Nghiên cứu, chế tạo Sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc micro - nano

Theo định hướng nghiên cứu gắn với xu thế phát triển trên, trong luận văn này, chúng tôi đã tiến hành chế tạo và nghiên cứu sensor đo từ trường trái sử dụng vật liệu multiferroics tổ hợp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ NGỌC

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ

TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 2D, 3D DỰA TRÊN VẬT LIỆU

TỪ-ĐIỆN CẤU TRÚC MICRO - NANO

Chuyên ngành: Vật liê ̣u và linh kiê ̣n Nano

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Thị Hương Giang

Hà Nội-2012

Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất 4

Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất 5

Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên 6

Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh 6

Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất 7

Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của sensor flux-gate 9

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor Hall [17] 10

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng AMR 12

Hình 1.9: Hiệu ứng GMR: a) khi không có từ trường ngoài và b) khi có từ trường ngoài 13

Hình 1.10: Minh họa la bàn điện tử số 13

Hình 1.11: Minh họa sự liên lạc giữa vệ tinh và trạm thu mặt đất 15

Hình 1.12: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện 16

Hình 1.13: 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 đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài 17

Hình 1.14: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [17] 17

Hình 1.15: Mô tả nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận 19

Hình 2.1: Hình minh họa cấu hình (a) và ảnh chụp SEM (b,c) vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính 21

Hình 2.2: Ảnh chụp SEM cuộn dây solenoid (a), ảnh chụp vật liệu tổ hợp và sensor 1D được đóng gói hoàn thiện (b) 22

Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu và sensor 2D tổ hợp 2 sensor đơn trực giao sau khi chế tạo và đóng gói hoàn thiện 22

Hình 2.4: Ảnh chụp sensor 3D tổ hợp 3 sensor đơn trực giao tạo thành một tam diện được chế tạo và đóng gói hoàn thiện 23

Hình 2.5: Minh họa sơ đồ hệ đo tần số cộng hưởng của sensor 24

Hình 2.6: Minh họa sơ đồ hệ đo từ - điện 25

hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường trái đất 26

Hình 3.1: Đường cong từ hóa (a) và độ cảm từ (dM/dH) và (b) được đo trên

các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau Ở đây các mẫu có chiều dài không đổi L = 15 mm và chiều rộng thay đổi từ

W = 0.1 đến 15 mm 28

Hình 3.2: Đường cong từ trễ của băng từ có kích thước 15×1 mm đo theo ba

phương: song song và vuông góc với chiều dài băng từ và vuông góc với mặt phẳng băng từ 29

Hình 3.3: Đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của sensor vào tần số kích

thích cuộn solenoid 30

Hình 3.4: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một

chiều HDC trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe 32

Hình 3.5: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một

chiều HDC trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe 32

Hình 3.6: Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor 33 Hình 3.7: Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor Hall thương phẩm 33 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục

sensor với từ trường trái đất 34

Hình 3.9: Đồ thị đánh giá độ nhạy theo góc của sensor 35 Hình 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục

sensor với từ trường trái đất 36

Hình 3.11: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế ra có offset vào góc phương vị khi

được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (hac

và -hac) được biểu diễn trong hệ tọa độ Decac(a) và hệ tọa độ Polar (b) 37

Hình 3.12: Đường đặc trưng từ-điện của từng sensor đơn S1 và S2 trong sensor

2D 38

Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một

chiều HDC trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe 39

trái đất (North-East-Center) và góc phương vị φ được định nghĩa

là góc tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục sensor S1 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 40

Hình 3.15: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 2 sensor đơn vào

góc phương vị biểu diễn trong hệ tọa độ Decac (b) và hệ tọa độ cực (c) 40

Hình 3.16: Kết quả đo góc phương vị φ tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục

sensor S1 tính toán được từ các thành phần từ trường H1 và H2 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 42

Hình 3.17: Đồ thị khảo sát đặc trưng từ-điện của 3 sensor trong vùng từ

trường thấp 44

Hình 3.18: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm

trái đất (North-East-Center) Góc phương vị φ được định nghĩa là góc tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục sensor S1 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 45

Hình 3.19: Hệ tọa độ tham chiếu (a), đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu

điện thế lối ra của 3 sensor vào góc phương vị trong hệ tọa độ Decac (b) và hệ tọa độ Polar (c) 46

Hình 3.20: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm

trái đất (North-East-Center) Góc lệch của trục sensor so với phương thẳng đứng (pitch) được định nghĩa là góc từ trục ZE đến trụ sensor S3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng thẳng đứng 47

Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 sensor

vào góc phương vị trong hệ tọa độ Decac (a) và hệ tọa độ Polar (b) 47

Hình 3.22: Kết quả đo góc phương vị φ và góc từ khuynh tính toán được từ

các thành phần từ trường H1, H2 và H3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 49

H2 và H3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với cực Bắc từ của trái đất 50

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Từ trường trái đất 3

1.1.1 Nguồn gốc của từ trường 3

1.1.2 Vai trò của từ trường trái đất 4

1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất 5

1.1.3.a Cường độ của từ trường trái đất 5

1.1.3.b Hướng của từ trường trái đất 5

1.1.3.c Cách xác định từ trường trái đất 7

1.2 Các loại sensor đo từ trường phổ biến 8

1.2.1 Sensor flux-gate 8

1.2.2 Sensor dựa trên hiệu ứng Hall 9

1.2.3 Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở 11

1.3 Ứng dụng của sensor đo từ trường trái đất 13

1.4 Sensor đo từ trường trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện 15

1.4.1 Hiệu ứng từ-điện 16

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận 18

1.4.3 Sensor đo từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 19

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 21

2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 21

2.2 Chế tạo sensor 1D, 2D và 3D 21

2.3 Khảo sát các thông số làm việc của sensor 23

2.4 Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường 24

2.5 Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hướng 25

2.6 Một số phép đo khảo sát tính chất của băng từ Metglas 26

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Tính chất từ của băng từ Metglas 28

điện 30

3.2.1 Khảo sát tần số làm việc của sensor 30

3.2.2 Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cường độ từ trường 31

3.2.3 Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hướng của từ trường trái đất 34

3.2.4 Khảo sát tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục 35

3.3 Sensor đo từ trường trái đất 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện 37

3.3.1 Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 2D 38

3.3.2 Khảo sát khả năng đo từ cường độ trường trái đất và góc định hướng trong mặt phẳng của sensor 2D 39

3.4 Sensor đo từ trường trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện 42

3.4.1 Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 3D 43

3.4.2 Đo cường độ từ trường trái đất trong không gian 45

3.4.3 Đo góc trong không gian 48

3.4.3.a Xác định góc phương vị và góc từ khuynh 48

3.4.3.b Xác định góc pitch 49

KẾT LUẬN 51

MỞ ĐẦU

Cường độ và hướng của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa

lý Đây là một trong các đặc điểm quan trọng được sử dụng để định vị toàn cầu Tuy nhiên, do cường độ của từ trường trái đất rất yếu (~10-4

tesla) nên cần phải có các thiết

bị có độ nhạy rất cao để có phát hiện và xác định được

Trên thế giới, cảm biến từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng, trong đó, có thể kể đến 3 loại sensor từ phổ biến là cảm biến dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), sensor dựa trên hiệu ứng từ-điện trở và cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Mặc dù hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng hầu hết các sensor này đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích tín hiệu điện thế lối ra từ sensor phụ thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng [10] Mỗi loại sensor đều có các đặc thù riêng và có các thế mạnh và hạn chế riêng của mình tùy thuộc vào mục đích ứng dụng khác nhau

Với xu thế phát triển hiện nay là tìm ra các vật liệu mới, hiệu ứng mới thay thế các vật liệu truyền thống với tiêu chí là kết hợp được càng nhiều thế mạnh của các vật liệu và hiệu ứng truyền thống đồng thời khắc phục các yếu điểm của chúng Trong hoàn cảnh đó, vật liệu multiferroics được coi là cứu cánh của công nghệ thông tin thế

kỉ 21 Multiferroics là vật liệu lưỡng pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời của

cả tính chất từ và tính chất điện được gọi là hiệu ứng từ-điện Đây 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 (M) dưới tác dụng của điện trường (E)

Theo định hướng nghiên cứu gắn với xu thế phát triển trên, trong luận văn này, chúng tôi đã tiến hành chế tạo và nghiên cứu sensor đo từ trường trái sử dụng vật liệu multiferroics tổ hợp của vật liệu từ giảo siêu mềm Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 dạng băng từ (Ni-based Metglas) với vật liệu gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điện-cơ lớn Kết quả nghiên cứu của luận văn được trông đợi sẽ chế tạo thành công sensor đo từ trường với độ nhạy cao và độ phân giải lớn trong vùng nanô-tesla (nT) cho phép hướng đến các ứng dụng để đo đạc và tính toán được từ trường trái đất

Với hướng nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn này bao gồm 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 sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo được và khảo sát các thông số hoạt động đặc trưng của sensor và đánh giá khả năng hoạt động của sensor trong việc đo đạc từ trường trái đất

- Phát triển sensor 1D thành các sensor 2D, 3D bằng cách tích hợp gồm nhiều sensor đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác định đồng thời cả độ lớn và góc định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ trong không gian

- Đề xuất một số khả năng ứng dụng của sensor trong lĩnh vực vệ tinh, vũ trụ

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Từ trường trái đất

Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là một nam châm khổng lồ Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là

"Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực Đưa la bàn lại gần trái đất tí hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng Nam Bắc Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ tính của Trái Đất

1.1.1 Nguồn gốc của từ trường

Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc từ trường của trái đất Theo thuyết này thì từ trường Trái đất chủ yếu được hình thành từ các dòng chất lỏng đối lưu trong lòng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất Nơi đó có nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng sắt dạng lỏng Do sức nóng từ trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía dưới Đồng thời nó chảy theo đường xoắn ốc do trái đất quay Sự chuyển động của sắt

có khả năng dẫn điện sẽ làm xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát điện khổng lồ Và khi có dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường

Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm Từ trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất Hai nơi này được gọi là cực từ Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà cách nhau vài trăm cây số Từ trường mà trái đất sinh ra gần giống mô hình của một lưỡng cực từ nghiêng một góc 11.5°so với trục quay (xem hình 1.1) Cực bắc từ không cố định mà thay đổi liên tục nhưng đủ chậm để la bàn có thể điều hướng Khoảng thời gian ngẫu nhiên (trung bình vài trăm ngàn năm) từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía nam thay đổi địa từ với nhau) Sự đảo cực này để lại dấu tích trong các loại đá cho phép các nhà từ học tính toán sự dịch chuyển của các lục địa và đáy biển

Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển Nó tạo thành một cái vỏ bảo vệ chung quanh trái đất Sự bảo vệ này là cần thiết vì mặt trời không ngừng phát ra các hạt tích điện, còn được gọi là gió mặt trời Từ trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất Từ trường bị biến dạng bởi gió mặt trời, hướng

phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một cái đuôi dài, có thể vươn vào

vũ trụ đến 250.000 km

Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất

Do sự thay đổi liên tục và bất thường, từ trường trái đất cần được xác định liên tục (sử dụng vệ tinh và các trạm quan trắc trên toàn thế giới) để vẽ được một bức tranh chính xác về sự phân bố và thay đổi của nó theo thời gian Dựa trên các kết quả quan trắc, mô hình tham khảo trường địa từ được phát triển để mô tả từ trường và những

thay đổi của nó trong tương lai Hiện nay, có hai mô hình chính được sử dụng là mô hình trường địa từ quốc tế (International Geomagnetic Reference Field - IGRF) và mô hình từ thế giới (The World Magnetic Model - WMM)

1.1.2 Vai trò của từ trường trái đất

Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại không thể thiếu Nó đóng vai trò như một tấm màn chắn trái đất khỏi các hạt tích điện – gió mặt trời và bảo vệ mọi sự sống trên hành tinh trước các hiệu ứng có hại của bức xạ vũ trụ Từ trường cản gió mặt trời

và dẫn nó đi vòng qua trái đất Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị các vật chất độc hại tấn công và cuộc sống không thể duy trì trên Trái đất

Ngoài ra, từ trường trái đất còn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định phương hướng Một số loài vật như kiến, chim, rùa, cá mập… cũng định hướng dựa nhờ cảm nhận từ trường do nhân trái đất phát ra bằng hệ thống các giác quan của mình Con người cũng đã biết tận dụng nguồn từ trường trái đất để xác định phương hướng từ thế kỷ 4 trước công nguyên, khi la bàn ra đời Cho đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã nghiên cứu và tìm hiểu nguồn gốc và qui luật của từ trường trái đất và đã tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên này để tạo

ra các thiết bị định vị toàn cầu dựa trên nguyên lý cơ bản thông qua việc đo đạc và phân tích từ trường trái đất

Bên cạnh việc đóng vai trò như một công cụ hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều

khi có bão từ, chúng tác động nghiêm trọng nên các hệ thống công nghệ (trong quá khứ, hệ thống truyền tải điện ở Quebec, Canada đã phải đóng cửa hơn chín giờ đồng hồ) [12]

1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất

1.1.3.a Cường độ của từ trường trái đất

Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau Cường

độ của từ trường lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo Độ lớn của

nó vào khoảng nanoteslas (nT) hoặc gauss, với 1 gauss = 100.000 nT Nó dao động trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [12]

Biểu đồ các đường tại đó có cùng giá trị cường độ từ trường gọi là biểu đồ đường đẳng từ Trong hình 1.2 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất được ghi nhận năm 2010 Cường độ từ trường nhỏ nhất ở khu vực Nam Mỹ trong khi

có cực đại ở phía Bắc Canada, Siberia, và bờ biển của Nam Cực phía nam của Úc

Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất

1.1.3.b Hướng của từ trường trái đất

Từ trường của trái đất có các đường sức từ của trái đất vẽ ra trong không gian đi

ra từ cực Nam địa lý và đi vào cực Bắc địa lý Ở đây, Trái Đất có 2 cực địa từ, không trùng với 2 cực địa lý Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc Và 96° Kinh Tây, trên lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam và 156° Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km Trục từ trường tạo với trục trái đất một góc 11° Các từ cực thường có vị trí không ổn định và có thể đảo ngược theo chu kỳ Do đó bản đồ địa từ cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm một lần)

Do từ trường trái đất có hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau nên để đặc trưng cho định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí địa lý bất kỳ, người ta đưa ra

khái niệm độ từ khuynh (góc nghiêng từ) và độ từ thiên

Độ từ thiên: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý Kinh tuyến từ

là các đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất Kí hiệu là D Ở Việt Nam, độ từ thiên biến đổi từ -1° ở Cao Bằng đến 0° ở Đà Lạt và đạt +1° tại Cà Mau Các đường đồng giá trị từ thiên trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng thiên" (xem hình 1.3)

Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên

Độ từ khuynh: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng ngang tại

vị trí quan sát Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua việc sử dụng kim nam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ Do lực của các đường sức trên Trái Đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽ chúi xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở nam bán cầu (giá trị âm) Các đường đồng giá trị từ khuynh trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng khuynh"

(xem hình 1.4) Tập hợp các điểm có giá trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi là xích đạo

từ

Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh [20]

Việt Nam là một nước nằm gần đường xích đạo về phía Bắc bán cầu nên đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương nhỏ thay đổi từ 0°12’ tại Cà Mau đến 33°26’ tại Cao Bằng

1.1.3.c Cách xác định từ trường trái đất

Ngay cả trong thời đại công nghệ phát triển cao với sự ra đời của các hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đại như hiện nay, khi mà việc dò tìm và xác định vị trí của một đối tượng trên bề mặt trái đất chỉ với một cú nhấp chuột thì mô hình trường địa từ vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xây dựng thành một hệ thống định vị GPS như là một phương án dự phòng Mô hình trường địa từ cũng rất quan trọng trong thăm dò khoáng sản và lập bản đồ của các đứt gãy động đất nguy hiểm [12]

Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một

vector 3 thành phần trong không gian 3 chiều (Hx, Hy, Hz) Trên hình 1.5 là tọa độ tham chiếu cho phép xác định hướng của từ trường trái đất Trong đó, trục X hướng về phía Bắc từ, trục Y hướng về phía Đông và trục Z hướng vào tâm trái đất Đây là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center)

Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất Trong đó Hx , Hy nằm trong mặt phẳng nằm ngang và Hz theo phương thẳng đứng hướng xuống Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là hướng chỉ phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí (phương bắc

nam) và kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất chính là Độ từ thiên D trong trường

hợp này Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông của bắc địa lý và ngược lại

Độ từ khuynh I là góc nghiêng tạo thành bởi vector từ trường Trái Đất với mặt

phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát Tại cực Bắc và Nam, độ từ khuynh có giá trị tương ứng là +90o

và -90o

Độ từ thiên, độ từ khuynh và cường độ từ trường F được tính dựa trên các thành phần từ trường vuông góc sử dụng các công thức tính sau:

Để có thể đo đạc và xác định được từ trường trái đất, các sensor đo từ trường đòi hỏi phải có độ nhạy và độ phân giải cao, đặc biệt tuyến tính trong vùng từ trường trái đất

1.2 Các loại sensor đo từ trường phổ biến

Trên thế giới, sensor đo từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng Trong đó, có thể kể đến 3 loại sensor đo từ trường đang được sử dụng phổ biến hiện nay là sensor dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), sensor dựa trên hiệu ứng từ-điện trở và sensor dựa trên hiệu ứng Hall Hầu hết các sensor này đều hoạt động dựa trên việc đo đạc và phân tích tín hiệu thu được từ sensor theo cường độ và hướng của từ trường Mỗi loại sensor đều có những thế mạnh và hạn chế riêng của tùy thuộc vào mục đích sử dụng

1.2.1 Sensor flux-gate

Sensor flux-gate (hình 1.6) có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm có hình xuyễn có

độ cảm từ lớn được cuốn quanh bởi một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây kích thích có dòng điện xoay chiều AC chạy qua Cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường xoay chiều khép kín chạy vòng quanh lõi sắt từ hình xuyến Cuộn dây tín hiệu được cuốn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn dây kích thích như minh họa trong hình vẽ

Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của sensor flux-gate

Nguyên lý hoạt động của sensor loại này được mô tả đơn giản như sau: từ trường xoay chiều do cuộn dây kích thích sinh ra sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên

và do đó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng sinh ra trong lòng cuộn dây tín hiệu Khi không có từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu bằng không do từ trường khép kín chạy trong lòng lõi sắt từ, làm cho điện áp của cuộn dây tín hiệu bằng không Khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài, một trong hai nửa của vòng dây kích thích sẽ sinh ra từ trường cảm cùng chiều với từ trường ngoài Với nửa vòng dây kích thích còn lại hiện tượng xảy ra ngược lại Sự chênh lệch từ thông trong hai nửa vòng dây kích thích này sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra điện áp trong cuộn dây tín hiệu Điện áp này sẽ tỉ lệ với cường độ của từ trường ngoài tác dụng Thông qua việc đo điện áp lối ra của cuộn dây tín hiệu, ta có thể xác định được cường độ từ trường ngoài tác dụng Ưu điểm của sensor loại này là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ Tuy nhiên, hạn chế của nó là khá cồng kềnh, không bền

và có thời gian đáp ứng chậm khoảng 2-3 giây Đây chính là các mặt hạn chế của cảm biến loại này trong một số ứng dụng cụ thể đặc biệt cho việc định vị các đối tượng tốc

độ cao và máy bay không người lái [6]

1.2.2 Sensor dựa trên hiệu ứng Hall

Sensor Hall là sensor từ trường phổ biến nhất trên thị trường hiện nay dùng để

đo từ trường lớn hơn 1 mT và hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -100 đến 100°C Sensor loại này có thể đo được cả từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều AC

trong dải tần số lên đến 30 kHz Cùng với việc đo từ trường, sensor loại này còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay [3]

Sensor Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall trên các vật liệu bán dẫn Hiệu ứng này được phát hiện bởi Edwin Hall năm 1879 Khi cho một dòng điện chạy qua một vật dẫn (chất bán dẫn) được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông góc với chiều dòng diện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp khi vật này (xem hình 1.7)

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor Hall [17]

Khi vật dẫn có dòng điện chạy qua, các điện tích chịu tác dụng của lực Lorent hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài:

  

H

F qE q v B   (1.5)

trong đó q, v là điện tích và véc tơ vận tốc của hạt tải điện, E và B là véc tơ điện trường

Hall và từ trường tương ứng

Dưới tác dụng của lực này, các phần tử tích điện trái dấu nhau sẽ chuyển động theo hai hướng ngược chiều nhau về hai mặt của vật dẫn, tạo ra ở hai mặt đối diện của

mẫu các điện tích trái dấu dẫn đến xuất hiện một điện trường Hall E H hướng vuông góc với chiều dòng điện Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với lực Lorent Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần của lực tĩnh điện cho đến khi bù trừ hoàn toàn với lực từ Khi đạt đến trạng thái cân

bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra Khi đó ta có thế Hall VH được cho bởi công thức:

B I t

trong đó, R H là điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày

tấm vật liệu Sử dụng công thức này ta có thể tính được từ trường thông qua điện áp Hall thu được

Sensor Hall thường được làm từ các chất bán dẫn hơn là kim loại, vì nó có độ dẫn điện nhỏ hơn, điện trở lớn hơn do đó điện áp lớn hơn Sensor dựa trên hiệu ứng Hall ít chịu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường (bụi, độ ẩm, độ rung) và có đặc điểm là ổn định theo thời gian Tuy nhiên, nhược điểm của các sensor Hall là bị giới hạn theo khoảng cách Với từ trường nhỏ, chúng chỉ hoạt động tốt với khoảng cách nhỏ hơn 10 cm Một hạn chế khác trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao là sự

có mặt của tín hiện nền (offset), tức là có điện áp lối ra ngay cả khi không có từ trường ngoài Thế nền có thể lên đến 100 mV với một nguồn 12 V Để giải quyết vấn đề này, một điện cực điều khiển cần được thiết kế thêm vào để trừ nền cho một thế ra bằng không khi không có từ trường tác dụng

1.2.3 Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở

Sensor loại này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khác nhau như hiệu ứng

từ điện trở khổng lồ, từ-điện trở dị hướng, từ-điện trở xuyên ngầm Tùy theo mỗi hiệu ứng từ-điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại sensor có đặc trưng riêng Gần đây, sensor từ - điện trở được sản xuất hàng loạt dưới dạng mạch tích hợp với độ nhạy dưới 0.1 miliGass Tuy nhiên, chúng làm việc trong vùng từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng 10-3

đến 100 mT) và để có độ nhạy cao, các sensor này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp

Hiệu ứng từ-điện trở là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài và được xác định thông qua công thức:

Sensor dựa trên hiệu ứng AMR có nguyên tắc hoạt động dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng mômen từ của vật liệu làm sensor Hiệu ứng này phụ thuộc vào góc định hướng giữa vecto từ độ và dòng qua sensor [17] Nguyên lý hoạt động cơ bản của sensor từ điện trở dị hướng được minh họa trong Hình 1.8 Trong đó, màng mỏng sắt từ

có dị hướng từ đơn trục (trục dễ) - Ox được tạo ra nhờ dị hướng hình dạng hoặc nhờ quá trình phún xạ trong từ trường HBias (Hx) Dưới tác dụng của từ trường ngoài giả sử

hướng dọc theo trục Oy (Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hướng quay ra khỏi

trục từ hóa dễ của màng tạo một góc θ với trục dễ Ox Góc này một cách gần đúng xác

định bởi :

x

H H

Biểu thức này chỉ đúng khi màng mỏng lý tưởng mà sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ Góc quay được tính theo nguyên lý cực tiểu năng lượng Sự phụ thuộc vào từ trường của điện trở có thể nhận được từ công thức:

2 0

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng AMR

Sensor loại này có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, độ trôi ổn định hơn sensor dựa trên hiệu ứng Hall, phạm vi hoạt động tần số rộng đạt được 10 MHz Tuy nhiên nó có giá thành cao, kích thước lớn và công suất tiêu thụ cao Các nhược điểm này là hạn chế rất lớn của sensor khi mà nhu cầu tiểu hình hóa các thiết bị đang ngày càng cấp thiết.[9]

Hiệu ứng AMR thu được thấp (< 6%) trong khi hiệu ứng GMR cỡ 101-102 %

Do đó, sensor dựa trên hiệu ứng GMR cho tín hiệu lớn hơn, trong khi công suất tiêu thụ thấp, kích thước nhỏ và giá thành rẻ hơn [9] Sensor loại này có cấu tạo gồm nhiều lớp từ (màng mỏng từ NiFe), xen giữa là các lớp không từ (Cu) có điện trở thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài Ở trạng thái ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài) momen từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau Ở trạng thái này, các điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua các lớp vật liệu do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở mạch ngoài là nhỏ (hình 1.9a) Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ

có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường (hình 1.9b) Đồng thời với quá trình quay đó của vector từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh (điện tử khi chạy qua các lớp vật liệu sẽ ít bị tán xạ ) nên tạo ra được tín hiệu điện lớn

ở mạch ngoài

Hình 1.9:Hiệu ứng GMR: a) khi không có từ trường ngoài và b) khi có từ trường

1.3 Ứng dụng của sensor đo từ trường trái đất

Ứng dụng chủ yếu của hầu hết các sensor đo từ trường thấp là làm la bàn điện

tử sử dụng trong hệ thống định vị Tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác của từng ứng dụng cụ thể mà ta có la bàn hiển thị số 8 đoạn có cấu trúc 2D hay các thiết kế 3D phức tạp hơn với bộ vi điều khiển

Hình 1.10: Minh họa la bàn điện tử số

Hiện nay, Sensor flux-gate có khả năng đo từ trường với độ phân giải nhỏ hơn 1miligauss, là loại thông dụng nhất được sử dụng trong lĩnh vực định vị Tuy nhiên, nó

có thời gian đáp ứng chậm khoảng 2-3 giây Điều này không phù hợp với các ứng

dụng đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh như định vị các phương tiện có tốc độ cao hay máy bay không người lái [6]

Hãng Honeywell Inc đã cho ra đời la bàn hiển thị 8 đoạn và la bàn 1 độ degree compass) được sử dụng trong lĩnh vực định vị [6] Trong đó, la bàn hiển thị 8 đoạn cho biết 8 hướng cơ bản: Bắc, Nam, Đông, Tây, Tây Bắc, Đông Bắc, Tây Nam, Đông Nam La bàn loại này được sử dụng cho các phương tiện mà người điều khiển chỉ cần biết thông tin hướng di chuyển với độ chính xác không cần cao Với các ứng

(one-dụng loại này, chỉ cần xác định thành phần H x , H y của từ trường trái đất bằng cách sử dụng sensor đo từ trường 2D Tuy nhiên, có một số hạn chế khi sử dụng thiết kế này: 1) không có sensor xác định độ nghiêng (tilt sensor) do đó sensor đo từ trường phải được đặt cố định trong trạng thái cân bằng, 2) không nên đặt gần vật liệu từ do có thể làm biến dạng từ trường, 3) góc từ khuynh rất khó để thêm vào thiết kế dạng này Tuy nhiên với một số hệ thống định vị yêu cầu độ chính xác cao hơn là một la bàn 8 đoạn

Ví dụ như hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể theo dõi sự thay đổi nhỏ về vị trí của các phương tiện trên bản đồ hình ảnh với độ chính xác hơn 10m Với các hệ thống này, yêu cầu về độ chính xác của la bàn là tốt hơn 1 Điều này đòi hỏi sensor đo từ trường

có thể nhận biết được sự thay đổi của từ trường khi thay đổi góc 0.1 Độ lớn của từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang vào khoảng 0.20.3 Oe

Sensor đo từ trường cũng được ứng dụng để giải quyết các vấn đề đối với TV

và màn hình gây ra bởi trường địa từ Từ trường trái đất ảnh hưởng đến quỹ đạo của các electron trong ống phát CRT, gây ra lỗi hội tụ khi chúng đập lên màn hình huỳnh quang, làm cho hình ảnh bị biến dạng Hiện tượng này được khắc phục bằng cách sử dụng một cuộn dây được nuôi bởi nguồn DC được quấn quanh cổ của CRT và tạo ra từ trường chống lại từ trường của trái đất, giúp loại bỏ chuyển động dạng xoắn của các electron và làm giảm số lượng các electron hội tụ lỗi Mặc dù hiệu quả, nhưng phương pháp này đòi hỏi phải hiệu chỉnh độ lớn dòng cấp cho cuộn dây, để phù hợp với sự khác nhau về độ lớn từ trường trái đất trên khắp thế giới Do đó, một sensor đo từ trường trái đất được tích hợp vào hệ thống, có khả năng đo độ lớn của trường địa từ và qua đó điều chỉnh từ trường bù tương ứng Giải pháp này giúp cho việc hiệu chỉnh được thực hiện một cách hoàn toàn tự động

Hiện nay, trên thế giới kỹ thuật liên lạc, thông tin vũ trụ phát triển mạnh, kỹ thuật điều khiển tên lửa đạn đạo, kỹ thuật đạo hàng dẫn đường đã phát triển rất đồng

bộ Trong đó, người ta tích hợp thiết bị điện tử với sensor góc, thường dùng con quay hồi chuyển hoặc encoder Với việc tích hợp sensor đo góc với độ phân giải cao và chính xác cao thành tổ hợp truyền động chấp hành trong hệ thống thu phát thông tin vệ

tinh cũng như các hệ thống điều khiển giám sát sử dụng các hệ thống tự động hóa cho phép thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển đối tượng bám sát theo mục tiêu cơ động

Vị trí của một vệ tinh được xác định từ hai góc gọi là góc phương vị và góc tà (góc tầm) Góc phương vị là góc nằm trong mặt phẳng đường chân trời tính theo chiều kim đồng hồ từ hướng Bắc tới mặt phẳng trực giao đi qua đối tượng Góc tầm là góc nâng của đối tượng phía trên mặt phẳng ngang tại vị trí quan sát

Hình 1.11: Minh họa sự liên lạc giữa vệ tinh và trạm thu mặt đất

Các tín hiệu phát ra từ vệ tinh được thu nhận bởi một anten định hướng Chất lượng tín hiệu thu nhận được của vệ tinh phụ thuộc rất nhiều vào độ nhạy và độ chính xác của sensor xác định góc và cơ cấu chấp hành của nó Trong quá trình xác định quỹ đạo thực tế, người ta có thể sử dụng theo hai cách:

- Xác định vị trí và quỹ đạo chuyển động bằng các sensor gắn trên vệ tinh

- Xác định vị trí và quỹ đạo chuyển động bằng các sensor gắn trên trạm thu ở dưới mặt đất cố định hoặc di động

Trong đó cách thứ hai thì đơn giản hơn nhưng yêu cầu sensor phải có độ nhạy

và độ phân giải cao để xác định chính xác các tham số góc của vệ tinh

1.4 Sensor đo từ trường trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện

Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp [5, 11] đã công bố kết quả nghiên cứu một loại sensor đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm Những sensor này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường Chúng hoạt động không cần từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao

10-9 Tesla và độ phân giải góc 10-5 độ Đây là một loại cảm biến hoạt động dựa trên một hiệu ứng hoàn toàn mới, mở ra khả năng cung cấp một thiết bị định vị toàn cầu kích thước nhỏ và độ chính xác cao Hơn thế nữa, sensor loại này còn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loại sensor thông thường như có thể phát hiện cả

từ trường một chiều và xoay chiều với dải tần số lên đến MHz, công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể làm việc trong các điều kiện khác nhau Đây cũng là hướng nghiên cứu được nhóm nghiên cứu trường Đại học Công nghệ khai thác nghiên cứu và triển khai ứng dụng cho ra đời một số sản phẩm khoa học và công nghệ được biết đến cả trong nước và quốc tế [4] Đây cũng là nội dung nghiên cứu được lựa chọn trong luận văn này Để có thể hiểu rõ hơn về sensor này, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của vật liệu và cảm biến sẽ được trình bày cụ thể ở dưới đây

1.4.1 Hiệu ứng từ-điện

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

ứng từ-điện được chia thành hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ điện nghịch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.12), trong đó hiệu ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ

trường ngoài (H), và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị

thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) [17] Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện Trên hình 1.14 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

Hình 1.12: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu

multiferoics kiểu từ giảo/áp điện

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

dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh

ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu này sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các

điện tích trái dấu nhau như quan sát thây trên hình 1.13a Hiệu ứng từ điện thuận được đặc trưng bởi hệ số từ điện:E = dE/dH

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

liệu (M) khi chịu tác dụng của điện trường E (hay điện áp V) (xem hình 1.13b) 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: M = dM/dE

Hình 1.13: 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 đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài

Hình 1.14: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện

trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [17]

Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành 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 Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo sensor đo từ trường, hiệu ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều

ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra mà không nguồn dòng nuôi như các cảm biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống

a

b

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 E 1 – 10 (mV/cmOe) 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 tổ hợp hai pha dạng tấm và dạng màng mỏng Trong số đó, vật liệu tổ hợp dạng tấm 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 thể Đối với các ứng dụng trong vùng từ trường nhỏ

cỡ từ trường trái đất thì yêu cầu đặt ra với các vật liệu tổ hợp 2 pha có hiệu ứng từ-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

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 tấm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường ngoài không

đổi (HDC) 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 Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu tổ hợp sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (xem hình 1.15)

và ứng suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (σDC) Sự có

mặt của ứng suất này sẽ làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tấm áp điện lượng điện

tích cảm ứng không đổi (QDC) Lúc này tấm 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 (τ) do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết bị đo đạc Để

duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một từ trường xoay chiều

(hac) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng dao động (σac) tác dụng lên pha áp điện Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến thiên (qac) trên tấm

áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện thông qua việc đo điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu áp điện [17]

Hình 1.15: Mô tả nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận

1.4.3 Sensor đo từ trường 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 Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Metglas pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (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) [17] Hiệu ứng thu được này có thể so sánh được với các kết quả tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới trên các vật liệu tổ hợp dạng này Chính vì vậy, trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục các nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT triển khai cho ứng dụng chế tạo sensor đo được từ trường

nhạy và độ phân giải cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng đo từ trường trái đất có thể so sánh được với các cảm biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay

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 băng từ Metglas và PZT có kích thước 151 mm Với mẫu có kích thước này, tính chất từ và từ giảo mềm của băng từ được tăng cường do ảnh hưởng của

dị hướng hình dạng, sự tăng cường này sẽ kéo theo sự tăng cường của hệ số từ-điện trong vùng từ trường thấp Chúng tôi mong đợi sensor được chế tạo có độ nhạy cao có khả năng đo được từ trường trái đất

Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng trong luận văn được chế tạo bằng phương pháp kết dính với cấu hình gồm hai tấm băng từ Metglas 2650SC được gắn trên hai mặt của tấm áp điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 151 mm Mẫu sau khi chế tạo được gắn điện cực lên hai mặt của tấm áp điện đã được phân cực theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm Chiều dày các lớp, độ đồng nhất của lớp kết dính được quan sát sử dụng phương pháp chụp ảnh 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 vào khoảng 7 µm, lớp băng từ Metglas dày 18 µm

Hình 2.1: Hình minh họa cấu hình (a) và ảnh chụp SEM (b,c) vật liệu tổ hợp

Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính

2.2 Chế tạo sensor 1D, 2D và 3D

Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn dây solenoid làm bằng Cu được cuốn xung quanh ống plastic có chiều dài 17 mm và có đường kính ngoài 1.8 mm Dây Cu được sử dụng có đường kính 80 μm bọc cách điện

Mật độ vòng dây được xác định từ thực nghiệm là 10.5 vòng/mm (hình 2.2) Sensor 1D được tạo ra bằng cách đưa vật liệu tổ hợp Metglas/PZT sau khi được chế tạo hoàn chỉnh vào bên trong lõi của cuộn dây tạo từ trường Sau khi được chế tạo, sensor 1D được gắn điện cực và đóng vỏ sử dụng vật liệu Mika không từ tính Trên hình 2.2 là ảnh chụp sensor 1D sau khi được chế tạo và đóng gói hoàn thiện

Hình 2.2: Ảnh chụp SEM cuộn dây solenoid (a), ảnh chụp vật liệu tổ hợp và sensor 1D

được đóng gói hoàn thiện (b)

Sensor 2D và 3D được chế tạo bằng cách là tổ hợp của 2 và 3 sensor đơn được

bố trí trực giao hay nhiều sensor đơn được bố trí trực giao với nhau Các sensor này sau khi chế tạo cũng được đóng vỏ sử dụng vật liệu Mika Trên Quy trình chế tạo sensor đo từ trường và các ảnh chụp vật liệu tổ hợp, sensor sau khi hoàn thiện được đưa ra trên hình 2.3 và hình 2.4 tương ứng cho sensor 2D và 3D

Hình 2.3 : Ảnh chụp vật liệu và sensor 2D tổ hợp 2 sensor đơn trực giao sau khi chế

tạo và đóng gói hoàn thiện

Hình 2.4: Ảnh chụp sensor 3D tổ hợp 3 sensor đơn trực giao tạo thành một tam diện

được chế tạo và đóng gói hoàn thiện

2.3 Khảo sát các thông số làm việc của sensor

Cường độ từ trường xoay chiều và tần số cộng hưởng của sensor là hai thông số quan trọng của sensor Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng của vật liệu bằng tần số kích thích của từ trường xoay chiều Ở đây, để tạo ra từ trường

xoay chiều hac = h sin(2ft), chúng tôi sử dụng bộ khếch đại lock-in (7265 DSP

Lock-in Amplifier) đóng vai trò như một nguồn nuôi xoay chiều cấp dòng cho cuộn dây solenoid của sensor Tần số nguồn cho phép nằm trong dải từ 0 đến 250 kHz và điện

áp nguồn nuôi trong dải từ 0 đến 5V Bộ khuếch đại lock-in này đồng thời đóng vai trò làm thiết bị đo điện áp lối ra từ tấm áp điện của sensor cho phép đo chọn lọc tần số

tương ứng với tần số kích thích cuộn dây Biên độ của hac được tính toán có thể thay đổi từ h = 0 đến 2 Oe

Thông số hoạt động của sensor được khảo sát thông qua phép đo tín hiệu lối ra

từ sensor phụ thuộc và tần số và biên độ của nguồn nuôi lock-in Số liệu đo bao gồm tín hiệu lối ra của lock-in và các tín hiệu kích thích bao gồm biên độ và tần số được ghi tự động nhờ ghép nối máy tính sử dụng chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Delphi Trên hình 2.5 là sơ đồ bố trí hệ đo khảo sát các thông số làm việc của sensor Giá trị tần số cộng hưởng và cường độ từ trường xoay chiều kích thích được lựa chọn khi tín hiệu điện áp lối ra thu được từ sensor cho giá trị lớn nhất