NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SENSOR TỪ TRƯỜNG CÓ ĐỘ NHẠY CAO KÍCH THƯỚC MICRO - NANO ỨNG DỤNG TRONG Y - SINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SENSOR TỪ TRƯỜNG CÓ ĐỘ NHẠY CAO KÍCH THƯỚC MICRO - NANO ỨNG DỤNG TRONG Y - SINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ THƯỜNG XUYÊN

THEO CHỨC NĂNG NĂM 2020

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SENSOR TỪ TRƯỜNG

CÓ ĐỘ NHẠY CAO KÍCH THƯỚC MICRO - NANO

ỨNG DỤNG TRONG Y - SINH

Mã số nhiệm vụ: TXTCN.20.02

Chủ nhiệm nhiệm vụ: GS.TS Nguyễn Hữu Đức

Đơn vị chủ trì: PTN Trọng điểm công nghệ Micro và Nano

Hà Nội, 2021

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ THƯỜNG XUYÊN

THEO CHỨC NĂNG NĂM 2020

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SENSOR TỪ TRƯỜNG

CÓ ĐỘ NHẠY CAO KÍCH THƯỚC MICRO - NANO

ỨNG DỤNG TRONG Y - SINH

Hà Nội, ngày tháng năm

Đơn vị chủ trì nhiệm vụ Chủ nhiệm nhiệm vụ

GS.TS Nguyễn Hữu Đức

Hà Nội - 2021

2

I THÔNG TIN CHUNG

1.1 Tên nhiệm vụ: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo sensor từ trường có độ nhạy cao

kích thước micro-nano ứng dụng trong Y - Sinh”

1.2 Mã số nhiệm vụ: TXTCN.20.02

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện nhiệm vụ

TT Chức danh, học vị,

họ và tên Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2020 đến tháng 12 năm 2020

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 6 năm 2021

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 08 năm 2020 đến tháng 10 năm 2021

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Không

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của nhiệm vụ: 250 triệu đồng

II TỔNG QUAN KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ

2.1 Mục tiêu của nhiệm vụ

- Mục tiêu chung:

Nghiên cứu phát triển các sensor từ thế hệ mới có cấu hình thông minh dựa trên cơ

sở các hiệu ứng Vật lý truyền thống, đáp ứng yêu cầu kết nối vạn vật, kết nối thực - ảo của thời kỳ 4.0

3

- Mục tiêu cụ thể:

Sensor từ có kích thước micro-nano:

+ Cấu hình tập trung từ thông không đồng nhất, khuếch đại tín hiệu từ tính, độ nhạy > 2.0 mV/Oe

+ Độ nhạy tốt hơn 10-6 emu, phát hiện được các hạt nano siêu thuận từ Fe3O4chitosan kích thước 50 nm

-2.2 Những nội dung đã thực hiện và kết quả đạt được

2.2.1 Nội dung đã thực hiện:

Nghiên cứu mô phỏng, thiết kế các cấu hình mạch từ có khả năng tập trung từ thông không đồng nhất

Chế tạo thử các cấu hình mô phòng có kết quả tối ưu, trong đó có cấu hình mặt trăng hình lưỡi liềm

Thiết kế và chế tạo sensor từ với cấu hình tập trung từ thông tối ưu

Khảo sát các đặc trưng của sensor từ (độ nhạy và khả năng các hạt nano từ tính)

2.2.2 Kết quả đạt được:

- Quy trình chế tạo hệ tích hợp sensor từ trường

- 01 hệ sensor phát hiện các đặc tính từ nêu trên

- 1 đơn đăng ký sở hữu trí tuệ được chấp nhận

- Hỗ trợ đào tạo: 01 ThS và 01 NCS

2.3 Đánh giá kết quả thu được

2.3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc micro

Với mục tiêu nghiên cứu hiệu ứng từ - điện trên vật liệu cấu trúc xốp kích thước micro như đã đặt ra trong phần tổng quan, nhiệm vụ sẽ lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp với thời gian và điều kiện của phòng thí nghiệm Vật liệu cấu trúc xốp kích thước micro được chế tạo bằng phương pháp tạo hình cấu trúc micro không cần dùng phòng sạch, sau đó tiến hành chế tạo cảm biến từ - điện theo cấu hình này Các phương pháp đo đạc và khảo sát cũng sẽ được tiến hành để xem xét các yếu tố ảnh hưởng của cấu trúc xốp kích thước micro tín hiệu lối ra của cảm biến Nhiệm vụ này sẽ nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của các cấu trúc xốp có cấu hình khác nhau lên hoạt động của cảm biến từ - điện

2.3.1.a Chế tạo vật liệu từ cấu trúc xốp kích thước micro

Dựa trên những nghiên cứu về phương pháp chế tạo cấu trúc xốp tổ ong kích thước micro đã có, trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ -

4

Đại học Quốc gia Hà Nội, tạo hình cấu trúc micro không cần phòng sạch là phương pháp khả thi để thực hiện Với phương pháp này, việc tạo hình cho các vật liệu cấu trúc micro và nano sẽ đơn giản và dễ dàng hơn, rút ngắn quy tình, thời gian chế tạo cũng ngắn hơn so với các phương pháp khác Trong phương pháp này, việc tạo hình cho vật liệu được thực hiện bằng cách khắc laser trên vật liệu được phủ sơn từ trước theo hình dạng được thiết kế bằng bản vẽ trên phần mềm Dưới tác dụng của tia laser

sẽ loại bỏ lớp sơn ở những phần không cần tạo hình Sau đó, sử dụng kỹ thuật ăn mòn hóa học, phần vật liệu không được che phủ bởi lớp sơn bị ăn mòn trong dung dịch axit, phần vật liệu được bảo vệ bởi lớp sơn sẽ được giữ lại do sơn không bị hòa tan trong môi trường axit Sau quá trình ăn mòn sẽ thu được phần vật liệu với tạo hình mong muốn bằng cách loại bỏ lớp sơn sẽ sử dụng dung dịch hóa học

Việc thiết kế hình dạng cho cấu trúc được thực hiện một cách đơn giản hóa Các phần mềm vẽ kỹ thuật hiện nay đều có khả năng vẽ những chi tiết có kích thước micro Trong nhiệm vụ này sử dụng phầm mềm CorelDRAW - một phần mềm khá phổ biến hiện nay để thiết kế tạo hình cho vật liệu vì tính đơn giản và thuận tiện

Một điểm khác biệt lớn trong phương pháp này là sử dụng chùm tia laser để tạo hình chi tiết cho vật liệu đảm bảo sự chính xác khi kích thước ở cỡ micro mà không cần thiết phải có mặt của thiết bị quang khắc, chất cản quang hay mặt nạ chắn sáng Chùm tia laser cần dùng phải năng lượng cao hội tụ tại một điểm, có tác dụng nhiệt vừa phải để nhiệt độ không quá ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu Để đảm bảo những yêu cầu trên, hệ laser được kết nối với phần mềm điều khiển chuyên dụng trên máy tính giúp chúng ta kiểm soát thông số đầu vào của laser như tốc độ, chế độ, công suất quét của tia laser, thời gian,…

Quy trình kỹ thuật tạo hình cấu trúc micro met không cần phòng sạch sử dụng công nghệ khắc Laser kết hợp với kỹ thuật ăn mòn hóa học như sau:

Bước 1: Thiết kế cấu hình

Phần mềm CorelDRAW được sử dụng để tạo hình chi tiết và cấu trúc vật liệu hoặc linh kiện cần chế tạo (1) Phần bị laser loại bỏ (2) và phần được giữ lại (3) sẽ được đánh dấu riêng

Hình 1 Tạo hình cấu trúc vật liệu bằng phần mềm CorelDRAW

Bước 2: Làm sạch bề mặt vật liệu bằng dung môi và sấy khô bề mặt (4)

5

Bước này giúp đảm bảo bề mặt sạch trước khi phủ sơn, đảm bảo lớp sơn kết dính tốt và đồng đều trên bề mặt vật liệu

Hình 2 Vật liệu sau khi được làm sạch

Bước 3: Phủ sơn lên bề mặt vật liệu vừa làm sạch

Sử dụng phương pháp quay phủ (5) sẽ giúp sơn khuếch tán đều trên bề mặt và kiểm soát độ dày lớp sơn tùy thuộc vào sự điều chỉnh tốc độ và thời gian quay phủ Loại sơn được chọn là sơn Việt - Tiệp có sẵn trên thị trường rất dễ tìm mua và có giá thành thấp Sử dụng phương pháp quay phủ ly tâm trên thiết bị Spin coating của hãng SUSS - MicroTec với tốc độ quay phủ 5500 vòng/phút, trong thời gian 3 phút để quay phủ tạo lớp sơn mỏng trên bề mặt vật liệu

Hình 3 Phủ sơn bảo vệ lên bề mặt vật liệu

Bước 4: Chờ khô tự nhiên trong khoảng 5 tiếng

Hình 4 Vật liệu đã được phủ sơn bề mặt và để khô

Bước 5: Khắc laser

Dùng máy khắc Laser UV cho chùm laser (7) có công suất thấp 3 - 5 W, tốc độ khắc 200 mm/giây Sau quy trình này, các vị trí lớp sơn có chùm laser quét vào sẽ bị loại bỏ để hở bề mặt vật liệu băng từ (8), lớp vật liệu hở ra này sẽ bị ăn mòn trong bước quy trình ăn mòn hóa

6

Hình 5 Quá trình sử dụng chùm tia laser bốc bay phần sơn ở vị trí cần ăn mòn

Bước 6: Ăn mòn hóa học

Mẫu vật liệu (10) trong dung dịch (9) (hoặc hỗn hợp dung dịch) có thành phần

HNO3:HCl:H2O2:H2O theo tỉ lệ thể tích 1:2:4:60, kết hợp với khuấy và rung siêu âm

để hòa tan hoàn toàn phần vật liệu muốn bị ăn mòn tại các vị trí lớp sơn phủ đã bị laser

ăn mòn đi và giữ lại phần vật liệu có lớp sơn phủ bảo vệ Thời gian ăn mòn điều chỉnh phù hợp tùy thuộc vào cấu trúc muốn ăn mòn

Hình 6 Ăn mòn vật liệu trong dung dịch

Bước 7: Tẩy và làm sạch

Tẩy và làm sạch toàn bộ lớp sơn phủ còn lại (13) trên vật liệu (11) sau khi kết thúc

ở Bước 6 trong dung môi hóa chất (12) phù hợp cho đến khi lớp sơn bị tan hoàn toàn

Hình 7 Tẩy và làm sạch lớp sơn phủ

Bước 8: Vệ sinh

7

Rửa sạch trong Methanol và tiếp theo là nước sạch rồi sấy khô hoàn thiện sản phẩm (14)

Hình 8 Hoàn thiện vật liệu có cấu hình theo yêu cầu

Hình 9 Ảnh chụp vật liệu sau khi được chế tạo hoàn thiện

2.3.1.b Khảo sát tính chất từ của vật liệu

Để khảo sát các thông số liên quan đến tính chất từ của vật liệu như tính từ mềm,

từ dư, lực kháng từ, từ độ bão hòa,…, phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay

đó là sử dụng hệ từ kế mẫu rung (Vibrating sample magnetometer – VSM) Hệ đo VSM LakeShore 7404 (Lakeshore, USA) tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Micro và Nano, Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN sẽ được sử dụng trong khảo sát này Tất cả các phép đo được thực hiện trong dải từ trường ±3000 Oe

8

9

Hình 10 Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404

Đối với các mẫu băng từ liên tục hoặc băng từ có độ dài và độ rộng xác định, từ trường ngoài được đặt song song với mặt phẳng mẫu Phương từ hóa mà từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu không được thực hiện vì mẫu là dạng màng mỏng, phương đo này mặc định là phương từ hóa khó Các phép đo được tiến hành trong hai trường hợp: từ trường ngoài song song với chiều dài của mẫu và từ trường song song với chiều rộng của mẫu

Tính chất từ của vật liệu được nghiên cứu thông qua phép đo đường cong từ hóa

và độ cảm từ của các mẫu được đo bởi thiết bị Từ kế mẫu rung VSM Các phép đo sẽ được tiến hành trên các mẫu cấu trúc xốp tổ ong độ rộng cạnh từ 60 đến 130 m

(tương ứng với các mẫu HS60 đến HS130) Phép đo đc tiến hành với từ trường ngoài

được đặt song song với mặt phẳng mẫu, có dải đo từ -3000 đến 3000 Oe

Kết quả đường cong từ hóa của các mẫu chỉ ra rằng các mẫu đều thể hiện tính chất

từ mềm, có khả năng hưởng ứng cao trong từ trường thấp với từ trường bão hòa khoảng 40 Oe, từ độ bão hòa MS nhỏ hơn 100 emu/g Tuy nhiên, khi xem xét trong vùng từ trường nhỏ cỡ 80 Oe, các mẫu thể hiện khả năng hưởng ứng với từ trường khác nhau tùy thuộc vào cấu hình của vật liệu Như đã dự đoán, hai cấu trúc dạng xốp

tổ ong có độ rộng càng hẹp càng lợi thế Điều này chứng tỏ tính dị hướng từ hình dạng vẫn đóng một vai trò nhất định trong cấu trúc xốp tổ ong kích thước micro

So sánh riêng hai mẫu cấu trúc xốp tổ ong HS100 và HS60, có thể thấy độ cảm từ của mẫu HS60 tốt hơn so với mẫu HS100 Điều này cho thấy nếu độ rộng một cạnh trong cấu trúc xốp tổ ong càng nhỏ thì độ cảm từ sẽ có xu hướng tăng lên

Để đánh giá ảnh hưởng của cấu hình vật liệu đến tính dị hướng từ hình dạng, các mẫu vật liệu cấu trúc xốp tổ ong HS100 và HS60 sẽ được từ hóa riêng lẻ theo hai

9

phương vuông góc với nhau mặt phẳng Tương tự như vậy với hai mẫu có cấu thanh chữ I (IS kích thước 1x6mm) và mẫu liên tục (LT kích thước 5x6 mm) cũng sẽ được

từ hóa để giúp so sánh về tính dị hướng từ hình dạng với các mẫu cấu trúc xốp tổ ong

Hình 11 (a) Đường cong từ hóa trong từ trường ngoài từ -3000Oe đến 3000Oe; (b) Đường cong từ

hóa trong từ trường ngoài nhỏ từ -15 Oe đến 15 Oe

Kết quả trên đã chỉ ra rằng, đường cong từ hóa theo 2 phương vuông góc với nhau của hai mẫu cấu trúc xốp tổ ong không cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong vùng từ trường rất nhỏ cỡ -5 Oe đến 5 Oe Điều này đã thể hiện tính dị hướng từ đa trục trong cấu trúc xốp tổ ong Tuy nhiên, sự khác biệt của đường cong từ hóa rõ ràng hơn ở mẫu HS100 khi so với mẫu HS60 Giải thích kết quả này là do dị hướng từ hình dạng đã tác động đến tính đa trục đối với cấu trúc xốp tổ ong kích thước micro, đồng thời, với cấu hình HS60, dị hướng từ đa trục tốt hơn do tỷ lệ kích thước dài trên kích thước rộng lớn hơn so với mẫu HS100

Để giải thích hiện tượng trên về mặt lý thuyết, tính toán mô phỏng lý thuyết đã được xây dựng Kết quả cho thu được cho thấy nhờ sự gia tăng của mật độ vách đô men nên tính chất từ mềm đã được cải thiện trong các cấu trúc xốp

10

(a) Đường cong từ hóa trong từ trường ngoài từ -3000Oe đến 3000Oe; (b) Đường cong từ hóa trong

từ trường ngoài nhỏ từ -15 Oe đến 15 Oe;

Hình 12 Đường cong độ cảm từ của các mẫu

Hình 13 Đường cong từ hóa đo theo 2 phương trên mẫu HS130 và HS60

11

Hình 14 Cấu trúc đoman thu được từ kết quả tính toán mô phỏng

2.3.1.c Chế tạo cảm biến từ-điện

Như đã trình bày trên phần tổng quan, phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp đa pha

sử dụng kỹ thuật kết dính là phương pháp đơn giản, nhanh chóng mà vẫn cho thấy hiệu quả trong việc truyền ứng suất từ pha vật liệu từ giảo sang pha vật liệu áp điện Các nguyên liệu được sử dụng để chế tạo cảm biến cũng được thương mại hóa như PZT APC-855 và FeBSi Ban đầu hai vật liệu này ở dạng tấm to nên dễ dàng cho việc tạo hình mong muốn

Cấu hình cho vật liệu áp điện sẽ được thực hiện bằng máy cắt tự động SHERLINE model 5410 (USA) Thiết bị này cho phép thực hiện cắt bằng phần mềm điều khiển của máy tính Máy có thể cắt vật liệu với độ chính xác lên đến micro met Máy sử dụng một lưỡi cắt bằng kim loại với tốc độ quay của lưỡi cắt có thể điều chỉnh từ 60 vòng/phút đến 2800 vòng/phút

Mẫu vật liệu áp điện sau khi được cắt sẽ tiến hình kết dính với vật liệu từ giảo cấu trúc tổ ong được chế tạo trước đó để tạo thành tổ hợp vật liệu từ - điện cấu trúc xốp tổ ong kích thước micro

12

Vật liệu từ giảo cấu trúc xốp kích thước micro sau khi được khảo sát tính chất từ

sẽ được tiến hành kết hợp với vật liệu áp điện để chế tạo cảm biến Kích thước của tấm vật liệu áp điện được giữ nguyên (kích thước 6x6 mm) trong các mẫu cảm biến nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của vật liệu từ giảo có cấu hình khác nhau lên hoạt động của cảm biến từ - điện Các mẫu vật liệu được tiến hành chế tạo cảm biến từ - điện đó là hai mẫu cấu trúc xốp tổ ong kích thước micro có độ rộng cạnh là 100 µm (HS100), 60

µm (HS60) và cấu trúc thanh chữ I kích thước 1x6mm

Hình 15 Vật liệu PZT dạng tấm (a); vật liệu FeBSi dạng màng mỏng (b)

Hình 16 Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 và máy tính điều khiển

13

Hình 17 Tấm áp điện và vật liệu từ giảo ban đầu và cảm biến từ - điện

Việc đầu tiến là kết dính vật liệu áp điện và vật liệu từ giảo với nhau bằng cách dùng keo dán có bán trên thị trường như keo 502 Thuận Phong để tạo ra vật liệu từ - điện Lớp keo phủ được trải đều trên bề mặt tấm áp điện, sau đó dán vật liệu từ giảo lên phía trên

Tiến hành hàn áp điện trên tấm áp điện Điện cực được hàn tại 2 mặt đối diện nhau của tấm áp điện sao cho mối hàn không bị dính vào vật liệu từ giảo và đảm bảo kích thước mối hàn nhỏ để không làm cản trở dao động của vật liệu trong khi khảo sát

Hình 18 Cảm biến từ - điện được hàn áp điện

Bước tiếp theo sẽ tiến hành đưa cảm biến vào cuộn dây kích thích sau đó hàn điện cực để lấy tín hiệu lối ra của cảm biến Cuộn dây kích thích solenoid có đường kính 1 cm, chiều dài cuộn dây 1,1 cm, có 10 vòng/mm Cuộn dây cũng được hàn điện cực để cấp nguồn điện xoay chiều đầu vào Khi cho cảm biến từ - điện vào cuộn dây cần đảm bảo cảm biến nằm giữa lòng cuộn dây và không bị cuộn dây làm ảnh hưởng dao động

14

Hình 19 Cảm biến từ-điện được đặt trong lòng cuộn dây solenoid

2.3.1.d Khảo sát hoạt động và thông số làm việc của cảm biến từ-điện

Vật liệu từ giảo đã được chế tạo ở phía trên sẽ được kết hợp với vật liệu áp điện để tiến hành chế tạo cảm biến từ - điện Dựa vào việc khảo sát hoạt động và thông số làm việc của cảm biến từ - điện sẽ giúp chúng ta đánh giá những yếu tố liên quan đến hiệu ứng từ - điện

Theo nguyên lý hoạt động của cảm biến từ - điện, vật liệu pha sắt điện dưới tác động của từ trường sẽ bị biến dạng cơ học theo hiệu ứng từ giảo sinh ra một ứng suất Ứng suất này truyền đến vật liệu pha áp điện thông qua lớp kết dính ở giữa hai pha vật liệu, làm tạo ra một điện thế cảm ứng trên tấm áp điện theo hiệu ứng áp điện Tấm áp điện lúc này có thể coi là một tụ điện nhưng chúng chỉ có thể duy trì điện tích trong thời gian ngắn do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết bị đo đạc Vì vậy cần có một cuộn dây solenoid được nuôi bằng điện thế xoay chiều để duy trì lượng điện tích Cuộn dây solenoid được chế tạo sao cho có thể đặt toàn bộ phần cảm biến vào bên trong nhằm tạo từ trường kích thích được phân bố đồng nhất trên toàn bộ cảm biến

Tần số cộng hưởng là một trong những thông số làm việc quan trọng của cảm biến Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng của vật liệu bằng vơi tần số kích thích Tần số này được xác định thông qua phép đo sự phụ thuộc của điện thế lối ra vào tần số của từ trường xoay chiều kích thích

Như vậy, hai thông số mà ta cần khảo sát liên quan đến hoạt động của cảm biến từ

- điện đó là tần số cộng hưởng và từ trường xoay chiều kích thích

Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra trong lòng cuộn dây solenoid

được nuôi bởi dòng điện xoay chiều cung cấp bởi bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier) Thiết bị này được sản xuất bởi Ametek, USA và được trang bị tại

Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Micro và Nano, có khả năng tạo ra từ trường kích thích có tần số thay đổi liên tục từ 0 đến 250 kHz Điện áp có thể cung cấp của thiết bị lên đến 5V Thiết bị lock-in này không chỉ cung cấp nguồn nuôi cho cuộn

Tần số làm việc của cảm biến từ - điện sau khi chế tạo được khảo sát dựa trên đáp ứng điện áp lối ra trên cảm biến khi thay đổi tần số từ trường xoay chiêu kích thích tạo

ra bới cuộn solenoid Phép đo được thực hiện tại từ trường Trái đất Trong phép đo khảo sát tần số làm việc của cảm biến, từ trường kích thích cảm biến được tạo ra bởi cuộn dây kích thích solenoid có biên độ dao động = 5V được cung cấp bởi bộ khuếch đại lock-in 7625

Hình 21 kết quả đường đo đặc trưng sự thay đổi của điện áp lối ra trên cảm biến theo tần số quét trong dải từ 195 kHz đến 235 kHz Kết quả cho thấy có xuất hiện 1 đỉnh rất hẹp xung quang tần số 210 Hz, tại đó tín hiệu lối ra thu được là lớn nhất Đây chính là tần số cộng hưởng và được chọn là tần số làm việc của cảm biến Kết quả tần

số công hưởng của các cảm biến được nghiên cứu trong nhiệm vụ được được thể hiện dưới bảng sau:

Bảng 0.1 Tần số làm việc của các cảm biến từ - điện

Kết quả trên bảng 3.1 cho thấy tần số làm việc của các cảm biến từ-điện có cấu hình pha vật liệu từ giảo khác nhau nằm trong khoảng trên 210 kHz Để giải thích kết quả này, chúng ta sẽ xem xét công thức tính toán tần số dao động riêng của vật liệu:

* Khảo sát khả năng đo từ trường của cảm biến từ-điện

Sau khi xác định tần số làm việc của các cảm biến từ-điện có cấu hình pha vật liệu

từ giảo khác nhau HS100, HS60, CS, nhiệm vụ sẽ tiến hành khảo sát khả năng đo từ trường của các cảm biến này Tín hiệu của cảm biến từ - điện được đo tại tần số làm việc của cảm biến bởi từ trường ngoài Hdc được tạo ra bởi cuộn Helmholzt có thể cung cấp từ trường một chiều với độ lớn trong dải -30 Oe đến +30 Oe Để khảo sát khả năng

đo từ trường với các phương khác nhau ở mẫu cấu trúc tổ ong và tính đơn trục của

17

mẫu cấu trúc CS, từ trường ngoài Hdc được đặt song song với mặt phẳng của mẫu theo hai phương khác nhau

Hình 22 Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số từ-điện trong từ trường ngoài

Đường cong điện thế lối ra tỷ đối trong từ trường ngoài cũng cho thấy độ nhạy của các cảm biến từ-điện có cấu hình khác nhau trong từ trường làm việc Trong cả hai phương của từ trường ngoài, đường đồ thị của cảm biến HS60 dốc hơn so với các cảm biến HS100 trong khoảng từ trường ngoài từ -20 Oe đến 20 Oe Điều này được giải thích do độ cảm từ của vật liệu từ giảo HS60 (6,4 emu/g.Oe), lớn hơn độ cảm từ của vật liệu từ giảo HS100 (3,4 emu/g.Oe), chứng tỏ cảm biến từ - điện HS60 sẽ có độ nhạy tốt hơn trong vùng từ trường ngoài thấp Kết quả khảo sát điện thế lối ra tỷ đối trong từ trường ngoài Hdc có xu hướng phù hợp với kết quả khảo sát tính chất từ của các mẫu vật liệu từ giảo có cấu trúc khác nhau Với mẫu CS có độ dốc kém hơn HS60

và HS100

Đến đây chúng ta thấy được sự khác nhau giữa hai cảm biến cấu hình xốp tổ ong HS60 và HS100 Mặc dù cảm biến HS60 có độ nhạy tốt hơn trong vùng từ trường ngoài nhỏ hơn nhưng tín hiệu lối ra của cảm biến này lại nhỏ hơn so với cảm biến HS100 Điều này có thể giải thích là do cấu hình của vật liệu từ giảo đã ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra của cảm biến từ - điện Để xem xét rõ ràng điều này, chúng ta sẽ khảo sát tỷ phần thể tích của các mẫu sau đây

* Tỷ phần thể tích

Tỷ phần thể tích hiệu dụng thể hiện phần diện tích truyền ứng suất trong vật liệu từ

- điện Cấu hình của cảm biến là yếu tố chính quyết định lên thông số này Có thể thấy, khi diện tích tiếp xúc của vật liệu từ giảo với vật liệu áp điện càng lớn thì tỷ phần thể tích càng lớn

18

Tỷ phần thể tích của các mẫu cấu trúc xốp tổ ong HS60 và HS100 được xác định như sau:

Hình 23 Thông số trên ô cơ sở

Ký hiệu: L là chiều dài lớn của 1 ô tổ ong, SL là chiều dài nhỏ của 1 ô cơ sở, w là chiều dày thành của 2 ô cơ sở liên tiếp, w/2 là chiều dày thành của một cơ sở

Ta có:

Vì thế:

√

Diện tích ô cơ sở đặc bên trong (nét đứt): √

Diện tích ô cơ sở đặc (nét liền): √

Diện tích ô cơ sở rỗng (phần màu xanh lá):

√

( ) (

√ ) Tổng diện tích tất cả ô cơ sở rỗng sẽ bằng diện tích của 1 ô cơ sở rỗng nhân với tổng các ô cơ sở có trong mẫu:

Tỷ phần thể tích sẽ là tỷ số giữa tổng diện tích tất cả các ô cơ sở rỗng trên tổng diện tích của một mẫu liên tục kích thước 5x6mm

Áp dụng công thức (3.12) và các thông số của mẫu chúng ta tính được tỷ phần thể tích Tỷ phần thể tích và hệ số từ - điện có liên hệ chặt chẽ với nhau Nếu hệ số từ - điện thể hiện hiệu quả truyền ứng suất thông qua liên kết cơ học của hai pha vật liệu từ giảo và áp điện thì tỷ phần thể tích thể hiện diện tích truyền ứng suất đó

SL L

w

w/2

a = w/2*cotg60

(3.6) (3.7)