Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện dựa trên vật liệu tổ hợp từ điện Metglas PZT

Khoa học công nghệ phát triển việc đo dòng điện trở nên dễ dàng hơn, ngoài phương pháp đo đòng truyền thống bằng cách sử dụng các loại ampe kế, người ta còn sử dụng phương pháp đo không

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HQC SU PHAM HA NOI 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang

HA NOI, 2013

LOI CAM ON Loi dau tién cho phép em bay té long biét on sdu sac đến cô giáo, người hướng dẫn khoa học PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang người đã tạo moi

điều kiện thuận lợi, chỉ bảo tận tình, bổ khuyết những kiến thức còn thiếu

trong suốt quá trình làm thực nghiệm nghiên cứu khoa học và hoàn thành

luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thây, cô khoa Vat Lý trường ĐH Sư Phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp giảng dạy, truyền thụ kiến thức giúp chúng em hoàn thành khóa học và củng cô kiến thức về bộ môn vật lý Đẳng thời em xin cảm ơn khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ Nano Trường ĐH Công nghệ-ĐH Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho chúng em có môi trường và trang thiết

bị máy móc làm thực nghiệm hoàn thành luận văn tot nghiép

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các anh, chị NSC tại khoa Vật

lý Kỹ thuật và Công nghệ nano, Ths Nguyễn Thị Ngọc người chị đã tận tình, sát sao chỉ bảo, hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quỷ báu cho em khi

làm thực nghiệm

Cuối cùng xin được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến bố mẹ

và gia đình đã luôn ủng hộ, động viên kịp thời giúp em vượt qua khó khăn

hoàn thành công việc học tập của mình

Luận văn được thực hiện với sự hỗ trợ của Đề tài nghiên cứu mã số

VT/CN-03/13-15 thuộc Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp Nhà nước về Công nghệ vũ trụ

Hà Nội, ngày 12 thang 12 nam 2013

Tac gia

Lé Van Duong

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan những kết quá nghiên cứu khoa học là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở nơi nào khác

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2013

Tác giả

Lê Văn Dương

Từ trường do dòng điện thắng sinh ra -¿- ¿65c 2ccccxcxcsccrrree 5

Sơ đồ cách mắc ampe kế vào mạch điện - ccsccs<c<ccs+ 6

Gavano KẾ St S111 1212151515111 111111 12111111151111111111111111 1101215 xe 7

Sơ đồ cách đo đòng điện xoay chiều (a) và đòng một chiều (b)

Sơ đồ cấu tạo kìm dòng AC dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ 9

Sơ đồ nguyên lý kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall, (a) mở vòng, (b) đóng VÒNG LH TK TT ket 10 Cấu tạo cảm biến đo đòng điện sử dụng hiệu ứng GMI 11

Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật

liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện

Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đối độ từ hóa bởi điện trường ngOải ng KH ng tk 13 Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và e-ø đặc trưng cho hiệu ứng

từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [5] .- - 14

Mô tả nguyên lý hoạt dong của hiệu ứng từ-điện thuận 15 Hình minh họa cấu hình vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết đính ¿2 s2 E2 2215121211211 tr 17 Ảnh chụp SEM vat liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng 18 Ảnh chụp vật liệu tổ hợp, cuon solenoid, xuyén IICA 18 Ảnh chụp cảm biến cấu hình chữ U (a) và chữ L (b) -. 19 Minh họa hệ đo thông số làm việc của cảm biến -ccccccsscec 20

Sơ đồ minh họa hệ đo từ-điện

Ảnh chụp hệ SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét 24

Đường cong từ trễ tỉ đối M/M, (a) và độ cảm từ dM/dH (b) được

Độ cảm từ của băng từ mẫu 1 (12x1) và mẫu 2( I16x l) 27

Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra vào tần số 29

Sự phụ thuộc của thế lối ra vào điện áp xoay chiều kích thích cấp cho cuộn solenoid trên cảm biến l - 5-52 cccszxcccrz 30

Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào cường độ từ trường của

cảm biến mẫu Ì . ¿- ¿5222221 2E12E1211211211211211221221 111.16 31

Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ

Sự phụ thuộc của tín hiệu điện ap xoay chiều lối ra vào cường độ đòng điện tại các vị trí khác nhau - cành 32

Mô hình tính toán từ trường tác dụng lên bề mặt cảm biến (a) và

kết quả fit lý thuyết với số liệu thực nghiệm tín hiệu cảm biến

phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và day dan voi dong

Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra vào điên áp kích thích cấp cho cuộn solenoid (a) và thế nền Vạwy¿, (b) 37

Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên các cấu hình chữ

I, chữ L và U vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại vị trí

Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cấu hình chữ U

vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại các vị trí khác nhau 41

Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cấu hình chữ L vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại các vị trí khác nhau 41 kết quả fit lý thuyết với số liệu thực nghiệm tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và dây dẫn với dòng

Khảo sát khả năng đo dòng điện và độ phân giải của cảm biến

MUC LUC

LOI CAM ON

LOI CAM DOAN

DANH MUC DO THI VA HINH VE

1.1.1 Nguồn gốc dòng điện -cc c2s E11 1111121121 1111111 3

1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện Ăn nến 4 1.1.2.a Cường độ dòng điỆH ĂĂĂẶ Ăn key 4 1.1.2.b Từ trường do dòng điện sinh ra Sài, 5 1.2 Các loại thiết bị đo dòng điện - <5 s<cscecsssssssesssesssesssessssesszsse 5

Chương2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.2 Khảo sát các thông số làm việc của cắm biến . s<-<<ses<s<<s 19 2.3 Hệ đo khảo sát đặc trưng đo cường độ từ trường của cắm biến 20 2.4 Hệ đo khảo sát đặc trưng đo cường độ dòng điện của cám biến 21

Chương3_ KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN -5-5-s° 5s ss<cssessssesessesss 26

3.2 Cảm biến đo dòng điện hình chữ I

3.2.1 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 1 kích thước 12x1 mm 28 3.2.1.a Đặc trưng phụ thuộc tẪN SỐ SE 1111111111121 811111 28 3.2.1.b Đặc trưng phụ thuộc điện áp xoay chiều cấp cho cuộn solenoid 29 3.2.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ ITƯỜng «ch về 30

3.2.2 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 2 kích thước 116xI mm 34

3.3 Cảm biến đo dòng điện tổ hợp -s- < 55s SssesEerseseksrsesessrsesessrs 35

3.3.1.a Đặc trưng phụ thuộc tân số làm ViỆC -.cekckSSEE 22+ 36 3.3.1.b Pac trung phu thuéc dién ap xoay chiéu cap cho cuén solenoid 37 3.3.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ ITƯỜng căn 38 3.3.2 Đặc trưng đo dòng điện của cảm biến tổ hỢP à cài 39

00/2060 790809 700077 46

MO DAU Ngày nay, điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Nó có mặt ở khắp mọi nơi,trong tất cả mọi lĩnh vực đời sống sinh hoạt và sán xuất Tuy nhiên, quản lý và sử dụng điện năng không hợp lý gây lãng phí, thiệt hại về người và của đang là vấn đề nan giải của ngành điện Việt Nam Để giải quyết vấn đề này việc làm cấp thiết là phải thường xuyên

kiểm tra đo đạc dòng điện Nếu kiểm soát được dòng điện, chúng ta có thé

tránh được những sự cố, hư hỏng kĩ thuật, phát hiện những hiện tượng làm việc không bình thường của mạch điện, từ đó đưa ra phương án khắc phục xử

lý kịp thời Khoa học công nghệ phát triển việc đo dòng điện trở nên dễ dàng

hơn, ngoài phương pháp đo đòng truyền thống bằng cách sử dụng các loại

ampe kế, người ta còn sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc “non-contacft”

nhờ sự trợ giúp của các loại cảm biến hoạt động dựa trên một số hiệu ứng vật

lý khác nhau Phương pháp này hiện nay được dùng rất phô biến với nhiều ưu

điểm nối trội như đải đo rộng, độ chính xác cao, có thé do ca dong xoay chiéu

và một chiều mà không cần phá vỡ mạch điện

Gần đây, một hiệu ứng vật lý mới là hiệu ứng từ - điện với sự tổ hợp

đồng thời của hai pha sắt từ và sắt điện trong một vật liệu (vật liệu

multiferroics) đang thu hút được nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là đo lường Từ

- điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng

này có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như chế tạo cảm biến, máy

phat dién,

Các nghiên cứu trên hiệu ứng từ-điện cho thấy khả năng ứng dụng rất tiềm năng trong lĩnh vực cảm biến đặc biệt dé đo từ trường [1], [2] [3], [5] [9] [10] [11] [14] Dựa trên các kết quả nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện sử dụng vật liệu từ giáo là các băng từ Metglas pha tap Ni voi

thanh phan Fe76.sNi;.2B13.2Sis cho hiệu ứng từ-điện không lồ trong vùng từ

trường rất thấp do tính chất từ siêu mềm của hợp kim này Tiếp tục các nghiên

cứu nhằm khai thác đặc tính nhạy từ trường của vật liệu này và để mở rộng

phạm vi ứng dụng của hiệu ứng, trong luận văn này, cảm biến đo dòng điện dựa trên nguyên lý đo từ trường của hiệu ứng từ-điện đã được nghiên cứu với

đề tài: “ Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện dựa trên vật liệu tổ

hợp từ-điện Metglas⁄PZT” Dựa trên các đo đạc khảo sát đặc trưng đo dòng

điện của cảm biến, các mô hình tính toán lý thuyết cũng được xây dựng để

tìm ra qui luật thay đổi của tín hiệu lối ra phụ thuộc vào vi tri dat cam bién va

cuong d6 dong dién can do

Các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn này cụ thể như

Sau:

— Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ Metglas/áp điện PZT và

nghiên cứu các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật

liệu

— Chế tạo, khảo sát các thông số hoạt động đo dòng điện đặc trưng của

cảm biến

—_ Tối ưu cấu hình thiết kế để tăng cường độ nhạy dòng điện của cảm biến

— Xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng hoạt động của cảm biến

Từ năm 600 trước công nguyên, những người Hy Lạp cổ đã biết rằng nếu cọ xát hỗ phách thì nó có thể hút được những mẫu giấy Cho đến trước

năm 1672 cũng chưa có một tiến bộ nào trong việc nghiên cứu về điện Vào

năm 1672 ông Otto Fon Gerryk khi để tay bên cạnh quả cầu bằng lưu huỳnh đang quay đã nhận được sự tích điện lớn hơn Vào năm 1729 ông Stefan Grey

đã tìm ra rằng có 1 số chất có khả năng dẫn điện trong đó có kim loại, những chất như vậy được gọi chung là chất dẫn điện Đồng thời ông ta cũng phát hiện ra một số chất khác như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hồ phách và sáp khong dan điện Chúng được gọi là những chất cách điện

Bước tiến tiếp theo trong việc nghiên cứu về đòng điện là vào năm 1733 khi một người Pháp có tên là Duy Phey tìm ra vật tích điện dương và vật tích điện âm, mặc dù ông cho rằng đó là 2 loại điện khác nhau Bedzamin Franklin

là người đầu tiên thử giải thích thế nào là dòng điện Theo ông tắt cả các chất

trong tự nhiên đều có chứa “chất lỏng điện” Khi 2 chất va chạm vào nhau thì

một số “chất lỏng” của chất này sẽ bị lấy sang chất khác Ngày nay, chúng ta

nói “chất lỏng” được cấu tạo từ những điện tử mang điện tích âm Bộ môn

khoa học nghiên cứu về điện phát triển rằm rộ từ năm 1880 khi mà Alexandro Volta đã sáng chế ra pin Phát minh này đã mang đến cho loài người nguồn

năng lượng thường xuyên và kéo theo nó tất cả những phát minh quan trọng nhất trong lĩnh vực này

1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện

1.1.2.a Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích

di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian Nó thường được ký hiệu bằng chữ I từ chữ tiếng Đức Intensität nghĩa là cường độ Trong hệ SI, cường

độ dòng điện có đơn vị ampe (A)

Q

P= = (41 +42 +93 + + an)/t (1)

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét:

AQ

lạ = — th = Fy (2) 2 Trong do:

+ 1„„ là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị đo ampe (A)

+ AQ là điện lượng chuyên qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian

At, don vi la Coulomb (C)

+ At là khoảng thời gian được xét, đơn vị là giây (s)

Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện

sử dung ampere kế (phần 1.2.1) hoặc gián tiếp dựa trên nguyên tắc đo từ

trường tán xạ do dòng điện sinh ra sử dụng kìm dòng, cảm biến đựa trên hiệu

ứng từ tổng trở, (phần 1.2.2 và 1.3).

1.1.2.6 Ti trường do dòng điện sinh ra

Moi dòng điện đều sinh ra từ trường trong không gian được tính toán tuân theo định luật Ampere Đây cũng là hiệu ứng được sử dụng để đo đòng điện một cách gián tiếp thông qua đo từ trường Từ trường sinh ra bởi dòng

điện chạy trong các cuộn dây dẫn có vectơ cảm ứng từ tại một điểm phụ thuộc

vào cường độ dòng điện 7 chạy trong dây dẫn, hình dạng dây, vị trí của điểm đang xét và môi trường xung quanh Từ trường sinh ra bởi dòng điện một chiều chạy trong đây dẫn thắng có được biểu diễn dạng như sau:

Hình 1.1: Từ trường do dòng điện thẳng sinh ra

Theo công thức (4), từ trường được tính toán là rất nhỏ, tại khoảng cách

4 mm dòng điện l A tạo ra từ trường B = 49.9999 7 (= 0.499999 Gauss) tương đương độ lớn cường độ từ trường trái đất [6]

1.2 Các loại thiết bị đo dòng điện

Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, việc đo dòng điện trở nên dễ

dàng hơn với sự xuất hiện của nhiều loại thiết bị đo dòng như ampe kế, kìm

dòng Phương pháp đo dòng trực tiếp truyền thống bằng cách sử dụng các

loại ampe kế có độ chính xác cao, tuy nhiên đải đo nhỏ và phải phá vỡ mạch điện, thường dùng để đo dòng một chiều không phù hợp với các mạch điện phức tạp Phương pháp đo không tiếp xúc “non-contact° có nhiều ưu điểm hơn như phương pháp đo đơn giản, độ chính xác cao, dải đo rộng, có thể đo

cả dòng xoay chiều và dòng một chiều mà không phải phá vỡ mạch điện Phương pháp này hiện nay đang được sử dụng phổ biến với nhiều sản phẩm

đa dang trên thị trường Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là sử đụng các cảm biến đo từ trường tán xạ sinh ra bởi dòng điện trong dây dẫn cần do, rồi lấy tín hiệu lối ra để suy ra cường độ dòng điện cần đo Vì từ trường sinh

ra bởi dòng điện rất nhỏ nên yêu cầu đặt ra với các loại cảm biến này là phải

nhạy trong vùng từ trường thấp Dưới đây là một số thiết bị đo dòng điện phổ

biến hiện nay và nguyên lý hoạt động của chúng

1.2.1 Ampe kế

Ampe kế là dụng cụ đo cường độ đòng điện được mắc nối tiếp trong

mạch Tên của dụng cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng

điện là ampe Để đo cường độ dòng điện, ampe kế phái được mắc nói tiếp vào

mạch điện cân đo

Ampe kế bao gồm một Gavanô kế - điện kế (hình 1.3), là một bộ chuyên đổi từ cường độ dòng điện sang chuyển động quay trong một cung của một cuộn dây nằm trong từ trường

Hình 1.3: Gavano kế

Ampe kế loại này thường dùng để đo cường độ của dòng điện một chiều

chạy trong một mạch điện Bộ phận chính là một cuộn dây dẫn, có thể quay quanh một trục, nằm trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu Cuộn dây

được gắn với một kim chỉ góc quay trên một thước hình cung Một lò xo xoắn

kéo cuộn và kim về vị trí số không khi không có dòng điện Trong một số

dụng cụ, cuộn dây được gắn VỚI mỘt miếng sắt, chịu lực hút của các nam

châm và cân bằng tại vị trí số không Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn

dây, dòng điện chịu lực tác động của từ trường (do các điện tích chuyển động

bên trong dây dẫn chịu lực Lorentz) và bị kéo quay về một phía, xoắn lò xo,

và quay kim Vị trí của đầu kim trên thước đo tương ứng với cường độ dòng điện qua cuộn dây Để đo dòng điện lớn, người ta mắc song song với cuộn dây này các điện trở nhỏ để chia sẻ bớt đòng điện Các thang đo cường độ dòng điện khác nhau ứng với các điện trở shunt khác nhau Trong các ampe

kế truyền thống, các điện trở được thiết kế để cường độ dòng điện tối đa qua

cuộn dây không quá 50 mA.

Tuy theo loai dién ké ma ampe kế thuộc các loại khác nhau: Ampe kế

điện từ có khung quay chi do duoc dong 1 chiều, ampe kế có sắt quay hoặc amppe kế nhiệt đo được cả đòng một chiều và xoay chiều

Nhược điểm của ampe kế là nó đo dòng điện một cách trực tiếp, do đó

phải phá vỡ mạch điện Phạm vi hoạt động của Ampe kế nhỏ (thường dưới 10 A) và độ chính xác của phép đo không cao

1.2.2 Kìm dòng

conductor for current

Hinh 1.4: So dé cach do dong dién xoay chiéu (a) và dòng một chiều (b)

Kìm dòng là một thiết bị vô cùng tiện lợi trong việc đo cường độ dòng

điện trong dây dẫn mà không cần phá vỡ mạch điện Với phương pháp đo dòng điện sử dụng ampe kế truyền thống, thiết bị đo cần mắc trực tiếp vào

mạch Tuy nhiên với kìm dòng, cường độ dòng điện được xác định bằng một

thao tác rất đơn giản như chỉ ra trên hình 1.4 Ưu điểm của phương pháp này

là cho phép đo dòng lớn với độ an toàn cao mà không cần ngắt mạch

Tùy thuộc chế độ đo dòng điện mà kìm dòng sử dụng được phân loại bao

gồm kìm dòng đo được dòng xoay chiều AC hay kìm dòng đo dòng một chiều DC

1.2.2.a Kim dong xoay chiéu AC dwa trén hiéu teng cảm ứng điện từ

Kim dong AC hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông sinh ra bởi đòng điện chạy trong dây dẫn muốn xác định cường

độ dòng điện Giả sử dòng điện chạy qua dây dẫn là dòng sơ cấp, chúng ta sẽ thu được dòng trong cuộn thứ cấp cuốn quanh xuyến từ tỉ lệ với đòng sơ cấp

do cám ứng điện từ Điều này cho phép dòng AC được xác định và hiển thị

trên màn hình số như được minh họa trong sơ đồ khối (hình 1.5) Ở đây,

xuyến từ được làm bằng vật liệu có độ từ thấm cao có vai trò tập trung từ

thông sinh ra bởi đòng sơ cấp

Y - = 1; Current under Test (Primary Current)

điện xoay chiều nhỏ và dòng điện một chiều Ngoài ra, với nguyên lý cảm

ứng điện động thì tín hiệu lối ra tỷ lệ với biến thiên cường độ dòng điện cần

đo Do đó, tín hiệu lối ra bị méo, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

Và thường sau một thời gian sử dụng (hoặc lỗi gặp phải khi dùng thiết bị loại

này đề đo dòng DC), vật liệu dùng làm vòng xuyến bị từ hóa và có từ dư, điều

này ảnh hưởng rất lớn đến phép đo

10

1.2.2.b Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall

Khác với kìm dòng đo AC hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ, vòng xuyến của kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall được cắt một khe nhỏ để

đặt cảm biến Hall Từ trường được tạo ra bởi đòng điện chạy trong dây dẫn thẳng sẽ được tập trung trong xuyến từ và được đo bởi cảm biến

Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall có thể sử dụng công nghệ vòng mở

hoặc vòng đóng [13] Với công nghệ vòng mở (hình 1.6.a), thé Hall lối ra

được đưa vào một bộ khuếch đại thuật toán, tín hiệu ra (Vou) cho biết các

thông tin của dòng điện muốn đo với độ chính xác khoảng 1% và độ phân giải

cỡ 100mA Vùng hoạt động của thiết bị khá rong 0,5A+2000A, 0 kHZ (dong

nguyên lý cảm ứng điện từ Trên thực tế người ta có thể sử dụng một mạch

điện hồi tiếp để giữ cho từ thông trong lõi sắt luôn xấp xi không, giảm thiểu

hiệu ứng từ trễ và tăng độ nhạy của đầu đo, như biểu diễn trong (hình 1.6.b),

đây chính là công nghệ vòng đóng Khi có dòng điện, từ thông trên gọng kìm

sẽ làm xuất hiện một điện áp trên ngõ ra của cảm biến Hall Dién ap nay sé

được khuếch đại lên nhiều lần và đưa về hồi tiếp vào cuộn dây để tạo từ trường ngược lại Nếu hệ số khuếch đại của mạch đủ lớn, thì tổng hai từ

trường này gần bằng không Như vậy, thông qua đo đòng trong cuộn dây hồi

II

tiếp sẽ xác định được dòng trên dây cần đo Với thiết bị này, độ chính xác của

phép đo khoảng 1% với độ phân giải ImA Vùng hoạt động của thiết bị là 10mA+200A, 0 kHZ (dòng DC) đến 100kHz

1.3 Cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng GMI

Cấu tạo của cảm biến gồm cảm biến GMI có tác dụng đo từ trường sinh

ra bởi dòng điện, được đặt trong khe của xuyến dẫn từ làm nhiệm vụ tập trung

Hình 1.7: Cầu tạo cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI

Khi cho dòng điện chạy qua xuyến sẽ sinh ra từ trường chạy trong

xuyến, từ trường này được tập trung tại khe từ, tác động lên cảm biến GMI

làm thay đồi tổng trở của cảm biến Thông qua việc xác định sự thay đổi tổng trở của cảm biến người ta sẽ xác định được cường độ dòng điện cần đo Cám biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI có nhiều ưu điểm lớn như:

Tín hiệu ra tỉ lệ thuận với tín hiệu vào do đó cấp độ đo được bảo toàn,

độ chính xác cao Đo được cả dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều

Kích thước nhỏ gọn, phù hợp với nhiều thiết kế yêu cầu thu nhỏ cấu

hình

Tuy nhiên, do cảm biến sử dụng xuyến dẫn từ bằng vật liệu từ vô định hình nền Fe, nên sau một thời gian dài sử dụng sẽ xuất hiện từ dư bên trong xuyến làm ảnh hướng đến độ chính xác của phép đo Ngoài ra, độ nhạy của

Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện

[8] Hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ-điện

nghịch(converse magnetoelectric effect), trong đó hiệu ứng thuận là hiệu ứng

vật liệu bị thay đôi độ phân cực điện (AP) khi đặt trong từ trường ngoài (H),

và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đối

(AM) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cá 2 pha sắt từ và sắt điện Trên hình 1.8 là hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ giữa từ và

điện của cả hai hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch

Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu

tác dụng của một từ trường ngoài /7, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện

Z Hiệu ứng thuận ™,

Mômen từ <Em (=5 ;2J—n Điện trường

13

Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu này sẽ bi thay đổi và do đó trên hai mặt đối điện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như quan sát thấy trên hình 1.9.a Hiệu ứng từ điện thuận được đặc trưng bởi hệ số từ điện:œE = dE/dH

Cơ chế của hiệu ứng tù-điện nghịch được biểu diễn bởi sự thay đối từ độ

vật liệu (M) khi chịu tác dụng của điện trường # (hay điện áp V) (hình 1.9.b)

Ngược với hiệu ứng từ-điện thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiện tượng điện giảo, pha áp điện sẽ bị biến dạng cưỡng bức sinh

ra ứng suất cơ học truyền cho pha sắt từ (từ giảo) Do hiệu ứng Villary, mô

men từ của pha này sẽ bị thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh

ra do ứng suất Hiệu ứng từ-điện nghịch được đặc trưng bởi hệ số từ-điện:

năng lượng từ và ngược lại Chính nhờ tính chất này, hiệu ứng này và đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây

14

Hình 1.10: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và e-ơ đặc trưng cho hiệu ứng

từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt dién[5]

Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo dòng điện, hiệu

ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyên đôi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lỗi ra mà không nguồn đòng nuôi như các cảm

biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống

Cho đến nay, rất nhiều loại vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận đã được nghiên cứu và khai thác Trong đó, vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận có thể được chia thành hai loại chính là vật liệu đơn pha và vật liệu tổ hợp Trong

đó, vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ-điện thấp og ~1 —

10 (mV/cmO©) [3] Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn

đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ-điện của vật liệu Cho

đến nay, hiệu ứng từ-điện lớn nhất được công bố trên các vật liệu tố hợp hai

pha dang tam va dạng màng mỏng Trong số đó, vật liệu tô hợp dạng tắm có nhiều ưu thế hơn do đặc điểm công nghệ chế tạo đơn giản, dễ chế tạo giá thành thấp, có thể sản xuất và ứng dụng hàng loạt với qui mô lớn Hơn thế nữa, đối với vật liệu tổ hợp dạng này ta có thể chủ động tối ưu các tham số và cấu hình vật liệu phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thê Đối với các ứng dụng trong vùng từ trường nhỏ cỡ từ trường trái đất thì yêu cầu đặt ra với các

vật liệu tố hợp 2 pha có hiệu ứng tù-điện thuận là pha sắt từ có tính chất từ

giảo mềm siêu nhạy với từ trường thấp và pha sắt điện có tính chất áp điện phải siêu nhạy với ứng suất

15

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận

Như đã trình bày trong phần về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-

điện thuận, đối với vật liệu tổ hợp dạng tắm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường

ngoài không đổi (pc) chỉ có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng bởi từ trường này

Ứng suất không đổi o„ ‡

| ¿ => lf MMW Điện tích biến thiên

q = qo (sin2xft + ¢’)

——> ——>

Hình 1.11: Mô tả nguyên lý hoạt dộng của hiệu ứng từ-điện thuận

Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu t6 hop

sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (hình 1.11) và ứng suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (ơpc) Sự có mặt của ứng suất

này sẽ làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tắm áp điện lượng điện tích cảm

ứng không đổi (pc) Lúc này tắm áp điện đóng vai trò như một tụ điện với lượng điện tích không được duy trì mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian (z) do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết

bị đo đạc Đề duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một

từ trường xoay chiều (he) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng

1.4.3 Cảm biến đo dòng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT

Các nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp các băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần

Fe+sgNii2B4:2Siss (Metglas pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tam

Pb(Zr,Ti)O; (PZT) có hệ số điện-cơ lớn có thể cho hiệu ứng từ-điện lớn

22000 mV/cmOe trong từ trường rất nhỏ (~5 Oe) [15] Hiệu ứng thu được này

có thể so sánh được với các kết quá tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới trên các vật liệu tổ hợp dạng này Đồng thời, trong nghiên cứu ứng dụng, nhóm cũng đã chế tạo thành công cảm biến đo từ trường trái đất sử dụng vật

liệu tổ hợp Metglas/PZT với độ chính xác và độ phân giải cao hướng đến ứng

dụng trong công nghệ vệ tỉnh, định vi GPS [1]

Khai thác thế mạnh đo từ trường siêu nhạy trong vùng từ trường thấp của

vật liệu tố hợp Metglas/PZT, các nghiên cứu tiếp tục được thực hiện với mục

tiêu mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu để chế tạo các cảm biến đo dòng

điện dựa trên một hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới khác xa với các cảm biến

truyền thống có cùng chức năng nhưng cho độ nhạy và độ chính xác cao sử dụng công nghệ chế tạo đơn giản qua đó hạ giá thành sản phẩm Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu được đặt ra trong luận văn với mong đợi sẽ chế tạo thành công cảm biến có các thông số có thể so sánh được với các cảm

bién thuong pham đang được sử dụng hiện nay

17

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT

Dựa trên các kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Trường Đại

học Công Nghệ về hiệu ứng từ-điện của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT Trong

luận văn này, chúng tôi lựa chọn PZT [7] có kích thước 12x I mm và tắm băng từ Metglas 2650SC với chiều dài 12 mm và 116 mm làm vật liệu Chúng

tôi mong đợi cảm biến được chế tạo ở kích thước này sẽ có độ nhạy cao, có

khả năng đo được từ trường thấp sinh ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn

điện thẳng

Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng trong luận văn được chế tạo bằng

phương pháp kết dính với hai cấu hình như biểu diễn trên (hình 2.1) Trong

đó, một tắm băng từ Metglas 2650SC với chiều dài 12 mm và 116 mm được gắn trên mặt của tấm áp điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 12xI mm Mẫu sau

khi chế tạo được gắn điện cực lên hai mặt của tắm áp điện đã được phân cực

theo phương vuông góc với mặt phẳng tắm

Chiều dày các lớp, độ đồng nhất của lớp kết dính được quan sát sử dụng

phương pháp chụp anh SEM tại PTN Micro-Nano, Trường ĐHCN Kết quả được đưa ra trên (hình 2.2) Từ phép đo thực nghiệm, độ dày lớp keo dính được xác định vao khoang 7um, lop bang tu Metglas day 18um

18

Ni-based Metglas Adhi yer PZT plate

Hình 2.2: Ánh chụp SEM vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng

phương pháp kết dính

Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn dây

solenoid lam bang Cu được cuốn xung quanh ống plastic có mật độ vòng dây

được xác định từ thực nghiệm là 10.5 vòng/mm, chiều dài 12 mm và có

đường kính ngoài 1.8 mm Dây Cu được sử dụng có đường kính 80 tm bọc cách điện

Vật liệu multiferroics sau khi chế tạo hoàn chỉnh được gắn điện cực và

đưa vào bên trong lõi của cuộn solenoid tạo từ trường xoay chiều

Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu 16 hop, cuén solenoid, xuyến mica

và cảm biến mẫu l hoàn thiện

Để thuận tiện cho việc khảo sát đặc trưng đo cường độ dòng điện của

cảm biến đồng thời đánh giá sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào vị trí đặt dây

dẫn dòng điện, chúng tôi thiết kế các tắm mica có cấu hình phù hợp với cấu

hình cảm biến chế tạo được