Nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ composite có cấu trúc đa lớp trên cơ sở các dây micro từ mềm sử dụng kỹ thuật điện hóa

Một cảm biến từ hoạt động dựa trên sự chuyển đổi từ tín hiệu từ thành tín hiệu điện điện áp hoặc điện trở, trong đó độ nhạy từ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định dải làm việ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU TỪ COMPOSITE

CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP TRÊN CƠ SỞ CÁC DÂY MICRO TỪ MỀM

SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU TỪ COMPOSITE CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP TRÊN CƠ SỞ CÁC DÂY MICRO TỪ MỀM

SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ ANH TUẤN

HÀ NỘI - Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn

Tác giả

Nguyễn Đức Long

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Thầy Đặng Việt Anh Dũng cùng các Thầy

Cô đã giúp đỡ tác giả thực hiện thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của Bộ môn Công nghệ Điện hóa – Bảo vệ kim loại

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Nguyễn Đức Long

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GMI (Giant Magnetoimpedence) - Từ tổng trở khổng lồ

MI (Magnetoimpedence) - Từ tổng trở

MR (Magnetoresistive) - Từ điện trở

GMR (Giant Magnetoresistive) - Từ điện trở khổng lồ

MF (Inner core - Shell region) - Lõi – vỏ

FE-SEM (Field Emission - Scanning Electron Microscope) – Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường

EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) - Phổ tán sắc năng lượng hay phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

XRD (X -Ray Diffraction Spetrum) - Phổ nhiễu xạ tia Rơnghen (tia X)

VSM (Vibrating Sample Magnetometer) - Từ kế mẫu rung

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 4.1 Thông số mạ lớp FeNi lên các dây Au, Pt, Cu 56

2 4.2 Bảng tổng hợp thành phần phần trăm FeNi mạ lên dây

3 4.3 Bảng tổng hợp các thông số từ phân tích phổ XRD 64

4 4.4 Bảng tổng hợp kết quả đặc trưng từ bằng phép đo

5 4.5 Bảng tổng hợp các kết quả về tính chất từ và đặc trưng GMI của hệ vật liệu dây micro từ cấu trúc hai lớp

FeNi/Au, FeNi/Pt, FeNi/Cu

71

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

3 Phương pháp nghiên cứu 12

4 Cấu trúc luận văn 13

Chương 1-CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ MI:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.1 Khái niệm 14

1.1.2 Nguyên lý của hiệu ứng 16

1.2 Các thông số đo ảnh hướng đến hiệu ứng GMI 17

1.2.3 Cường độ dòng điện xoay chiều 22

1.2.4 Nhiệt độ đo 23

1.3 Giới thiệu về cảm biến từ MI và một số ứng dụng công nghệ 24

1.3.1 Khóa chuyển đổi mạch điện 24

1.3.3 Sensor đo dòng điện sử dụng cảm biến dạng dây 26 1.3.4 Cảm biến Lực 27Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ CÁC VẬT LIỆU

2.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu dây từ đơn lớp và đa lớp 29 2.1.1 Công nghệ nguội nhanh RQ (rapidly quenching) 29 2.1.2 Công nghệ mạ điện hóa ED (electrodeposition): 30 2.2 Vật liệu GMI dây từ đơn lớp và đa lớp 32 2.2.1 Vật liệu GMI dây từ đơn lớp chế tạo bằng công nghệ RQ 32 2.2.2 Vật liệu GMI dây từ đa lớp chế tạo bằng công nghệ ED 35Chương 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 43

3.1.2 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình mạ hợp kim Ni-Fe 44

3.1.2 2 Ảnh hưởng của nồng độ ion Fe2+ 44 3.1.2 3 Ảnh hưởng của độ pH trong dung dịch mạ 44 3.1.2 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch mạ 45 3.1.2 5 Ảnh hưởng của sự khuấy trộn 45 3.1.2 6 Ảnh hưởng của các chất ổn định và các phụ gia khác 45

3.2.1 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) 46

Chương 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 4.1 Nghiên cứu chế tạo hệ dây từ cấu trúc hai lớp dạng MF trong

4.1.1 Chuẩn bị dụng cụ 53 4.1.2 Chuẩn bị các dung dịch chế tạo mẫu 53 4.1.3 Các bước thực hiện quá trình mạ điện hóa 53 4.1.4 Các thông số chế tạo mẫu dây hệ MF 56 4.2 Nghiên cứu các tính chất đặc trưng của vật liệu dây MF 57 4.2.1 Phân tích hình thái bề mặt mẫu bằng FE-SEM 57

4.2.3 Phân tích cấu trúc tinh thể mẫu bằng XRD 61 4.2.4 Phân tích đặc trưng từ bằng phép đo từ kế mẫu rungVSM 64 4.2.5 Phân tích các đặc trưng hiệu ứng từ tổng trở MI 68KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73TÀI LIỆU THAM KHẢO 75PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Đồ thị tỷ số ∆Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài một chiều

Hdc, công thức tính toán giá trị tổng trở Z và tỷ số GMI

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hiệu ứng GMI trong vật liệu dây từ……… 16

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tổng trở tương đối(Z/Rdc) vào tần số và từ

Hình 1.4 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ

Hình 1.5a Quá trình từ hóa do sự quay các moment từ theo hướng

trục (axial), và đường cong GMI có dạng đặc trưng một peak 21

Hình 1.5b Quá trình từ hóa do sự dịch chuyển vách domain và sự quay

của các moment từ theo hướng vòng quanh trục (circular)

và đường cong GMI có dạng đặc trưng hai peak……… 22

Hình 1.6 Tỷ số GMI thay đổi theo cường độ dòng điện biến đổi…… 23

Hình 1.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ[∆µ/µ]max/∆H và[∆Z/Z]max/∆H ở tần số

1 MHz khi ủ hợp kim vô định hình Co70Fe5Si15Nb2.2Cu0.8B7 23

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của của sensor chuyển đổi mạch điện………… 25

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo của của sensor đo vận tốc góc……… 26

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của của sensor đo dòng điện dùng cảm biến

dạng dây và đồ thị sự phụ thuộc của dòng điện I theo điện

thế V ……… 27

Hình 1.11 Sự giảm điện áp khi tác dụng một lực lên cảm biến GMI… 28

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị và công nghệ nguội nhanh RQ để chế tạo các

vật liệu dây từ vô định hình đơn lớp……… 29

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị mạ điện hóa sử dụng 3 điện cực……… 31

Hình 2.3 Một lớp từ tính CoP được phủ lên trên dây dẫn Cu bằng mạ

điện hóa……… 31Hình 2.4 Cấu trúc đômen từ của vật liệu dây từ vô định hình có bọc

thủy tinh, nền sắt Fe (a) và nền coban Co (b)……… 33Hình 2.5 Sự thay đổi của tỷ số ∆Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài đo

với các mẫu dây từ có tỷ số hình dạng khác nhau………… 34Hình 2.6 Độ thẩm vòng µφ = µφ /µo ở tần số khoảng 100KHz cho các

dây ủ khác nhau……… 35Hình 2.7 Cấu trúc của vật liệu dây từ 2 lớp dạng MF; với F =FeNi và

M= Cu……… 36Hình 2.8 Đường cong từ trễ thay đổi khi thay đổi tỉ lệ giữa Ni và Fe,

(b) Sự thay đổi của lực kháng từ HC và kích thước hạt D theo

Hình 2.9 Biến đổi tỷ số GMI của dây CoP/Cu phụ thuộc vào thời gian

điện hóa đo tại các tần số là: 4.5, 6.0 và 10.7 MHz………… 38Hình 2.10 Biến đổi tỷ số GMI của dây CoP/Cu phụ thuộc vào mật độ

dòng đo tại các tần số là: 4.5, 6.0 và 10.7 MHz……… 38Hình 2.11 Biến đổi tỷ số GMI đo với các tần số khác nhau trong dây

NiFe/Cu mạ trong thời gian (a)60 phút và (b) 180 phút…… 39Hình 2.12 Biến đổi tỷ số GMI đo với các tần số khác nhau trong dây

NiFe/Cu khi không ủ (a) và khi có ủ (b) ……… 40Hình 2.13 Cấu trúc của dây từ 3 lớp Co/Cu/Co phủ trên lõi Ag……… 41Hình 2.14 Sự phụ thuộc của ∆ Z / Z vào tần số của dây Co/Cu/Co bọc

trên lõi Ag có đường kính 120µ m……… 42Hình 3.1 Ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM,

Hình 3.4 Sơ đồ khối và ảnh thiết bị từ kế mẫu rung VSM……… 50Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo GMI……… 52Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị mạ điện hóa……… 54Hình 4.2 Sơ đồ quy trình điện hóa chế tạo mẫu dây từ cấu trúc hai lớp 55Hình 4.3 Cấu tạo hệ dây từ cấu trúc hai lớp……… 56Hình 4.4 Ảnh FESEM lớp mạ FeNi trên các lõi khác nhau của hệ dây

hai lớp a) FeNi/Au, b) FeNi/Pt, c) FeNi/Cu khi mạ ở cùng

Hình 4.5 Kết quả chụp thành phần mẫu bằng (EDX) trên lớp mạ

FeNi của các lõi khác nhau a) FeNi/Au, b) FeNi/Pt,

c) FeNi/Cu ở cùng mật độ dòng j = 80mA/cm2, thời gian 18

Hình 4.6 Biểu đồ so sánh sự thay đổi thành phần của Ni và Fe mạ ở

các lõi Au, Pt, Cu khác nhau trong cùng mật độ dòng

2 j = 80mA/cm2, thời gian 18 phút……… 60Hình 4.7 Giản đồ XRD của mẫu FeNi/Cu ở các thời gian khác nhau

12 phút, 36 phút và 60 phút khi mật độ dòng mạ cố định

40 mA/cm2 62Hình 4.8 Đường cong từ hóa của các mẫu FeNi/Au, FeNi/Pt, FeNi/Cu

đo ở cùng mật độ dòng điện j = 40mA/cm2 và ở cùng thời

gian t= 36 phút 65Hình 4.9 Đường cong từ hóa của các mẫu a)FeNi/Au, b)FeNi/Pt, gian

c)FeNi/Cu đo ở cùng mật độ dòng điện j = 40mA/cm2 và ở

các thời gian mạ khác nhau 68Hình 4.10 Đồ thị GMI phụ thuộc vào từ trường ngoài đo ở các tần số

khác nhau ở các hệ dây micro a)FeNi/Au, b)FeNi/Pt,

c)FeNi/Cu khi mạ thời gian 36 phút 71Hình 4.11 Đồ thị GMI cực đại của các hệ dây micro FeNi/Au, FeNi/Pt,

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Cảm biến từ đóng một vai trò thiết yếu trong công nghệ hiện đại Chúng được sử dụng rộng rãi trong gần như tất cả các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp, chẳng hạn trong hàng hải, quân sự và an ninh để phát hiện mục tiêu và theo dõi, hệ thống chống trộm, phá hoại thử nghiệm, từ đánh dấu và ghi nhãn, đo địa từ, nghiên cứu không gian, đo lường của các lĩnh vực từ tính trên tàu vũ trụ và đo từ sinh học trong cơ thể con người [17] Các cảm biến từ được phân loại theo các hiệu ứng vật

lý sử dụng, một số loại cảm biến đã phát triển hiện nay như cảm biến Hall, cảm biến quang từ, cảm biến từ điện trở khổng lồ (MR/GMR), cảm biến từ tổng trở khổng lồ (MI/GMI)

Một cảm biến từ hoạt động dựa trên sự chuyển đổi từ tín hiệu từ thành tín hiệu điện (điện áp hoặc điện trở), trong đó độ nhạy từ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định dải làm việc và khả năng ứng dụng của các cảm biến từ Ngoài

độ nhạy từ của thiết bị cảm biến, một số yếu tố khác ảnh hưởng đến việc sử dụng thực tế của cảm biến từ bao gồm chi phí sản xuất, kích thước, dải tần số làm việc và mức công suất tiêu thụ điện năng Khi so sánh chi phí sản xuất và tiêu thụ điện năng của các bộ cảm biến từ, dòng cảm biến MR/GMR cho thấy chi phí thấp và điện năng tiêu thụ thấp Tuy nhiên, độ nhạy từ của bộ cảm biến MR/GMR là khá thấp (~ 1%/Oe) Để nâng cao độ nhạy từ của thiết bị cảm biến, gần đây các nhà khoa học quan tâm đến nghiên cứu dòng cảm biến dựa trên hiệu ứng MI/GMI, ở đó tổng trở của vật liệu nhạy từ thay đổi mạnh dưới tác dụng của từ trường, Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng từ bộ cảm biến MI/GMI có ưu điểm hơn nhiều so với các

bộ cảm biến từ thông thường Yếu tố chính quyết định của cảm biến GMI là độ nhạy từ cao Khi so sánh với cảm biến GMR có độ nhạy 1%/Oe, độ nhạy từ của cảm biến GMI điển hình có thể đạt đến giá trị là 10 - 100% / Oe [17]

Tuy nhiên ngoài các ưu điểm là độ nhạy cao, giá thành thấp, ứng dụng rộng thì các vật liệu GMI cũng xuất hiện một nhược điểm là tính lặp lại hay độ ổn định còn thấp, điều này đã ảnh hưởng lớn đến chất lượng của thiết bị Ngoài ra, công

nghệ chế tạo các vật liệu GMI trên đều yêu cầu các kỹ thuật xử lý tương đối đặc biệt

và phức tạp nên chỉ có thể áp dụng cho một số đối tượng vật liệu cụ thể trong những điều kiện nhất định, chưa thể áp dụng cho phạm vi rộng Để khắc phục điều này, gần đây các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra một công nghệ chế tạo mới đó là sử dụng công nghệ mạ điện hóa để tạo ra các vật liệu GMI dạng dây tổ hợp nhiều lớp gồm lớp vỏ, lớp lõi CoP/Cu; NiFe/Cu; NiFe/Ag; FeCoNi/CuBe [26] Nhóm nghiên cứu

Buznikov et al [2,3] Đã chứng minh hiệu ứng GMI trong các vật liệu đó được nâng cao khi độ dẫn điện của lớp lõi cao hơn nhiều so với lớp vỏ Điều này đạt được khi

có thể tạo ra sự khác biệt lớn về điện trở giữa hai lớp, bởi vì khi đó phân bố dòng điện sẽ được tập trung chủ yếu trên lớp vỏ Các kết quả này đã mở ra một định hướng nghiên cứu mới phát triển các cảm biến GMI với độ nhạy và độ ổn định cao

trên cơ sở vật liệu dây cấu trúc đa lớp.

Từ những lý do trên, dựa trên những điều kiện và trang thiết bị hiện có trong

phòng thí nghiệm, tôi chọn đề tài của luận án là: ‘‘Nghiên cứu chế tạo các vật liệu

từ composite có cấu trúc đa lớp trên cơ sở các dây micro từ mềm sử dụng kỹ thuật điện hóa’’ làm luận văn tốt nghiệp

2 Mục đích nghiên cứu của luận án, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn

- Chế tạo thành công các vật liệu dây micro từ có cấu trúc đa lớp dạng MF

(M: là lớp dẫn điện, F: là lớp từ tính) bằng phương pháp mạ điện hóa

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mạ đến các tính chất của lớp mạ từ tính FeNi chế tạo trên các vật liệu lõi dẫn điện khác nhau Cu, Pt, Au

- Đánh giá được mối tương quan giữa cấu trúc bề mặt, tính chất từ mềm và hiệu ứng GMI trong các vật liệu dây từ cấu trúc đa lớp đã chế tạo

2.2 Đối tượng nghiên cứu của luận văn

- Vật liệu: dây micro từ cấu trúc hai lớp gồm 3 cấu trúc sau: FeNi/Cu, FeNi/Pt và FeNi/Au; trong đó FeNi là lớp vỏ có từ tính và Cu, Au, Pt là lớp lõi dẫn điện không có từ tính

- Công nghệ chế tạo: Kĩ thuật mạ điện hóa

2.3 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

- Nghiên cứu các đặc trưng hình thái bề mặt của mẫu dây

- Nghiên cứu thành phần lớp từ tính FeNi

- Nghiên cứu cấu trúc và kích thước hạt lớp từ tính FeNi

- Nghiên cứu tính chất từ của mẫu dây

- Nghiên cứu hiệu ứng MI trong mẫu dây

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

Các phương pháp thực nghiệm sử dụng gồm phương pháp mạ điện hóa, phương pháp hiển vi điện tử quét (FE-SEM), phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) và phương pháp từ tổng trở (MI)

Cấu trúc của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương

Chương 1: Cảm biến từ tổng trở MI: cơ sở lý thuyết và một số ứng dụng công nghệ

Tìm hiểu về hiệu ứng GMI, các thông số đo ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI Giới thiệu một số loại cảm biến đã được phát triển trong thực tế sử dụng hiệu ứng GMI: cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của từng loại

Chương 2: Phương pháp chế tạo và các vật liệu GMI dây từ đơn lớp và đa lớp

Tìm hiểu về phương pháp chế tạo vật liệu dây từ GMI: công nghệ nguội nhanh

và công nghệ điện hóa Tìm hiểu về một số các loại vật liệu GMI dây từ đơn lớp và

đa lớp chế tạo bằng hai công nghệ trên

Chương 3: Phương pháp thực nghiệm

Trình bày phương pháp mạ điện hóa để chế tạo vật liệu dây micro từ cấu trúc đa

lớp dạng MF (M=Cu, Au, Pt; F=FeNi) Các kĩ thuật nghiên cứu về vật liệu dây

micro từ cấu trúc đa lớp (XRD, FE-SEM, EDX, VSM, GMI)

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận về cấu trúc, thành phần, hình thái bề mặt, tính chất từ và hiệu ứng GMI của các vật liệu dây micro từ FeNi/Cu, FeNi/Au và FeNi/Pt cấu trúc đa lớp

Kết luận và Kiến nghị

Chương 1 CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ MI: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MỘT SỐ ỨNG

DỤNG CÔNG NGHỆ 1.1 Khái niệm về hiệu ứng GMI

1.1.1 Khái niệm

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant magneto-impedance-GMI) được định

nghĩa là sự thay đổi rất lớn của tổng trở phức (Z) của một vật liệu từ mềm dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều đặt vào (H ext) Hiệu ứng này phụ thuộc mạnh vào tần số của dòng điện xoay chiều đặt vào, kích thước, hình dáng, dị hướng từ và

cấu trúc của mẫu

Để đặc trưng cho hiệu ứng người ta đưa ra một đại lượng đặc trưng đó là tỷ

số tổng trở khổng lồ [GMI (%)] được xác định theo công thức sau:

GMI (%) =∆Z/Z (%) =100x

max) (

max) (

) (

H Z

H Z H

trong đó: - Z(H) là giá trị tổng trở đo được ở từ trường H

- Z(Hmax) là giá trị tổng trở đo được ở từ trường lớn nhất (của hệ đo)

Để đánh giá độ nhạy từ của đường cong GMI người ta sử dụng một đại lượng là độ

nhạy từ trường [ξ(%/Oe)], và ξ được tính theo công thức:

H

Z Z

∆

∆ / )max(

(1.2) trong đó ∆H là độ bán rộng của đường cong ∆Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài

một chiều

Theo lý thuyết, tổng trở Z của một mẫu vật liệu dây dẫn từ tính hình trụ có

dòng điện xoay chiều với tần số là ƒ chạy dọc theo mẫu được xác định theo công

thức sau [18]:

Z =

0 ,

0 ,

ka J ka

R dc

1

0

2 (1.3) Trong đó: k = (1+i)/δ, J0 và J1 là các hàm Bessel, a là bán kính của dây, tại tần số cao (ka >> 1) biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng:

a R X

chạy dọc theo mẫu, µplà độ từ thẩm (độ thấm từ vòng)

=

2 2

Trong công thức (1.5) thì tổng trở được tính là tổng trở phức, nó phụ thuộc vào

cường độ điện trường đặt vào mẫu EZ,0 và từ trường xoay chiều Hϕ,0 Hay chính là

phụ thuộc vào µ và ω

1.1.2 Nguyên lý của hiệu ứng

Ở trạng thái ban đầu khi chưa có từ trường ngoài H ext tác động (Hext=0), nếu ta cấp cho mẫu một điện áp xoay chiều có điện thế uac = E→Z,0sinωtvới tần số cao,

trong mẫu sẽ sinh ra một dòng điện xoay chiều i ac cao tần chạy trong mẫu thì nó tạo

ra một từ trường xoay chiều H ac =H→ϕ,0sinωtbao quanh mẫu, từ trường này làm cho véctơ từ độ của mẫu xoay theo hướng của nó Khi đặt mẫu dưới tác dụng của từ trường một chiều bên ngoài (Hext ≠0) dọc theo trục của mẫu dây, thì từ trường này

sẽ tác động làm cho véctơ từ độ của mẫu trở về trạng thái ban đầu, trạng thái khi chưa đặt dòng điện xoay chiều vào mẫu Khi đó làm cho độ từ thẩm giảm µ=1+χ= 1+M

H , độ từ thẩm giảm kéo theo trở kháng Z của mẫu giảm

Hiệu ứng từ trổng khổng lồ GMI là sự thay đổi tổng trở cao tần Z của dây

micro từ mềm dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều đặt vào Bản chất của hiệu ứng GMI được giải thích theo lý thuyết điện động lực học cổ điển mà nguyên

nhân sâu xa gây ra sự thay đổi tổng trở của vật dẫn là sự thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu từ mềm do quá trình từ hóa vật liệu bởi từ trường ngoài Bản chất

của hiệu ứng được làm rõ khi ta phân tích các thông số ảnh hưởng đến sự thay đổi tổng trở của vật liệu [25]

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hiệu ứng GMI trong vật liệu dây từ [35]

Mà tổng trở của dây dẫn từ tính phụ thuộc vào từ trường, tần số dòng điện, tính chất từ của vật liệu còn thay đổi theo kích thước hình học cũng như cấu hình của phép đo Đối với dòng điện một chiều thì mật độ dòng điện có giá trị giống nhau trong mọi điểm thuộc tiết diện của dây dẫn Nhưng đối với dòng điện xoay chiều đặc biệt là dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung ở lớp mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi của dây

dẫn và người ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng bề mặt

Đặc trưng của hiệu ứng bề mặt người ta đưa ra đại lượng δ độ thấm sâu

được tính theo công thức (1.5) và được định nghĩa là khoảng cách từ bề mặt đến vị trí mà mật độ dòng điện giảm còn gần 30% so với bề mặt

ωµ

ρ

δ = 2

trong đó: δ là độ thấm sâu bề mặt, µ là độ từ thẩm của vật liệu, trong vật liệu độ từ

thẩm phụ thuộc vào tần số và dòng điện xoay chiều, độ lớn của từ trường ngoài Sự phụ thuộc mạnh của độ từ thẩm µ vào từ trường ngoài của vật liệu từ mềm thể hiện

hiệu ứng GMI Khi thấm sâu vào vật liệu một lớp δ thì mật độ dòng điện giảm đi e lần và có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dầy δ trên bề mặt dây dẫn Khi thay đổi thì tổng trở của dây dẫn thay đổi theo và chiều dầy δ càng nhỏ thì dòng điện chủ yếu tập trung phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn

1.2 Các thông số đo ảnh hướng đến hiệu ứng GMI

Như đã biết độ từ thẩm hiệu dụng µ là hàm của tần số ω và từ trường ngoài

H ext Đối với các vật dẫn phi từ µ ∼ 1, khi từ trường tác động độ thấm từ gần như không đáng kể, có thể bỏ qua Do đó, tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm rất lớn (µ ∼ 104

), thì độ từ thẩm

thay đổi mạnh theo từ trường và tần số, kéo theo sự thay đổi mạnh tổng trở Z khi từ

trường và tần số thay đổi Như vậy, hiệu ứng GMI phụ thuộc mạnh vào sự thay đổi của độ từ thẩm theo tần số của dòng điện chạy qua dây dẫn và từ trường ngoài một chiều đặt vào xem (hình 1.3)

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tổng trở tương đối(Z/R dc ) vào tần số và

từ trường [17]

1.2.1 Tần số dòng điện xoay chiều (f)

Do sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến độ từ thẩm µ dẫn đến hiệu ứng GMI và được lý giải ở 3 vùng tần số khác nhau là:

+ Tần số thấp

+ Tần số trung bình

+ Tần số tần số cao

Ở vùng tần số thấp: Hiệu ứng bề mặt yếu, tổng trở của vật dẫn thay đổi hầu như chỉ

do sự thay đổi của độ từ cảm nội tại của dây dẫn gây nên [17] Khi cho dòng điện xoay chiều i= Io.eiωt chạy qua một dây dẫn có từ tính Dòng điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trường vuông góc với dây dẫn Trong dây dẫn xuất hiện suất điện động cảm ứng biến thiên theo sự biến thiên của từ trường sinh ra bởi dòng điện chính i Sức điện động cảm ứng này sinh ra sức điện động cảm ứng i’ có chiều ngược với chiều dòng điện chính và có tác dụng chống lại dòng điện chính sinh ra

nó, cũng tương đương như sự cản trở của mạch điện Với tần số thấp độ thấm sâu bề mặt lớn so với kích thước của mẫu nên tổng trở của vật dẫn được xác định bằng công thức (1.3)[17]

từ thẩm µt là nguyên nhân ảnh hưởng đến tổng trở của dây từ làm giảm tổng trở của

dây Do sự thay đổi này nhỏ dẫn đến hiệu ứng GMI ở vùng tần số này thể hiện tương đối yếu

Ở vùng tần số trung bình: Ở tần số vài MHz độ thấm sâu bề mặt bằng cỡ bán kính

của dây Khi có từ trường ngoài Hext một chiều dẫn đến độ thấm sâu bề mặt thay đổi làm tổng trở thay đổi Ở đây độ từ thẩm µ thay đổi do hai quá trình khách nhau là

dịch vách đômen và sự quay của véc tơ từ độ [17] và sự quay của véc tơ từ độ chiếm ưu thế hơn so với sự dịch vách đômen do ở tần số trung bình nên hiệu ứng bề mặt mạnh hơn so với ở tần số thấp

Ở vùng tần số cao: Ở vùng tần số vài chục MHz trở lên ở đây độ thấm sâu bề mặt

nhỏ hơn bán kính của dây Ở tần số cộng hưởng độ thấm sâu bề mặt thay đổi một lượng lớn, kéo theo sự thay đổi tổng trở của mẫu Độ thấm sâu bề mặt phụ thuộc vào tính chất từ của vật liệu:

+ Đối với vật liệu phi từ tính, độ từ thẩm µ ∼1 do đó độ thấm sâu bề mặt gần như không phụ thuộc vào vật liệu mà chỉ phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu và

từ trường ngoài ảnh hưởng rất ít đến vật liệu Như vậy tổng trở luôn tăng khi tăng tần số dòng điện và ở đây không xuất hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI

+ Đối với dây dẫn là vật liệu từ mềm tốt [28] độ từ thẩm rất lớn µ∼100000, lực kháng từ HC ∼ 1-5A/m và thay đổi rất mạnh theo từ trường, tần số (nó sẽ giảm mạnh khi tăng từ trường và tần số) Như vậy sự có mặt của từ trường ngoài và từ trường ngang do dòng điện có tần số cao làm từ hoá vật dẫn từ mềm đến gần trạng thái bão hòa tức là độ từ thẩm µ giảm gần đến 1 và ở một tần số xác định thì sự có

mặt của từ trường ngoài làm tăng mạnh độ thấm sâu điều này có nghĩa là tổng trở của dây dẫn từ mềm giảm mạnh

1.2.2 Từ trường ngoài một chiều (H ext)

Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng hiệu ứng GMI liên hệ đến hiệu ứng bề

mặt (đại lượng đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt là độ thấm sâu δ) Ở tần số cao, độ thấm sâu δ nhỏ, dòng điện chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn có

nghĩa là dòng điện bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược lại Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy δ phụ thuộc vào tần số dòng điện chạy qua dây dẫn, tính chất từ

của vật liệu và từ trường ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức (1.4) (tài liệu)

Mối liên hệ giữa độ thấm sâu bề mặt δ, độ từ thẩm µ và từ trường ngoài H ext

được thể hiện trên hình 1.4 Khi từ trường ngoài H ext tăng thì độ từ thẩm µ giảm dẫn

tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại

Hình 1.4 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm (µ) và độ thấm sâu bề mặt (δ) với từ trường ngoài H ext [17].

Ngoài ra, với sự có mặt đồng thời của từ trường ngoài một chiều H dc đặt vào và

từ trường xoay chiều H ac do dòng điện cao tần sinh ra, quá trình từ hoá (quá trình

dịch vách đômen và quá trình quay vectơ từ độ) trong vật dẫn từ thay đổi, từ đó dẫn tới sự thay đổi độ thấm sâu bề mặt δ theo công thức 1.5 Các kết quả nghiên cứu cho thấy đối với dây dẫn đồng nhất có bán kính a thì hiệu ứng GMI đạt giá trị lớn

nhất khi độ thấm sâu δ <<a, đối với những dây dẫn gồm một lớp từ tính có chiều

dày ∆r bao xung quanh một lõi phi từ có bán kính r thì hiệu ứng GMI đạt giá trị lớn

nhất khi δ << ∆r [35]

Ban đầu khi H ext tăng theo trục song song, là trục dễ từ hóa, khi đó các vectơ từ

độ trong mỗi đomen sẽ dịch chuyển theo hướng của trục, dẫn đến làm tăng độ từ thẩm µ và làm tăng Z Giá trị lớn nhất của µ đạt được khi trường ngoài đạt giá trị cân bằng với trường dị hướng H k, tại điểm đó trở kháng Z đạt giá trị cực đại

Nếu tiếp tục tăng H ext tới điểm mà quá trình quay của vectơ từ hóa chiếm ưu thế

sẽ làm µ giảm tới một hằng số có giá trị rất nhỏ và Z sẽ giảm tương ứng với µ Vì

thế biểu đồ thay đổi tổng trở theo sự phụ thuộc từ trường ngoài ∆Z/Z (H) sẽ thể hiện

các đặc trưng dạng một peak (single peak) hình 1.5a, hoặc hai peak (double peak) như trình bày trong hình 1.5b

Hình 1.5a Quá trình từ hóa do sự quay các moment từ theo

hướng trục (axial), và đường cong GMI có dạng đặc trưng

một peak [19]

Hình 1.5b Quá trình từ hóa do sự dịch chuyển vách domain và sự quay của các

moment từ theo hướng vòng quanh trục (circular) và đường cong GMI có dạng đặc trưng hai peak [19]

1.2.3 Cường độ dòng điện xoay chiều

Ta biết quá trình từ hóa mẫu theo phương nằm ngang do từ trường của dòng xoay chiều chạy qua mẫu Trong khi đó sự thay đổi của tổng trở ảnh hưởng trực tiếp bởi các quá trình từ hóa này [17] Các nghiên cứu chỉ ra rằng tỷ số GMI cực đại phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua mẫu cho thấy sự phụ thuộc này có tính tỉ lệ nghịch Đường cong GMI ở giá trị cường độ dòng điện nhỏ cho thấy có sự tách đỉnh

rõ nét, nhưng ở dòng điện có cường độ dòng điện lớn hơn chúng dần mất đi hiện tượng tách đỉnh mà chỉ còn dạng đơn peak Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sự phụ thuộc của hiệu ứng GMI vào cường độ dòng điện xoay chiều trong các vật liệu khác nhau là khác nhau

Hình 1.6 Tỷ số GMI thay đổi theo cường độ dòng điện biến đổi [16]

1.2.4 Nhiệt độ đo

Những hiểu biết về ảnh hưởng của nhiệt độ đo đến hiệu ứng GMI là rất quan trọng và không thể thiếu cả trong nghiên cứu cơ bản lẫn trong thực nghiệm Có vài nghiên cứu trong các hệ vật liệu khác nhau như dây vô định hình, băng vô định hình trên nền Co [17] Dây và băng nano tinh thể nền Fe [17] Nhìn chung, hiệu ứng GMI lúc đầu tăng với sự tăng của nhiệt độ đo và đạt giá trị cực đại gần nhiệt độ Curie của vật liệu và cuối cùng giảm dần ở nhiệt độ cao hơn Với băng vô định hình nền Co sau khi xử lý nhiệt cũng có ảnh hưởng bởi nhiệt độ đo tuy nhiên độ sai khác không nhiều

Hình 1.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ[∆µ/µ]max /∆H và[∆Z/Z]max /∆H ở tần số 1 MHz khi ủ hợp kim vô định hình Co Fe Si Nb Cu B [17]

1.3 Giới thiệu về cảm biến từ MI và một số ứng dụng công nghệ

Như đã phân tích ở trên, do có độ nhạy từ trường cao hiệu ứng GMI có rất nhiều ứng dụng mà đầu tiên phải kể đến là để chế tạo các thiết bị cảm biến Hoặc trong chế tạo các thiết bị điện tử như đầu thu ăngten, điều khiển và đo lường tự động, các phần tử nhớ (vật liệu có chu trình trễ hình chữ nhật), thiết bị dò mìn, bom, thủy lôi [21] Đặc biệt gần đây người ta đã kết hợp sensor từ GMI với công nghệ sóng bề mặt SAW (surface acoustic wave ) để tạo ra các sensor từ không dây có độ nhạy cao, nhiều khi lên tới 100nT và dải thông lớn hơn 10MHz Các thiết bị này có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như sensor đo độ mòn và áp suất lốp xe [17]

Ngoài ra vì dòng cảm biến MI/GMI vừa có độ nhạy cao (khoảng 1µOe với

từ trường xoay chiều AC và 100µOe với từ trường một chiều DC) lại vừa đáp ứng nhanh và tiêu thụ công suất thấp nên nhiều loại cảm biến GMI đã được đề xuất và ứng dụng trong các lĩnh vực như: Ổ đĩa máy tính, bộ mã hóa, máy dò tìm vị trí và phương hướng (la bàn điện tử), máy đo tốc độ góc, khóa chuyển đổi mạch điện, sensor đo dòng điện, trong y tế (cảm biến y sinh), trong điều khiển và giám sát giao thông, trong hệ thống chống trộm, sau đây chúng tôi xin mô tả một số thiết bị cảm biến thực tế đã được phát triển dựa trên hiệu ứng MI/GMI

1.3.1 Khóa chuyển đổi mạch điện

a Cấu tạo: Gồm một mạch điều khiển làm việc được ở tần số 50 KHz có một cổng

ra và một cổng vào, một máy phát điện, một bộ khuếch đại nghịch đảo, một bộ khuếch đại một chiều, bóng đèn bán dẫn một kết nối Mạch điều khiển gồm một cảm biến GMI gắn trên một lá thép Si uốn thành hình chữ U, một nam châm có thể tạo ra từ trường khoảng 50Oe [21] Giữa cảm biến GMI và nam châm đặt một tấm kim loại có thể che chắn được từ trường và tấm kim loại này có thể điều khiển lên hoặc xuống ( Hình 1.8)

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của của sensor chuyển đổi mạch điện [21]

b Nguyên lý làm việc: Khi chèn tấm kim loại vào khe giữa nam châm và cảm biến

GMI thì từ trường tác dụng lên cảm biến bị che chắn làm cho trở kháng của cảm biến tăng lên dẫn đến điện áp thay đổi làm mạch điện được khuếch đại và bóng đèn sáng Ngược lại, khi bỏ tấm kim loại ra từ trường qua cảm biến tăng lên, trở kháng giảm xuống nên mạch không được khuếch đại làm đèn tắt Tuy nhiên, sự ổn định của mạch chuyển đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, nếu nhiệt độ dao động nhiều hơn 50C thì mạch làm việc không còn ổn định, điều này có thể khắc phục bằng cách thay thế các linh kiện phụ thuộc nhiệt độ bằng các linh kiện khác có độ ổn định nhiệt cao hơn

c Ứng dụng: Làm khóa chuyển đổi để điều khiển các thiết bị điện gia dụng và các

thiết bị điện khác

1.3.2 Đo vận tốc góc

a Cấu tạo : Gồm một nam châm vĩnh cửu gắn trên một đĩa quay, đĩa được gắn với

một môtơ cần đo tốc độ Mạch điều khiển gồm một cảm biến GMI gắn trên một lá thép Si uốn thành hình chữ U, cảm biến được đặt phía trên của đĩa quay sao cho có thể cảm nhận được sự thay đổi từ trường của nam châm gắn trên đĩa, đầu còn lại nối

Cảm biến GMI

Cảm biến GMI Tấm kim loại

Hộp điều khiển

với máy đo từ, máy đo từ lại được kết nối trực tiếp với một máy dao động ký và một máy tính để xử lý số liệu thu được ( Hình 1.9)

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo của của sensor đo vận tốc góc [21]

b Nguyên lý làm việc: Khi mô tơ quay thì nam châm gắn trên đĩa cũng quay cùng

tốc độ với môtơ làm cho từ trường nam châm biến thiên, từ trường thay đổi làm trở kháng của cảm biến thay đổi, làm điện áp đầu ra của bộ khuếch đại thay đổi dẫn đến tần số của dao động ký cũng thay đổi theo Tần số của dao động ký tỷ lệ thuận với tốc độ quay của môtơ, kết quả là tốc độ quay của mô tơ đo được với đơn vị là vòng/phút

c Ứng dụng: Xác định tốc độ góc của các mô tơ và các cơ cấu máy móc khác khi

chuyển động quay Máy có thể đo được tốc độ tối đa là 200 vòng/phút

1.3.3 Sensor đo dòng điện sử dụng cảm biến dạng dây

a Cấu tạo

Bộ phận chính là một cuộn dây solenoid Cu có khoảng 200 vòng dây, dài 30mm, đường kính 35mm để tạo ra từ trường , một cảm biến GMI dạng dây được đặt vào giữa cuộn solenoid Cảm biến GMI được kết nối với một máy phát điện (Agilent 33120A) và một đồng hồ vạn năng (Agilent 34401A) đo được các dòng

điện khác nhau (từ 0 đến 100,0 mA) [21] Kết quả đo được xử lý và thu được trên một máy tính, (Hình 1.10)

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của của sensor đo dòng điện dùng cảm biến dạng dây và

đồ thị sự phụ thuộc của dòng điện I theo điện thế V [21]

b Nguyên lý hoạt động

Khi cho dòng điện chạy qua cuộn solenoid thì dòng điện này tạo ra một từ

trường biến thiên theo dòng điện Từ trường này tác động vào cảm biến làm thay đổi tỷ số từ tổng trở Sự thay đổi tổng trở thu được và được xử lý qua các cơ cấu khác và đường cong tổng trở hiển thị trên màn hình máy tính Kết quả đo cho thấy

độ chính xác rất cao: thử nghiệm đo dòng 50 mA với 30 lần đo thì kết quả cho thấy giá trị trung bình đo được là 50,3mA với độ lệch chỉ 0,3mA [21] Độ nhạy của cảm biến cũng có thể cảm nhận bằng cách tăng số cuộn solenoid

c Ứng dụng: Dùng xác định cường độ dòng điện một chiều và xoay chiều

1.3.4 Cảm biến Lực

a Cấu tạo: Gồm một nam châm vĩnh cứu có đường kính 4,5cm tạo ra từ trường

khoảng 150eO được gán trên một thanh nhôm tròn có đường kính 7,5mm Một cảm biến GMI hình chữ U được gắn trên thanh nhựa Acylic tròn có đường kính 5,5mm

Hình 1.11 Sự giảm điện áp khi tác dụng một lực lên cảm biến GMI [21]

b Ngyên lý hoạt động: Khi có một lực tác động tác động khác nhau từ 0-1,76N

∆V = VF-V0 được đo bằng đồng hồ vạn năng sẽ dẫn đến điện áp thay đổi, ở đây điện áp sẽ thay đổi phụ thuộc vào lực tác động đến thanh Acylic trong giới gan cho phép khoảng cách thay đổi giữa nam châm vĩnh cửu và cảm biển GMI sẽ làm cho trở kháng của GMI tăng do từ trường tác động giữa cảm biến và nam châm vĩnh cửu giảm Việc thử nghiệm cho một lực tác động 0,88N làm 30 lần, sai số 0,02N cảm biến cho ra một đường thẳng tuyến tính chỉ trong giới hạn cho phép Đường tuyến

tính này có thể tăng khi ta sử dụng một mạch điện phản hồi

c Ứng dụng: Dùng để đo lực tác động

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ CÁC VẬT LIỆU GMI DÂY TỪ ĐƠN LỚP

VÀ ĐA LỚP 2.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu dây từ đơn lớp và đa lớp

2.1.1 Công nghệ nguội nhanh RQ (rapidly quenching)

- Phương pháp nguội nhanh: là một phương pháp được sử dụng để chế tạo các

vật liệu dây micro từ đơn lớp dạng kim loại hay hợp kim vô định hình, phương pháp này có năng suất cao có thể tạo ra hàng trăm mét dây trong một giây Kim loại được nung chảy trong nồi nung bằng dòng điện cảm ứng cao tần, sau đó dưới tác dụng của áp suất khí Ar sẽ đẩy kim loại nóng chảy qua vòi phun (gắn liền với nồi nung) lên một môi trường làm lạnh là chất lỏng [17] Khi tia kim loại lỏng ra khỏi vòi phun, gặp chất lỏng lạnh bị mất nhiệt nhanh chóng, đông cứng tức thời (trong thời gian 1/1000 giây) và văng ra dưới dạng dây Vì quá trình đông cứng xảy ra trước quá trình kết tinh nên các dây đó là hợp kim vô định hình hay còn gọi là thủy tinh kim loại [17]

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị và công nghệ nguội nhanh RQ để chế tạo các vật liệu

dây từ vô định hình đơn lớp [17]

Dây thủy tinh

vô định hình

Khí Ar

Ống thủy tinh chịu nhiệt

Cuộn dây cảm ứng cao tần

Hợp kim nóng chảy

Nước làm nguội

- Nguyên lý hoạt động: kim loại được nung chảy trong một ống thủy tinh chịu nhiệt bằng dòng điện cảm ứng cao tần, sau đó dưới tác dụng của áp suất khí Ar

sẽ đẩy kim loại nóng chảy qua vòi phun (gắn liền với ống thủy tinh chịu nhiệt) lên một môi trường làm lạnh là chất lỏng [17] Khi tia kim loại lỏng ra khỏi vòi phun, gặp chất lỏng lạnh bị mất nhiệt nhanh chóng, đông cứng tức thời (trong thời gian 1/1000 giây) và văng ra dưới dạng dây Vì quá trình đông cứng xảy ra trước quá trình kết tinh nên các dây đó là hợp kim vô định hình hay còn gọi là thủy tinh kim loại Công nghệ nguội nhanh thường được sử dụng để chế tạo các vật liệu kim loại hay hợp kim từ thể lỏng với tốc độ nguội từ 105 - 106 K/s, ở tốc độ nguội này có thể tạo ra một trạng thái mới của kim loại hay hợp kim - trạng thái vô định hình (amorphous)

2.1.2 Công nghệ mạ điện hóa ED (electrodeposition):

- Phương pháp mạ điện hóa: là quá trình phủ lên vật mẫu một lớp kim loại

thông qua dung dịch điện ly Mục đích của quá trình này là để tăng thêm tính chất của bề mặt vật liệu ban đầu cũng như để bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trường bên ngoài Quá trình mạ điện hóa bao gồm hai quá trình:

Quá trình khử xảy ra tại bề mặt catot:

với khi mạ kim loại thì mới thu được các lớp mạ có thành phần ổn định và chất lượng đồng đều

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị mạ điện hóa sử dụng 3 điện cực [17]

Công nghệ mạ điện hóa là một phương pháp đã được sử dụng gần đây để chế tạo các vật liệu từ, do có nhiều ưu điểm thiết bị đơn giản, dễ chế tạo hơn so với công nghệ nguội nhanh đòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp và chi phí đầu tư cao Phương pháp mạ điện hóa cho phép chế tạo các lớp mạ có từ tính với độ đồng nhất cao Ví

dụ, hình 2.3 hiển thị một vật liệu dây Cu có một lớp từ tính CoP phủ lên; ảnh SEM cho thấy hình của một dây CoP/Cu mặt cắt ngang

Hình 2.3 Một lớp từ tính CoP được phủ lên trên dây dẫn Cu bằng mạ điện hóa [20]

Bên cạnh đó phương pháp điện hóa còn có những ưu điểm sau:

- Một loạt các vật liệu (kim loại, hợp kim, và vật liệu tổng hợp) có thể được xử lý bởi phương pháp điện hóa hiện có sẵn;

- Có thể xử lý hàng loạt mẫu và liên tục;

- Sản xuất nhiều vật liệu với kích thước hạt và hình dạng khác nhau ;

- Có thể được sản xuất được vật liệu có độ xốp khác nhau

- Các sản phẩm cuối cùng có thể được sản xuất với số lượng lớn

2.2 Vật liệu GMI dây từ đơn lớp và đa lớp

2.2.1 Vật liệu GMI dây từ đơn lớp chế tạo bằng công nghệ RQ

Vật liệu dây từ vô định hình và nano tinh thể

- Cấu trúc:

Vật liệu dây từ vô định hình có trật tự gần về vị trí cấu trúc nguyên tử Do được tạo thành từ sự đông cứng nhanh chóng từ trạng thái lỏng nên trạng thái vô định hình của vật liệu gồm những nguyên tử được sắp xếp một cách bất trật tự sao cho một nguyên tử có các nguyên tử bao bọc một cách ngẫu nhiên nhưng xếp chặt xung quanh nó

Vật liệu dây từ nano tinh thể được tạo ra bằng cách ủ nhiệt vật liệu dây vô định hình ở một nhiệt độ và thời gian thích hợp, cấu trúc nano tinh thể bao gồm các hạt tinh thể kích thước nano mét được phân bố đều trên nền vô định hình dư

- Tính chất điện và hóa học:

Dây vô định hình có điện trở suất rất lớn, điện trở suất của dây vô định hình cao hơn giá trị tương ứng của cùng một dây sau khi kết tinh Một nghiên cứu công bố rằng các điện trở suất của dây vô định hình cao hơn 20% [22] so với một dây tương ứng ở dạng tinh thể, điện trở suất của dây vô định hình phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, thành phần hợp kim

Các dây vô định hình có khả năng chống ăn mòn rất cao, hợp kim vô định hình của Fe bổ sung Cr là hợp kim chống ăn mòn cao nhất, thậm chí cao hơn cả thép không gỉ Đặc biệt đối với các dây có bọc thủy tinh ở bên ngoài thì có thể chống ăn mòn rất tốt trong các môi trường hóa học[22]

- Tính chất từ:

Với mẫu dạng dây chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh, do tốc độ nguội của lớp bề mặt dây và lõi dây khác nhau dẫn đến cấu trúc đômen của hai vùng khác nhau Trong đó, phần lõi là một đơn đômen với phương của vectơ từ độ trùng với chiều dài của dây, phần vỏ ngoài có cấu trúc đa đômen với các véctơ từ độ có dạng vòng tròn , nguyên nhân là do ứng suất nén kết hợp với hiệu ứng từ giảo âm giữ cho các mômen từ là các vòng tròn kín [17], đảm bảo sự cực tiểu về năng lượng

Hình 2.4 Cấu trúc đômen từ của vật liệu dây từ vô định hình có bọc thủy tinh, nền

a Ảnh hưởng của tỷ số hình dạng dây lên GMI:

(a)

(b)

Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng hiệu ứng GMI biến đổi mạnh theo thay đổi về hình thái học của mẫu dây từ, nhóm tác giả [] đã nghiên cứu sự phụ thuộc tỷ số từ

tổng trở ∆Z/Z(%) của dây vô định hình từ mềm Co67Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7 vào tỉ

số hình dạng ρ (đường kính lõi/đường kính dây) đo trong dải biến đổi của tần số dòng điện xoay chiều f = 0.06 – 15MHz, cường độ dòng điện từ 0.75-2mA và từ trường ngoài H dc lên tới 2400 A/m Kết quả đạt được cho thấy tỉ số ∆Z/Z đạt được giá trị lên đến 615% ở tần số f = 10MHz, cường độ dòng điện I = 0.75mA và tỷ số

hình dạng ρ≈ 0.98 [24]

Hình 2.5 Sự thay đổi của tỷ số ∆Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài đo với các mẫu

dây từ có tỷ số hình dạng khác nhau [24]

b Ảnh hưởng của ủ nhiệt lên GMI:

Hiệu ứng GMI được quan sát thấy khi thay đổi cấu trúc dây hợp kim vô định hình Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3bằng phương pháp ủ Giá trị của GMI tương quan đến sự thay đổi cấu trúc và sự biến đổi tương ứng của tính chất từ và điện trở nội tại (điện trở suất) làm cho tính chất từ mềm tốt, giá trị điện trở suất thấp Khi ủ cấu trúc biến đổi do sự kết hợp giữa độ thẩm vòng µφvà điện trở suất trong các giai đoạn kết tinh khác nhau Tỷ số từ tổng trở khổng lồ GMI đạt được 200% ở dây hợp kim vô định

hình Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 được ủ ở nhiệt độ 550-600oC Do sự kết hợp giữa độ thẩm vòng µφ và điện trở suất làm cho tìm thấy tính chất vật lý của các dây từ mềm với các giá trị đo được của cả hai thành phần của trở kháng [18].

Hình 2.6 Độ thẩm vòng µφ = µφ /µo ở tần số khoảng 100KHz dây ủ khác nhau [18]

2.2.2 Vật liệu GMI dây từ đa lớp chế tạo bằng công nghệ ED

Vật liệu dây từ 2 lớp dạng MF

- Cấu trúc:

- Lớp lõi M (inner core) là các kim loại dẫn điện rất tốt như: Cu, Ag, Au, với

đường kính khoảng 50-100 µ m

- Lớp vỏ F (shell region ) dày cỡ trên 1µm là một trong các kim loại hoặc hợp kim

của các kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni ) và các á kim (P, B, Si, C, Ge ) là những vật liệu chứa các nguyên tử từ với lớp điện tử 3d chưa được điền đầy và hằng số trao đổi giữa các spin là dương Đây là điều kiện để tạo ra trạng thái sắt từ của vật liệu

Hình 2.7 Cấu trúc của vật liệu dây từ 2 lớp dạng MF; với F =FeNi và M= Cu

- Tính chất từ:

Các hệ dây từ 2 lớp có lực kháng từ rất thấp nên tính chất từ mềm rất tốt Dây từ hai lớp Ni44Fe56/Cu đạt giá trị nhỏ nhất của lực kháng từ là 1,69 Oe [18],giá trị của lực kháng từ Hc phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt (hình 2.8) Ngoài ra tính chất từ mềm của lớp từ tính biến đổi mạnh theo bề dày của lớp mạ và thành phần của lớp

mạ [18].Thông qua việc khống chế các thông số như mật độ dòng điện mạ và thời gian mạ, chúng ta có thể tối ưu và điều khiển các đặc tính từ mềm (Hc nhỏ) của hệ dây theo mong muốn (hình 2.8) Điều khiển và tối ưu các đặc tính từ mềm trong vật liệu dây từ 2 lớp sẽ làm tăng cường hiệu ứng GMI ở trong các vật liệu này Do đó các vật liêu dây từ 2 lớp có nhiều tiềm năng để ứng dụng làm thành phần nhạy từ trong các cảm biến từ MI/GMI

Hình 2.8 Đường cong từ trễ thay đổi khi thay đổi tỉ lệ giữa Ni và Fe, (b) Sự thay đổi của

lực kháng từ H C và kích thước hạt D theo hàm lượng Fe của hợp kim Fe-Ni [18]

- Hiệu ứng GMI:

a Ảnh hưởng của thời gian điện hóa và mật độ dòng lên GMI của dây CoP/Cu

Nhóm tác giả [] đã công bố nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian điện hóa và mật

độ dòng lên hiệu ứng GMI của dây CoP/Cu Lớp từ tính CoP được mạ trên một dây

Cu có kích thước 50µm Chiều dày lớp mạ được khống chế bằng cách thay đổi thời

gian điện hóa từ t = 2-10 phút giữ mật độ dòng không đổi; thành phần lớp mạ được khống chế bằng cách thay đổi mật độ dòng điện từ j = 130 - 900 mA/cm2 giữ thời gian điện hóa không đổi Chiều dầy lớp mạ từ tính CoP đạt đươc là 2-25µm Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu ứng GMI lớn nhất đã đạt được trong mẫu CoP/Cu

có thời gian mạ là t = 6 phút, và j = 639mA/cm2 ở tần số dòng điện xoay chiều đo

được là f = 10.7 MHz Tỷ số ∆Z/Z đạt được là 534% và độ nhạy từ trường là ξ= 21% [20].

Quan sát thực nghiệm về ảnh hưởng của thời gian mạ đến hiệu ứng GMI trên dây CoP/Cu cho thấy khi tăng thời gian điện hóa từ 2 phút đến 6 phút thì thấy tỷ số GMI đạt cao nhất, sau đó tiếp tục tăng thời gian tiếp theo đến 10 phút thì tỷ số GMI lại giảm dần xem (hình 2.9) Cũng tương tự, khi tăng mật độ dòng từ 130 mA/cm2đến 900 mA/cm2 thì thấy tỷ số GMI đạt cực đại với giá trị ~ 534% ở mật độ dòng j

= 639mA/cm2, khi sau đó tiếp tục tăng mật độ dòng đến j = 900 mA/cm2 thì tỷ số GMI lại giảm dần xem (hình 2.10) Sự thay đổi thời gian mạ hoặc mật độ dòng mạ

đã làm thay đổi cấu trúc đômen của lớp từ tính CoP do đó làm biến đổi hiệu ứng GMI Lớp mạ CoP có cấu trúc đômen dạng xuyên tâm (radial domain structure) Với giá trị độ nhạy từ trường đạt được ~ ξ= 21% vật liệu CoP/Cu có nhiều tiềm năng ứng dụng cho cảm biến GMI hiệu suất cao

Hình 2.9 Biến đổi tỷ số GMI của dây CoP/Cu phụ thuộc vào thời gian điện hóa đo

tại các tần số là: 4.5, 6.0 và 10.7 MHz [20]

Hình 2.10 Biến đổi tỷ số GMI của dây CoP/Cu phụ thuộc vào mật độ dòng đo tại

các tần số là: 4.5, 6.0 và 10.7 MHz [20]