảm khi khoảng cách giữa cảm biến và vật liệu cần kiểm tra tăng

Hình I-5: Mô hình chuyển đổi thể hiện tương tác của cuộn dây và vật cần kiểm tra [3]

Xét tấm vật liệu được đặt dưới từ trường song song với trục Oz như Hình I-6

Hình I-6: Tấm vật liệu được kích thích bởi sóng điện từ trường phẳng [3]

Giá trị phức của vector từ trường 𝐻⃗⃗ và vector điện trường 𝐸⃗ trên tấm vật liệu được xác định bởi công thức:

{𝐻⃗⃗ (𝑧) = 𝐻(𝑧)𝑦 = (𝐻+𝑒−𝛾𝑧 + 𝐻−𝑒𝛾𝑧)𝑦 𝐸⃗ (𝑧) = 𝐸(𝑧)𝑦 = (𝐸+𝑒−𝛾𝑧+ 𝐸−𝑒𝛾𝑧)𝑥 (5) Trong đó 𝛾 là hằng số lan truyền trong tấm vật liệu và được xác định bởi công thức:

1 + 𝜌(0)

Với E(0) và H(0) là điện trường và từ trường tại bề mặt của tấm (khi z=0) và 𝜌(0) là

hệ số phản xạ sóng điện từ tại bề mặt tấm vật liệu

Thay (7), (10) vào (8) ta được:

𝑍2 =1 + 𝜌(0)

1 − 𝜌(0)𝑍𝑝 =

𝑍𝑝tanh (𝛾𝑡) =

√𝑗𝜔𝜇0𝜎tanh (𝑡√𝑗𝜔𝜎𝜇0)

(11)

Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:

{(𝑅0+ 𝑗𝜔𝐿0)𝐼 + 𝑗𝜔𝑀𝐼2 = 𝑉𝑗𝜔𝑀𝐼 + (𝑗𝜔𝐿2+ 𝑍2)𝐼2 = 0

(12) Trong đó 𝜔 = 2𝜋𝑓, R0 và L0 là điện trở và điện cảm của cuộn dây sơ cấp khi không có vật kiểm tra ở gần cuộn dây 𝑀 = 𝑘√𝐿0𝐿2 là hệ số hỗ cảm

Khi đó trở kháng của cuộn dây được tính bởi công thức

𝑘2𝐿2𝜔𝜎𝑗𝜔𝐿2𝜎 + √𝑗𝜔𝜎𝜇0

tanh (𝑡√𝑗𝜔𝜎𝜇0)

(14)

Từ công thức (14) ta dễ dàng mô phỏng và quan sát các hiện tượng xảy ra khi thay đổi các thông số mô phỏng như: thay đổi chiều dày tấm vật liệu (t), thay đổi khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng cần kiểm tra, thay đổi độ dẫn điện của tấm vật liệu Hình I-7 và Hình I-8 thể hiện đường cong tổng trở chuẩn hóa khi tiến hành thay đổi các tham số mô hình Ở đây, ta tiến hành khảo sát với 2 trường hợp Trường hợp 1 (Hình I-7) ta tiến hành thay đổi hệ số k (mô tả sự thay đổi khoảng cách giữa cảm biến EC và đối tượng cần đo) lần lượt là 1, 0.9, 0.8 Trường hợp 2 ta tiến hành

mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu kiểm tra đến đường cong tổng trở chuẩn hóa khi tăng tần số kích thích từ 0 đến 100000Hz và tấm vật liệu có σ=17MS/m, L2=1nH

Hình I-7: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi

thay đổi k khi chiều dày tấm vật liệu là 1mm,

𝜎=17MS/m, L2=1nH

Hình I-8: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay

đổi chiều dày lớp vật liệu khi k=1, 𝜎=17MS/m,

L2=1nH

Độ sâu xuyên thấu

Khi cuộn dây được kích thích bởi dòng điện xoay chiều, dòng điện xoáy sẽ xuất hiện ở vật dẫn điện và tỉ lệ với mật độ từ thông Mật độ dòng xoáy được phân bố theo chiều ngang (song song với bề mặt) và chiều dọc (chiều sâu) của vật liệu (Hình I-9) Dòng xoáy đạt cường độ lớn nhất ngay trên bề mặt (dưới đầu dò) và giảm dần theo chiều sâu của vật liệu

Để tính toán sự thay đổi của mật độ dòng điện xoáy với chiều sâu, giả thiết rằng

từ trường vuông góc với bề mặt vật dẫn Khi cuộn dây cảm biến được kích thích bởi dòng điện hoặc điện áp xoay chiều tuần hoàn, thì mật độ dòng điện xoáy sinh ra ở trong vật liệu là một hàm phụ thuộc theo chiều sâu 𝑥 của vật liệu được cho bởi công thức:

𝐽 = 𝐽0𝑒−(𝑥√𝜋𝜇𝜎𝑓)sin (𝜔𝑡 − 𝑥√𝜋𝜇𝜎𝑓) (15) Trong đó, J0 là mật độ dòng xoáy ở bề mặt σ, 𝜇 lần lượt là độ dẫn điện và độ từ thẩm của vật liệu Thành phần 𝑒−(𝑥√𝜋𝜇𝜎𝑓) được xác định là sự suy giảm của dòng xoáy khi chiều sâu tăng

Độ sâu xuyên thấu 𝑥 phụ thuộc vào độ dẫn điện, độ dẫn từ của vật liệu cần kiểm tra và tần số kích thích của dòng điện xoáy Độ sâu xuyên thấu 𝑥 thấp khi độ dẫn điện, độ từ thẩm và tần số tăng

Bên cạnh đó, trong kỹ thuật dòng xoáy, chúng ta còn hay bắt gặp đại lượng độ sâu xuyên thấu chuẩn (𝛿) Độ sâu xuyên thấu chuẩn δ là chiều sâu xuyên thấu tại đó mật độ dòng xoáy giảm xuống còn 1/e hoặc 37% so với mật độ dòng xoáy bề mặt Tại 2δ, mật độ dòng xoáy giảm 1/e2 hoặc 13,5% mật độ dòng xoáy bề mặt Tại 3δ, mật độ dòng xoáy chỉ bằng 5% mật độ dòng xoáy bề mặt (Hình I-9)

Công thức tính toán độ sâu xuyên thấu chuẩn 𝛿 được cho bởi công thức (16)

Hình I-9: Hình ảnh minh họa hiệu ứng xuyên thấu

Trong các công thức (15)(16) ta bắt gặp 2 đại lượng đặc trưng của tấm vật liệu

đó là độ dẫn điện và độ từ thẩm

- Độ dẫn điện σ: là nghịch đảo của điện trở suất ρ

σ =1

Trong đó, điện trở suất (Electrical resistivity) là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất Chất có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua (chất dẫn điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện) Điện trở suất nói nên tính cản trở sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất Đơn vị của điện trở suất trong hệ đơn vị chuẩn SI là Ohm.met (Ω.m)

Điện trở suất hay độ dẫn điện là một tham số quan trọng trong phương pháp dòng xoáy Vật liệu có độ dẫn điện cao như đồng, nhôm sẽ tạo ra dòng điện xoáy mạnh hơn so với vật liệu có độ dẫn điện thấp

- Độ từ thẩm 𝜇: là một đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn từ của một loại vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài

Lift – off

Hiện tượng Lift – off là hiện tượng tổng trở thay đổi khi có sự thay đổi khoảng cách giữa đầu đo cảm biến dòng xoáy với đối tượng cần kiểm tra Lift – off được coi

là một nguồn nhiễu và nó là một trong những yếu tố không mong muốn trong phép

đo sử dụng dòng xoáy Do vậy, khoảng cách giữa đầu đo và đối tượng cần đo cần giữ

ổn định để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo (ảnh hưởng của lift-off là không đổi) Ảnh hưởng của lift - off đến tổng trở đầu ra của cảm biến được thể hiện ở Hình I-7 Khi thay đổi lift – off thì với cùng một tần số kích thích thì trở kháng chuẩn hóa

có xu hướng giảm

I.2 Giới thiệu về thiết bị SAW

Năm 1985, sóng âm bề mặt được phát hiện bởi nhà vật lý người Anh, Lord Rayleigh Do vậy sóng âm bề mặt còn có tên gọi khác là sóng Rayleigh Năm 1965,

bộ chuyển đổi (IDT) được phát minh bởi White và Voltmer, và được ứng dụng trong

bộ lọc SAW Lần đầu tiên, bộ lọc SAW được sử dụng để thay thế các bộ lọc LC trong

Ti vi và các thiết bị điện tử khác Từ đó, thiết bị SAW ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

- Bộ lọc, bộ cộng hưởng

- Cảm biến hóa học, sinh học……

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị SAW

Cấu tạo cơ bản của một thiết bị SAW bao gồm 2 thành phần chính là bộ chuyển đổi (IDT – Inter Digital Transducer) và đế áp điện IDT có cấu tạo là các cặp điện cực sắp xếp với nhau theo hình răng lược và được đặt lên trên lớp áp điện Các IDT thường được làm từ vật liệu nhôm với kích thước khoảng 200nm [4] Các thông số của IDT ảnh hưởng tới đặc tính của thiết bị SAW bao gồm: Số cặp ngón tay, khoảng cách giữa các cặp ngón tay, độ chồng lấn giữa các cặp ngón tay và kích thước giữa các bộ IDT

Hình I-10: Cấu tạo cơ bản của một thiết bị SAW

Các vật liệu áp điện có thể là loại đế áp điện khối như Thạch anh (quartz), lithium nibonate (LiNbO3) và lithium tantalite (LiTaO3) hoặc đế áp điện dạng màng mỏng như AlN hoặc ZnO (trong một số trường hợp, ZnO cũng được sử dụng như là một lớp áp điện)

Nguyên lý hoạt động của thiết bị SAW [5]

Đầu tiên, để tạo ra sóng âm bề mặt lan truyền trên đế áp điện, người ta đặt lên bộ IDT đầu vào (IDT input) một điện áp xoay chiều Với tính chất kim loại, các thanh IDT đều dẫn điện và nhanh chóng phân cực, trở thành các điện cực tích điện (+) và tích điện (-) Điện thế tại các điện cực dương đều bằng nhau, tương tự vậy cho điện thế tại các điện cực âm, tạo khu vực điện trường xoay chiều giữa các ngón tay như Hình I-11:

Hình I-11: Điện trường xoay chiều giữa các ngón tay

Dưới tác dụng của điện trường, tại bề mặt áp điện nơi đặt bộ IDT đầu vào, xảy ra hiện tượng áp điện ngược Chính điện trường phân cực và xen kẽ giữa các IDT (có được do cấu trúc cài răng lược) tạo nên sự nén hoặc kéo xen kẽ tương tứng trên bề mặt áp điện, gây ra biến dạng đàn hồi Năng lượng điện biến đổi thành năng lượng

cơ dưới dạng các dao động cơ (Hình I-12) Điện trường xoay chiều liên tục tác động

lên bề mặt đế áp điện nên các dao động cơ liên tục được sinh ra và lan truyền trên bề mặt áp điện theo một vận tốc nhất định Kết quả là sinh ra sóng cơ học – sóng âm bề mặt (SAW), và vận tốc lan truyền được gọi là vận tốc SAW

Hình I-12: Dao động cơ sinh ra tại các IDT

Hình I-13: Sự biến dạng bề mặt áp điện dưới tác dụng của điện trường

Sự biến dạng bề mặt áp điện tại không gian đặt IDT đầu vào được mô tả qua

Hình I-13

Các dao động cơ lan truyền đến bộ IDT đầu ra (IDT output) và tác động lên phần này Tại đây, xảy ra hiện tượng áp điện thuận, xuất hiện điện tích trên bề mặt áp điện,

do đó ta hoàn toàn đo được điện áp trên bộ IDT đầu ra

Mặt khác, do tác dụng của năng lượng điện từ bộ IDT đầu ra, tiếp tục xảy ra hiện tượng áp điện ngược tại bề mặt bộ IDT đầu ra, năng lượng điện biến đổi thành năng lượng cơ dưới dạng sóng cơ và lan truyền theo hướng ngược lại và sẽ cộng hưởng với sóng lan truyền thuận tại một tần số cộng hưởng xác định Tần số cộng hưởng được xác định theo công thức sau:

Phân loại các thiết bị SAW

Ứng dụng của thiết bị SAW tập trung chủ yếu ở các bộ lọc, bộ cộng hưởng trong các thiết bị điện, điện - tử; cảm biến Trong đó cảm biến SAW được phân ra thành nhiều loại như: Cảm biến hóa học, cảm biến sinh học, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến lực, cảm biến momen- xoắn, cảm biến từ trường…

(a) Bộ lọc SAW

Bộ lọc SAW là một bộ lọc cơ học trong đó sử dụng nguyên lý lan truyền sóng

âm bề mặt và cộng hưởng sóng trên bề mặt vật liệu để phục vụ cho mục đích lọc tín hiệu Về cơ bản, bộ lọc SAW cũng như bộ lọc tương tự hay bộ lọc số đều đi giải quyết bài toán chung về bộ lọc là truyền tín hiệu và lọc tần số để thu về tín hiệu mong muốn Cấu trúc của một bộ lọc SAW gồm hai phần cơ bản là đế áp điện và bộ chuyển đổi IDT (Inter Digital Transducer), được thể hiện qua Hình I-14

Hình I-14: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc SAW

Ưu điểm của bộ lọc SAW

- Kích thước và trọng lượng không đáng kể

- Độ tin cậy cao

từ trường… Đối với cảm biến SAW, ngoài hai thành phần chính của thiết bị SAW là

đế áp điện và IDT thì một số cảm biến có thành phần vật liệu nhạy phủ lên trên lớp

áp điện (Hình I-14)

Hình I-15: Cấu trúc của cảm biến SAW có đế áp điện dạng màng mỏng

 Nguyên lý chung của cảm biến SAW

Khi các tác nhân hóa học hoặc tác nhân vật lý tác động lên lớp vật liệu nhạy này,

sẽ gây biến đổi tính chất vật lý của lớp vật liệu nhạy như biến đổi về khối lượng, từ

trường, độ cứng, hằng số điện môi, độ dẫn điện… Từ đó làm thay đổi tốc độ truyền sóng và độ suy hao năng lượng sóng so với trường hợp không có các tác nhân tác động Qua đó, ta sẽ thiết lập được đặc tuyến giữa đại lượng cần đo với vận tốc truyền sóng hay sự suy hao năng lượng sóng Sau đây, chúng ta xét một số cảm biến SAW thông dụng hiện nay

 Cảm biến SAW đo khí [6]

Cảm biến SAW đo khí được phát minh bởi Wohltjen Một cảm biến SAW đo khí được làm từ một thiết bị SAW bằng cách đặt lớp phủ nhạy cảm hoá học trên bề mặt thiết bị Các khí hấp thụ vào lớp phủ gây ra một sự thay đổi trong tần số cộng hưởng hay tần số trung tâm của cảm biến

Hình I-16: Cấu tạo cơ bản của một cảm biến SAW khí

Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW đo khí là có lớp phủ nhạy cảm với hơi

và hấp thụ thuận nghịch Cảm biến khí/độ ẩm SAW được trình bày trong Hình I-16 Cảm biến gồm 2 bộ IDT và một màng nhạy đặt giữa hoặc trên toàn bộ bề mặt của lớp

áp điện

Sóng bề mặt được gây ra bởi một tín hiệu điện đặt vào IDT-đầu vào Tín hiệu đầu

ra (điện áp) được lấy ra từ IDT-đầu ra Vận tốc và sự suy giảm của các sóng rất nhạy cảm với khối lượng và độ nhớt của màng mỏng Mục đích của màng mỏng này là để hấp thụ hóa chất cần quan tâm Khi hóa chất này được hấp thụ, khối lượng của màng mỏng tăng gây ra một sự thay đổi trong vận tốc và pha của tín hiệu sóng âm, gây ra một sự thay đổi trong biên độ và tần số của điện áp đầu ra ở trở kháng tải ZL Các bộ hấp thụ sóng âm đặt trên các cạnh bề mặt thu lại năng lượng SAW không mong muốn

và loại bỏ sự phản xạ giả có thể gây ra biến dạng tín hiệu Số lượng điện cực xác định băng thông tần số của một thiết bị SAW Độ dài và số lượng điện cực, và phù hợp với mạng ở cổng điện cực, nên được chọn để phù hợp với trở kháng đầu vào của IDT,

ở tần số trung tâm f0

Các nghiên cứu về lớp vật liệu nhạy cảm biến SAW khí

Đối với các cảm biến đo khí trên, thì vai trò của lớp vật liệu nhạy vô cùng quan trọng, nó quyết định trực tiếp đến đặc tuyến của cảm biến Các vật liệu nhạy này có thể được làm từ các các oxit kim loại có điện trở suất cao như : Sol-gel SiO2 (đo nhiệt

độ phòng) [7], CO3O4/SiO2 (đo amoniac) [8], Polycrystalline SnO2 (đo NO2) [9], ZnO (NH3) [10], … hay kim loại có điện trở suất thấp như Pd (đo C2H4), Pd/Pd-Y alloy (đo khí H2) [11], Pd/CuPc (đo khí H2) [12] … và chúng thường có chiều dày rất nhỏ

từ 30nm đến 500nm Đã có nhiều công trình nghiên cứu xét sự ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu nhạy đến đặc tính của cảm biến như Nhóm Yongliang Tang cùng cộng sự đã sử dụng vật liệu nhạy SiO2 có chiều dày từ 70nm – 260nm để đo độ ẩm

và nhận thấy khi tăng chiều dày lớp SiO2 thì tần số dịch tần tăng một cách tuyến tính [7] Do vậy, việc xác định được chiều dày lớp vật liệu nhạy có vai trò vô cùng quan trọng trong việc sản xuất và đánh giá chất lượng của cảm biến

 Cảm biến SAW từ trường

Cảm biến SAW đo từ trường được thiết kế dựa theo cấu trúc delay – line Nguyên

lý hoạt động là khi đặt cảm biến ở môi trường có từ trường thì sẽ xuất hiện một lực điện trường tác động lên bề mặt lớp vật liệu từ giảo đặt trên lớp áp điện Do lớp áp điện là một vật liệu từ giảo nên nó sẽ có chức năng chuyển đổi năng lượng từ trường thành năng lượng cơ học Chính lực điện trường xuất hiện trên bề mặt vật liệu áp điện

sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp, pha hoặc cả hai thu được ở IDT còn lại

Cấu trúc cảm biến SAW từ trường (Hình I-17)

Hình I-17: Cấu trúc cảm biến SAW đo từ trường

Cũng như các cấu trúc cảm biến SAW khác, cảm biến SAW từ trường cũng gồm

3 thành phần chính là: IDT, đế áp điện và vật liệu nhạy Vật liệu nhạy thường được làm từ những vật liệu có từ tính cao như: niken, cobalt, sắt

 Cảm biến SAW y sinh

Cảm biến SAW y sinh là một loại cảm biến ứng dụng nguyên lý sóng âm bề mặt

để phát hiện các hợp chất sinh học như enzyme, kháng thể, kháng nguyên, AND, các

tế bào… Cấu trúc của cảm biến SAW y sinh thường là cấu trúc delay line bao gồm vật liệu áp điện (đa số là tinh thể áp điện), IDT và vật liệu nhạy phủ giữa 2 bộ IDT Lớp vật liệu nhạy trong cảm biến y sinh thường được dùng là Au vì có cấu trúc liên kết mạnh với các hợp chất cần kiểm tra Trong đó chiều dày của lớp Au có ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tuyến của cảm biến Nhóm Mikihiro Goto cùng cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp nhạy Au đến đặc tính của cảm biến SAW y sinh và nhận thấy tốc độ và biên độ của sóng Shear thay đổi khi tăng chiều dày lớp Au lần lượt là 100nm, 210nm, 320nm, 430nm và 640nm [13]

Ưu điểm của cảm biến SAW y sinh là: Đa dạng, nhỏ, độ nhạy cao, độ tin cậy cao, giá thành thấp và dễ dàng chế tạo thành cảm biến không dây Theo nghiên cứu của Onur Tigli và Mona E Zaghloul thì thiết bị CMOS-SAW sử dụng trong y sinh có

những ưu điểm vượt trội so với các thiết bị đo y sinh khác về độ nhạy, hiệu suất và giá thành

I.3 Định hướng nghiên cứu của luận văn

Với bài toán nghiên cứu tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với các lớp vật liệu dẫn điện hiện nay có 3 hướng nghiên cứu Một hướng nghiên cứu tập trung vào mô phỏng điện từ trường cảm biến dòng xoáy với vật liệu cần kiểm tra để tìm ra được đặc tuyến tương ứng Như nhóm của Weiying Cheng và Ichiro Komura

đã tiến hành mô phỏng để xác định chiều dày và độ dẫn điện của tấm vật liệu sử dụng phương pháp đo dòng xoáy với dòng kích thích dạng xung [14] Kết quả cho ra đặc tuyến phụ thuộc giữa mật độ từ thông Bz với chiều dày lớp vật liệu (từ 5mm đến 20mm) và đặc tuyến phụ thuộc giữa mật độ từ thông Bz với độ dẫn điện của đối tượng cần kiểm tra Heri Iswahjudi và Hans H Gatzen đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm ANSYS là công cụ mô phỏng, thiết kế cảm biến dòng xoáy có kích thích siêu nhỏ (microsensor) dùng công nghệ màng mỏng ứng dụng trong đo khoảng cách [15] Ngược lại, nhóm Dejun Zhang và cộng sự tiến hành thiết lập hệ thực nghiệm để đưa ra một phương pháp đo chiều dày cấu trúc đa lớp sử dụng phương pháp dòng điện xoáy [16] Hay nhóm Zilian Qu đã tìm ra mối liên hệ giữa độ nhạy của phép đo chiều dày màng mỏng Cu có kích thước từ 20nm đến 350nm với các thông số của cảm biến dòng xoáy từ hệ thực nghiệm [17] Hướng còn lại, tập trung các nhóm nghiên cứu vừa tiến hành mô phỏng kết hợp với thực nghiệm để đánh giá

so sánh kết quả như nhóm của Long.CT [18] đã tiến hành mô phỏng và thực nghiệm

để đưa ra phương pháp đo chiều dày lớp không khí giữa 2 tấm kim loại trên cánh máy bay Hay Pingjie Huang và cộng sự đã tiến hành mô phỏng sự thay đổi của tổng trở đầu ra của cảm biến khi thay đổi hình dạng, kích thước lỗi trong khối vật liệu cần kiểm tra và xây dựng hệ thực nghiệm để kiểm chứng [19]

Mỗi hướng nghiên cứu trên đều có những ưu nhược điểm riêng Khi nghiên cứu

sử dụng mô phỏng, ta thường lý tưởng hóa các điều kiện mô phỏng do đó kết quả thường có sai số so với khi làm thực tế Còn nếu chỉ nghiên cứu trên các hệ thống thực nghiệm thì các nhóm nghiên cứu cần có những phân tích chuyên sâu và tham

khảo nhiều kết quả để so sánh đánh giá, giúp nhận biết và loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu tới kết quả thực nghiệm Trong phạm vi của luận văn này, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu dựa trên các kết quả mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc SAW đa lớp sử dụng phần mềm ANSYS Vì với cơ sở vật chất hiện tại, rất khó để thiết lập hệ thống thực nghiệm vì cảm biến dòng xoáy và cảm biến SAW đều là thiết bị rất nhỏ (công nghệ nano) Ngoài ra, để thực nghiệm cần các máy phát nguồn dòng có tần số thay đổi và máy đo điện có độ chính xác cao hoặc máy đo chuyên dụng

Đối tượng nghiên cứu chính trong luận văn là cảm biến SAW có cấu trúc đa lớp Như đã phân tích ở phần I.2, chiều dày và vật liệu làm lớp vật liệu nhạy có ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tính của cảm biến Do đó, luận văn sẽ tiến hành khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc SAW đa lớp có phủ vật liệu nhạy với mục tiêu chính là tìm ra được phương pháp đo được chiều dày lớp vật liệu nhạy này Hiện nay, tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội có nhóm nghiên cứu của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng đã mô phỏng và chế tạo thành công cảm biến SAW có cấu

trúc đa lớp lớp nhạy/AlN/Si và lớp nhạy/Quazt Trong đó lớp nhạy đang được nhóm

tập trung nghiên cứu là lớp ZnO ứng dụng trong đo độ ẩm và đo khí Ngoài ra nhóm cũng đang nghiên cứu các lớp vật liệu nhạy khác để chế tạo các loại cảm biến đo khí khác nhau Từ những phân tích trên tác giả luận văn lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW

đã được nghiên cứu thiết kế tại Việt Nam và cụ thể là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để tiến hành khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc SAW đa lớp, với mục tiêu xác định được chiều dày lớp vật liệu nhạy phủ lên cảm biến Việc lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW đã được thiết kế tại Việt Nam giúp cho nghiên cứu gần với thực tế hơn và dễ dàng kiểm nghiệm lại kết quả nghiên cứu về sau này

Trong phần tiếp theo, luận văn sẽ trình bày:

- Các kiến thức tổng quan về phần mềm ANSYS, phương pháp phần từ hữu hạn trong phân tích điện từ trường Đây là những kiến thức cơ bản phục vụ quá trình nghiên cứu, mô phỏng các hiện tượng sau này Với các kiến thức đã tìm hiểu, tác giả

tiến hành từng bước xây dựng mô hình mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc vật liệu đơn khối Mục đích chính là kiểm nghiệm lại các bước thực hiện một bài toán mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS, kiểm chứng lại

đồ thị tổng trở chuẩn hóa của cảm biến dòng xoáy khi chiều dày tấm vật liệu, off thay đổi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong ANSYS với kết quả mô phỏng khi sử dụng mô hình mạch điện biến đổi tương đương đã được trình bày ở mục I.1.5

lift Khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với cấu trúc cảm biến SAW đa lớp Tiến hành khảo sát trên các cấu trúc SAW đa lớp có lớp vật liệu nhạy và đế áp điện thay đổi Phân tích và đưa ra được phương pháp để xác định được chiều dày lớp vật liệu nhạy của cảm biến

CHƯƠNG II

MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ TRƯỜNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS

Nội dung chương II sẽ trình bày về phương pháp phần tử hữu hạn, giới thiệu tổng quan về ANSYS và ứng dụng ANSYS cho bài toán điện từ trường Tác giả tiến hành

mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với tấm vật liệu đơn khối nhằm nghiệm chứng các hiện tượng thực tế và lý thuyết đã trình bày tại Chương

I Các hiệu ứng khi thay đổi chiều dày lớp vật liệu, thay đổi điện trở suất của vật liệu, thay đổi lift-off giữa cảm biến EC và tấm vật liệu đơn khối thể hiện qua đường cong tổng trở chuẩn hóa được khảo sát Đây là tiền đề để nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa cảm biến với cấu trúc SAW đa lớp ở chương III

II.1 Tổng quan về phần mềm ANSYS

ANSYS là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp do công ty Phần mềm ANSYS (Hoa Kỳ) phát triển, sử dụng phương pháp phần từ hữu hạn – PTHH (FEM) để phân tích các bài toán vật lý – cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để giải quết các bài toán thiết kế, mô phỏng tối ưu kết cấu và các quá trình truyền nhiệt, dòng chảy, điện/ tĩnh điện, điện từ,…và tương tác giữa các môi trường hay các hệ vật lý Chính vì thế, phần mềm ANSYS đã trở thành một công cụ

mô phỏng rất hữu hiệu trong các lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp vũ trụ và hàng không, công nghiệp ô tô, y sinh, xây dựng và cầu đường…

Các module chính của phần mềm ANSYS bao gồm [20]:

ANSYS®/ Structural:

- Tính toán cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis)

- Tính toán dạng dao động (Modal Analysis)

- Tính toán đáp ứng điều hòa (Harmonic Response Analysis)

- Tính toán động lực học quá độ (Transient Dynamic Analysis)

- Phân tích phổ (Spectrum Analysis)

- Tính toán bất ổn định (Buckling Analysis)

- Tính toán cấu trúc phi tuyến (Nonlinear Structural Analysis)

- Đặc biệt là tính toán các bài toán về cơ học rạn nứt (Fracture Mechanics), cơ học vật liệu Composite (Composites)

ANSYS®/ Linear Plus:

- Dùng cho những bài tính toán tĩnh, bài toán động tuyến tính

- Bài toán động bao gồm: Modal, Harmonic, Transient và Spectrum Phần tính toán phi tuyến, ví dụ như: độ võng lớn, độ cứng phần tử (stress stiffening), phần tử tiếp xúc (nút – nút)

- Công cụ tính toán mạnh mẽ về trường điện từ

- Giải quyết các vấn đề về sóng điện từ

- Trường cặp đôi từ – nhiệt (coupled magnetic-thermal analyses), ví dụ như lò cảm ứng (induction heating)

- Phân tích cấu trúc từ (magnetic-structural analyses), cũng có thể kết hợp giữa electromagnetic - FLOTRAN CFD

ANSYS®/ Mechanical:

- Tính toán cả tuyến tính và phi tuyến, cấu trúc và nhiệt, tĩnh và động

- Giải quyết rộng rãi các bài toán thuộc về chế tạo máy và xây dựng

- Có những khả năng tính toán các bài toán động lực học, bất ổn định, truyền nhiệt, âm học, điện áp, …

ANSYS®/Multiphysics

- Không tính được các bài toán về trường điện từ, động lực học dạng tường minh (explicit dynamics analyses), động lực học lưu chất (CFD)

ANSYS®/ ED:

- Phục vụ cho giáo dục và đào tạo trong trường học, học viện và tự học

- Có khả năng như một ANSYS®/Multiphysics bao hàm cả trường điện từ và động lực học lưu chất Tuy nhiên còn hạn chế về kích cỡ của mô hình tính

- Không giải được những bài toán về vật liệu Composite

ANSYS®/ PrepPost:

- Có khả năng tính toán như ANSYs®/Multiphysics

- Hai khả năng Prep và Post được thiết kế rất mạnh mẽ để tính toán các mô hình lớn

ANSYS®/ Thermal:

- Tính toán phân bổ nhiệt, truyền nhiệt…

- Trường cặp đôi nhiệt — điện (Thermal-electric analyses)

ANSYS®/LS-DYNA:

- Giải quyết các bài toán biến dạng lớn (ép, rèn, …)

- Giải các bài toán động lực học

ANSYS®/ Designer Products:

- ANSYS® DDA Connection

Trong luận văn này, gói phần mềm ANSYS Mechanical APDL được sử dụng để tiến hành mô phỏng APDL là viết tắt của ANSYS Parametric Design Language: là một ngôn ngữ sử dụng để giao tiếp với bộ giải của ANSYS MechanicaL APDL Đây

là một ngôn ngữ có thể được sử dụng để tự động hóa các tác vụ thông thường thậm chí là xây dựng một mô hình tham số APDL bao gồm một loạt các tính năng ví dụ như xây dựng các câu dạng if-then-else, do-loops, véc tơ và ma trậ Gói phần mềm này là một module mô phỏng đa trường, đa vật lý Module này giúp chúng ta giải quyết tốt các vấn đề liên quan đến kết cấu, nhiệt, điện – tử, nổ, va chạm, vật liệu mới

và nó có khả năng phân tích mạnh Ngoài ra ANSYS Mechanical APDL được tích

hợp rất nhiều mô hình vật liệu và các loại phần tử với nhiều công thức, lý thuyết được

áp dụng

Phần tiếp theo, luận văn sẽ trình bày lý thuyết chung về phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn đối với bài toán mô phỏng điện từ trường trong ANSYS

Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn xuất phát từ nhu cầu giải quyết những vấn đề phức tạp về phân tích cấu trúc và độ đàn hồi trong xây dựng và kỹ thuật hàng không Phương pháp này được phát triển đóng góp rất lớn từ A.Hrennikoff và R.Courant Mặc dù phương pháp tiếp cận sử dụng bởi những người tiên phong này là khác nhau nhưng họ chia sẻ các đặc điểm cơ bản: chia nhỏ, phần tử hóa, rời rạc một miền liên tục thành tập hợp các miền rời rạc nhỏ hơn được gọi là các phần tử

Hrennikoff rời rạc hóa miền xác định bằng cách sử dụng các mắt lưới giống nhau trong khi cách tiếp cận của Courant là chia miền đó thành các miền nhỏ hữu hạn các tam giác để giải quyết phương trình vi phân riêng phần bậc hai elip nảy sinh từ vấn

đề xác định độ cứng, độ xoắn của một hình trụ Đóng góp của Courant được phát triển

và tạo lên nền tảng cho những phát triển bởi Rayleigh, Ritz và Galerkin

Sự chia nhỏ toàn bộ miền xác định thành các phần nhỏ có một số ưu điểm như sau:

- Biểu diễn chính xác hình học phức tạp

- Bao gồm được các đặc tính vật liệu khác nhau

- Dễ dàng biểu diễn các phép giải hoàn toàn

- Thu được những hiệu ứng cục bộ, bộ phận

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, v v

Chia nhỏ miền xác định cần tính toàn thành các tập các miền nhỏ hơn với mỗi miền nhỏ được biểu diễn bằng tập các phương trình phần từ tới các vấn đề toàn bộ

Hệ thống hóa kết hợp lại tập hợp các phường trình phần tử vào hệ thống tổng thể của phương trình cho tính toán cuối cùng Phương trình tổng thể của hệ thống được biết đến như phương pháp giải và có thể được tính toán từ những giá trị khởi tạo ban đầu tới khi đạt được kết quả số

Một đặc trưng của FEM là nó là phương pháp số ổn định, tức là những lỗi trong đầu vào và các bước tính toán trung gian sẽ không được cộng dồn và là nguyên nhân tạo ra sai số ở kết quả Trong bước đầu tiên ở trên các phương trình phần tử là những phương trình cục bộ xấp xỉ phương trình phức tạp ban đầu, với phương trình cơ bản ban đầu thường là phương trình vi phân riêng phần (PDE) Để giải thích sự xấp xỉ trong bước xử lý này, FEM thường được giới thiệu như là một trường hợp đặc biết của phương pháp Galerkin Đó là phương thức tối thiểu hóa những lỗi của việc xấp

xỉ bằng các khớp các hàm tam giác vào trong phương trình vi phân riêng phần Phần còn lại (phần dư) là lỗi gây ra bởi những hàm tam giác và hàm trọng lượng đa hình xấp xỉ thừa ra của project Quá trình xử lý loại trừ ra tất cả phần không gian phái sinh

từ PDE, do vậy xấp xỉ cục bộ phương trình riêng phần với:

- Một tập hợp phương trình đại số cho vấn đề trạng thái ổn định

- Tập hợp các phương trình vi phân thường cho vấn đề ngắn

Tập hợp những phương trình này là những phương trình phần tử Chúng tuyến tính nếu phương trình PDE là tuyến tính, và ngược lại Tập các phương trình đại số tăng lên trong bài toán trạng thái ổn định được giải nhờ sử dụng phương pháp đại số

tuyến tính, trong khi tập các phương trình vi phân thường tăng lên trong những vấn

đề nhất thời được giải bằng phương pháp tích phân số sử dụng kỹ thuật tiêu chuyển như phương pháp Euler hoặc phương pháp Runge-Kutta

Trong bước thứ hai ở trên, một phương trình toàn cục hệ thống được tổng hợp từ các phương trình phần tử bằng cách biến đổi từ những node cục bộ thành những node trong miền toàn cục Không gian chuyển đổi này bao gồm biến đổi ma trận cũng như

áp dụng quan hệ tham chiếu hệ thống tọa độ

FEM được hiểu rõ nhất từ các ứng dụng thực tiễn được biết tới như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) FEA được áp dụng như một công cục tính toán phân tích kỹ thuật Nó bao gồm kỹ thuật chia lưới, chia một vấn đề phức tạp thành nhiều phần tử nhỏ, cũng như sử dụng phần mềm lâp trình với thuật toán FEM Trong ứng dụng FEA, vấn đề phức tạp thường là một hệt vật lý như phương trình dầm Euler Bernoulli, phương trình nhiệt, hoặc phương trình Navier-Stokes dưới dạng phương trình vi phân Người ta chia nhỏ vấn đề phức tạp thành những miền khác nhau trong một hệ vật lý

để tiến hành giải FEA là một lựa chọn tốt để phân tích các các miền phức tạp, hoặc các miền với biên thay đổi, khi cần những biến chính xác trong toàn miền

Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán điện từ trường

Để mô tả cảm biến dòng xoáy, các công thức liên quan xuất phát từ công thức Maxwell sau:

∇ × 𝑬 = −𝜕𝑩

Trong đó H là cường độ từ trường, J s là vector mật độ dòng điện, J e là vector mật

độ dòng điện xoáy, E là cường độ điện trường, B là mật độ từ thông

Ta lại có

ở đây 𝜇𝑟và 𝜇0 lần lượt là độ từ thẩm tương đối và độ từ thẩm của không khí

Vector từ thế A được định nghĩa bằng: