Mô phỏng tính toán và thiết kế tối ưu cảm biến đo từ trường trái đất 3d hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất (KLTN k41)

Trong số các cảm biến có thể hoạt độngđược trong vùng từ trường trái đất, hiện nay, hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợpđồng thời cả pha từ có tính chất từ giảo và pha điện có tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

1 ThS Lê Khắc Quynh

2 PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này em luônnhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô hướng dẫn Nhân dịp này cho

em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới:

PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang, cô đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điềukiện và truyền đạt nhiều kiến thức quý báu trong thời gian em làm luận văn Nhữngkiến thức mà cô truyền đạt cho em chính là những kinh nghiệm quý giá cho công việcnghiên cứu của em sau này

Em xin chân thành cảm ơn Th.S Lê Khắc Quynh Thầy đã luôn giúp đỡ, hướngdẫn và cho em những lời khuyên bổ ích khi em thực hiện công việc nghiên cứu hoànthành cho khóa luận này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy cô giáo, các anh chị và các emtrong Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micrô-Nano, Trường Đại học Côngnghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã luôn ủng hộ, động viên, trao đổi kiến thức, kinhnghiệm và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại phòng thínghiệm

Em cảm ơn các thầy, cô trong khoa Vật lí, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã

có những góp ý xác đáng trong quá trình hoàn thiện khóa luận của em

Cuối cùng, cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thântrong gia đình Những người luôn bên cạnh và động viên em vượt qua những khó khăntrong cuộc sống cũng như trong học tập

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp này do mới tiếp xúcvới công nghệ nghiên cứu mới cũng như kinh nghiệm bản thân còn hạn chế nên khôngtránh khỏi có những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những ý kiến đóng gópcủa thầy cô và các bạn để em dần hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu của báo cáo này là do cá nhân tôithực hiện Các kết quả và số liệu được trình bày trong báo cáo này là hoàn toàn trungthực, chưa từng được sử dụng hay công bố tại bất kì nơi nào khác

Tác giả

Trần Tiến Dũng

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Hình ảnh từ tr ư ờ ng Trái Đ ấ t 4

Hình 1 2 Cách xác đ ịnh v ector t ừ tr ư ờ ng trái đ ất 6

Hình 1 3 Hình m inh h ọa hiện t ư ợ ng từ g iả o 8

Hình 1 4 Hình m inh h ọa hiệu ứ ng áp đ i ện 9

Hình 1 5 S ơ đ ồ k hối v ề k hái ni ệ m v ật liệu từ - điện 10

Hình 1 6 N g uyên lí làm v i ệc của h i ệu ứ ng từ đ i ện thuận trong v ậ t li ệ u tổ h ợ p 10

Hình 2 1 C h ế độ v ẽ 3D c ủa phần m ề m A N S Y S Maxwell 12

Hình 2 2 V ật thể 3D v ớ i l ư ớ i chia th ô 13

Hình 2 3 V ật thể 3D v ớ i l ư ớ i chia tin h 13

Hình 2 4 K ết quả m ô p h ỏng d ư ớ i d ạng hiển t h ị m à u 14

Hình 2 5 K ết quả m ô p h ỏng biểu d i ễn qua đ ồ t h ị 14

Hình 3.1 Cấu hình thanh cảm biến 1D 17

Hình 3 2 H i ển thị m àu m ật độ từ thông qua c ấ u hình 1D 18

Hình 3.3 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 1D 18

Hình 3 4 T ọa độ điểm c ự c đại v à c ự c tiểu đồ t h ị của cấu hình 1 D 19

Hình 3.5 Độ lớn mật độ từ thông dọc theo các trục của cấu hình 1D 19

Hình 3.6 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập 20

Hình 3.7 Đồ thị giá trị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập 21

Hình 3 8 T ọa độ c ự c đ ại v à c ự c tiểu đồ thị c ấ u hình 2D c h ữ thập 21

Hình 3.9 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ T 22

Hình 3.10 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ T 22

Hình 3.11 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ T 23

Hình 3.12 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ L 23

Hình 3.14 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ L 24

Hình 3.15 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn 25

Hình 3.16 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn.25 Hình 3.17 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn 26

Hình 3.18 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập dạng tai 26

Hình 3.19 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập dạng tai 27

Hình 3.20 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập dạng tai 27

Hình 3.21 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 3D không tai 28

Hình 3.22 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục Oz 29

Hình 3.23 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Oz 29

Hình 3.24 Đồ thị giá Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục Ox 30

Hình 3.25 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Ox 30

Hình 3.26 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 3D có tai 31

Hình 3.27 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D có tai 31

Hình 3.28 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D có tai 32

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Từ trường trái đất 3

1.1.1 Nguồn gốc của từ trường trái đất 3

1.1.2 Vai trò của từ trường trái đất 4

1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất 5

1.1.4 Ứng dụng của việc đo đạc và thăm dò từ trường trái đất 7

1.2 Hiệu ứng từ - điện 8

1.2.1 Hiệu ứng từ giảo 8

1.2.2 Hiệu ứng áp điện 9

1.2.3 Hiệu ứng từ điện 9

1.3 Sensor đo từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện 11

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT 12

2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 12

2.2 Cách sử dụng phần mềm và các cấu hình cần mô phỏng 15

2.2.1 Cách sử dụng phần mềm 15

2.2.2 Các cấu hình cần mô phỏng 16

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 17

3.1 Cấu hình 1D 17

3.2 Cấu hình 2D 20

3.2.1 Cảm biến thanh chưa cải tiến: 20

3.2.2 Cảm biến thanh cải tiến 24

3.3 Cấu hình 3D 27

3.3.1 Cảm biến 3D không tai 28

KẾT LUẬN 33 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

1 Lý do chọn đề tài

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

bị đo từ trường 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 dạngdựa trên nhiều hiệu ứng vật lý khác nhau Mỗi hiệu ứng đều có ưu và nhược điểm riêngtùy thuộc vào mục đích và phạm vi sử dụng Trong số các cảm biến có thể hoạt độngđược trong vùng từ trường trái đất, hiện nay, hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợpđồng thời cả pha từ (có tính chất từ giảo) và pha điện (có tính chất áp điện) đang đượcđặc biệt quan tâm nghiên cứu trên thế giới hiện nay Khóa luận này sẽ tập trung môphỏng với mục đích tối ưu về cấu hình, thiết kế để tối ưu hóa các thông số hoạt độngcảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựatrên nguyên tắc đo đạc và phân tích tín hiệu điện thế lối ra từ pha áp điện khi pha từgiảo chịu tác dụng của từ trường ngoài

Khóa luận sẽ tập trung về mô phỏng và tính toán hoạt động cảm biến sử dụngphần mềm mô phỏng chuyên dụng Ansys Maxwell (Canonsburg, PA, USA) để địnhhướng chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện cho độ nhạy cao

Kết quả của mô phỏng được dùng để chế tạo cảm biến đo từ trường với độ nhạycao và độ phân giải lớn trong vùng nanô-tesla (nT) cho phép hướng đến các ứng dụng

để đo đạc và khảo sát từ trường trái đất

2 Mục đích nghiên cứu

Mô phỏng tính toán và thiết kế tối ưu cảm biến đo từ trường trái đất 3D hoạtđộng dựa trên hiệu ứng từ - điện phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chính của khóa luận là mô phỏng tính toán cảm biến đo từ trường tráiđất 3D hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng phần mềm mô phỏng và chế tạo

đo đạc thử nghiệm cảm biến để kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá độ tin cậycủa kết quả nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Tổng quan lý thuyết về từ trường trái đất, hiệu ứng từ điện và sensor dựa trên hiệu ứng từ-điện

- Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell

- Mô phỏng tính toán và tối ưu cấu hình và kích thước vật liệu chế tạo cảm biến

1.1 Từ trường trái đất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất làmột nam châm khổng lồ Ngày nay qua đo đạc thực tế, ta thấy nhận xét trên là đúng:Trái đất là một nam châm khổng lồ Cường độ và hướng của từ trường Trái đất phụthuộc vào vị trí địa lý Tuy nhiên vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng nguồn gốc cho từtrường Trái đất.

1.1.1 Nguồn gốc của từ trường trái đất

Năm 1940, một số nhà vật lý đặt ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc

từ trường của Trái đất Từ trường Trái đất do nhiều nguồn đóng góp, trong đó 99% docấu tạo bên trong lòng trái đất (các dòng kim loại lỏng đối lưu) và 1% do dòng điện củacác ion trong tầng điện ly tạo ra (liên quan đến biến thiên từ trường ngày đêm, bão từ)

Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất do nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt.Trong lõi Trái đất có nhiệt độ rất cao, do sức nóng từ trong nhân, sắt sẽ nóng chảy trànlên bề mặt nhân, sau đó nguội đi và lại chìm dần xuống phía dưới Do chuyển động tựquay quanh mình của Trái đất nên dòng chất lỏng chảy theo đường xoắn ốc Sự chuyểnđộng của sắt sẽ làm xuất hiện một nguồn điện và khi có dòng điện thì sẽ xuất hiện từtrường

Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm Từtrường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của Trái đất, gọi là cực từ Tuyvậy nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà nghiêng một góc 11.5° so vớitrục quay (xem Hình 1.1) Cực bắc từ không cố định mà thay đổi liên tục nhưng đủchậm để nên la bàn vẫn có thể điều hướng Trong một thời gian ngẫu nhiên cỡ vài trămngàn năm thì từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía nam thay đổi địa từvới nhau)

Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển Nó tạothành một cái vỏ bảo vệ xung quanh trái đất Do mặt trời không ngừng phát ra các hạttích điện, hay được gọi là gió mặt trời Từ trường trái đất có khả năng cản gió mặt trời

và dẫn nó đi vòng qua trái đất Tuy nhiên nó bị biến dạng bởi gió mặt trời nên phần

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

1.1.2 Vai trò của từ trường trái đất

Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại đóng vai trò vô cùng quan trọng Nónhư một tấm màn chắn trái đất khỏi gió mặt trời và bảo vệ mọi sự sống trên hành tinhtrước các hiệu ứng có hại của tia vũ trụ Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ khôngngừng bị các bức xạ có hại từ vũ trụ chiếu xuống và sự sống sẽ không thể duy trì trêntrái đất

Ngoài ra, từ trường trái đất còn giúp các sinh vật trong việc xác định phươnghướng cho động vật như kiến, chim, rùa, cá mập… định hướng nhờ cảm nhận từ trườngcủa nhân trái đất bằng hệ thống các giác quan của mình Vào thế kỷ 4 trước côngnguyên, con người cũng đã biết chế tạo la bàn từ nam châm vĩnh cửu để xác địnhphương hướng Cho đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, conngười đã nghiên cứu tạo ra các thiết bị định vị toàn cầu thông qua việc đo đạc và phântích từ trường trái đất

Bên cạnh các ứng dụng hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều hiểm họa trong thế giớihiện đại Ví dụ như dòng cảm ứng địa từ trường sinh ra khi có bão từ, chúng tác độngnghiêm trọng nên các hệ thống máy móc điện tử.

1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất

Cường độ của từ trường trái đất

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

Nó giống như một thỏi nam châm nên đường sức tại các cực sẽ mau hơn vậy nên cường

độ của từ trường Trái đất lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo Độlớn của cường độ từ trường cỡ nanoteslas (nT) hoặc gauss (1 gauss = 100.000 nT) Nódao động trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [7]

Hướng của từ trường trái đất

Trong các nghiên cứu về từ trường Trái đất, một số thông số sau thường được đođạc, khai thác và sử dụng:

 Dị thường từ: giá trị trường từ sau khi đã thực hiện hiệu chỉnh trường từ bìnhthường và biến thiên từ

 Từ trường tổng cộng: Từ trường tổng cộng do tất cả các nguồn đóng góp tạo ra,

 Thành phần từ trường nằm ngang: là thành phần hình chiếu của vector từ trườngtổng cộng 𝐻⃗⃗𝑇 trên mặt phẳng nằm ngang (horizontal), kí hiệu HH

 Thành phần thẳng đứng: là thành phần hình chiếu của vector từ trường tổng cộng

 Góc nghiêng từ: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng ngang tại vịtrí quan sát Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua việc sử dụng kimnam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ Do lực của các đườngsức trên Trái Đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽchúi xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở nam bán cầu (giá trị âm).Người ta gọi là độ từ khuynh hay độ nghiêng từ (magnetic dip or magneticinclination)

 Góc lệch từ: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý Kinh tuyến từ làcác đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất gọi là độ từ thiên hay độ lệch từ(magnetic declination)

Cách xác định từ trường trái đất

Tuy công nghệ phát triển và đã có các hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đạinhư hiện nay thì mô hình trường địa từ vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xâydựng thành một hệ thống định vị GPS như là một phương án dự phòng Mô hình trườngđịa từ cũng rất quan trọng trong thăm dò khoáng sản và lập bản đồ của các đứt gãytrong lòng đất có thể dẫn đến động đất nguy hiểm [4]

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

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 thamchiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center)

Hình 1.2 Cách xác định vector từ trường trái đất

đứng hướng xuống Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là hướngchỉ 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 tươngứng là +90o và -90o

1.1.4 Ứng dụng của việc đo đạc và thăm dò từ trường trái đất.

Việc đo đạc và thăm dò và định vị từ trường trái đất được ứng dụng trong rấtnhiều lĩnh vực như sau:

- Thăm dò khoáng sản

Sự có mặt của vật chất có từ tính như quặng sắt (magnetite) trong đất đá, gây ra

sự thay đổi của từ trường tại vị trí đó Nếu đo đạc và tính toán sẽ đo ra dị thường từ đặctrưng cho khối quặng đó Mức độ xáo trộn này phụ thuộc vào vị trí và kích thước vậtthể từ tính

- Thăm dò nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt)

Những lớp trầm tích ở trên nguồn dầu thô sẽ làm thay đổi từ trường của Trái đất.Bằng cách sử dụng các thiết bị khảo sát từ trường, thiết bị thăm dò không người lái cótích hợp cảm biến có thể đi qua vùng biển nào đó và định vị chính xác những vùng từtrường bất thường Từ đó tìm ra những vị trí của nguồn dầu phía dưới

- Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở ở các vùng có nguy cơ xảy ra

thiên tai

Thông qua đo đạc và theo dõi tính dị thường từ trường trái đất theo thời gian tạimột địa phương nào đó, dữ liệu giúp ta có thể phán đoán được nguy cơ xảy ra biếnđộng hoặc thiên tai sắp xảy ra Đối với các phương pháp khác, thời gian phát hiện dấuhiệu có động đất thường rất ngắn (dưới 1 giờ), tuy nhiên khi sử dụng phương pháp từtrường có thể cảnh báo trước từ 5-8 giờ

- Ứng dụng trong quân sự để dò tìm và phát hiện tầu ngầm, bom mìn, đạn dược,

thủy lôi và các vật thể có tính từ dưới biển:

Từ trong chiến tranh thế giới thứ 2 người ta đã sử dụng các thiết bị đo từ tính đểphát hiện dị thường tại phổ từ trường đã biết trong không gian, từ đó xác định vị trí tàungầm và các vật có tính sắt từ nằm ở dưới đáy biển thông qua lập bản đồ trường địa từ

bom mìn, đạn dược, thuỷ lôi và chưa nổ dưới biển hiện đang được sử dụng phổ biến.Khi có một vật thể có thể nhiễm từ nằm trong vùng từ trường của trái đất thì từ trườngcủa trái đất sẽ làm cho vật thể bị nhiễm từ, dẫn đến làm biến dạng cục bộ từ trường củatrái đất tại điểm đó Sau đó sử dụng thiết bị từ kế sẽ ghi lại được vị trí Độ biến dạngcủa từ trường phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng, kích thước, độ sâu, độ từ thẩmhay khả năng nhiễm từ của vật, độ nghiêng từ tại vị trí Đây là một ứng dụng phục vụcho quân đội để bảo vệ chủ quyền biển đảo.

Ngoài ra, cảm biến từ trường còn vô vàn các ứng dụng liên quan khác như cungcấp các thông tin có giá trị trong việc định vị đường ống chôn, cáp điện, khảo cổ, thăm

ra khi đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu và có tương tác spin – quỹ đạomạnh Khi đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu thì tương tác tĩnh điện trởthành bất đẳng hướng Dưới tác động của từ trường ngoài, momen từ bị thay đổihướng làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử bị thay đổi (Hình 1.3)

Trường hợp này ta có thể quan sát được hiện tượng từ giảo nhưng mức độ khácnhau phụ thuộc vào tương tác spin – quỹ đạo Khi đám mây điện tử có dạng đối xứngcầu (momen quỹ đạo bằng 0) thì tương tác tĩnh điện là đẳng hướng Dưới tác dụng của

từ trường ngoài, momen từ bị thay đổi hướng nhưng không kéo theo sự thay đổikhoảng cách giữa các nguyên tử và do đó biến dạng từ giảo nhỏ

1.2.2 Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện xảy ra trên một số loại vật liệu điện môi dạng gốm có độ phâncực điện tự phát, hiệu ứng xuất hiện khi vật liệu áp điện bị biến dạng cơ học (do ngoạilực tác dụng hay tác dụng của điện trường ngoài) dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữacác ion dẫn đến các momen lưỡng cực và độ phân cực điện trong tinh thể bị thay đổi vàlàm xuất hiện một điện trường thứ cấp trong vật liệu (Hình 1.4)

Hình 1.4 Hình minh họa hiệu ứng áp điện

khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) [3] 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 gọi là multiferroic

Vật liệu tổ hợp là vật liệu được ghép từ các lớp vật liệu Khi hoạt động, dưới tácdụng của từ trường ngoài, do có hiệu ứng từ giảo nên pha sắt từ bị biến dạng thay đổikích thước sinh ra một ứng suất tác dụng lên pha áp điện Sau đó do hiệu ứng áp điệnnên độ phân cực điện bên trong vật liệu này thay đổi [2] làm hai mặt đối diện của vậtliệu xuất hiện các điện tích trái dấu, qua đó ta đo được điện áp lối ra.

Hình 1.5 Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu từ - điện

Hình 1.6 Nguyên lí làm việc của hiệu ứng từ điện thuận trong vật liệu tổ hợp

Hiệu ứng từ - điện đặc trưng bởi hệ số từ - điện:

α = 𝑑𝐸 = 1 𝑑

𝑑𝐻 𝑡 𝑑𝐻

Chú thích:

H: Biên độ từ trường ngoài (Oe)

t: Bề dày tấm PZT (cm)

1.3 Sensor đo từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện

Năm 2002, Ryu cùng các cộng sự công bố kết quả hệ số từ điện đạt được10300mV/cm.Oe sử dụng vật liệu tổ hợp dạng tấm Terfenol-D /PZT bằng phương phápkết dính Tuy nhiên, để có kết quả như vậy thì cần phải có một từ trường ngoài rất lớn

được từ trường này nên khả năng ứng dụng được vật liệu này trong hệ vi cơ là rất hạnchế Điều này có thể được lý giải là do để bão hòa được pha từ giảo từ giảo Terfenol-Dcần phải có một từ trường rất lớn Để khắc phục hạn chế này, nhóm Junyi Zhai và cácđồng nghiệp [5, 6] đã công bố kết quả nghiên cứu một loại sensor đo từ trường trái đấtdựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm Sensor này có thểxác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường Ưu điểm là chúng hoạtđộng không cần từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều

thế nữa, cảm biến loại này còn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loạicảm biến thông thường như có thể phát hiện cả từ trường một chiều và xoay chiềuvới dải tần số lên đến MHz

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu đứng đầu là GS Nguyễn Hữu Đức, Phòng Thínghiệm Trọng điểm Công nghệ Micrô-Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại họcQuốc gia Hà Nội, đã nghiên cứu phát triển sensor từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điệndạng tấm Metglas/PZT cấu trúc dạng sandwich (Metglas/PZT/Metglas) cho hệ số thế

Từ các kết quả đã đạt được bằng thực nghiệm, chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứubằng phương pháp mô phỏng, tính toán với mục đích tìm ra cấu hình tối ưu, sau đó chếtạo cảm biến từ - điện sao cho hệ số từ điện và độ nhạy của sensor lớn nhất Khóa luậntrình bày quy trình mô phỏng để tối ưu hóa hình dạng cảm biến, phục vụ cho quy trình

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng

Phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell 16.0 là phần mềm mô phỏng điện từtrường dành cho người nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện từ và cơ điện như động cơ,cuộn dây hay cảm biến Phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyếttĩnh, miền tần số và các lĩnh vực liên quan đến trường điện từ khác nhau Ưu điểm củaphần mềm này khả năng giải quyết tự động, tức là chỉ cần nhập dữ liệu về cấu hình cần

mô phỏng, thông số vật liệu và các điều kiện liên quan, phần mềm ANSYS Maxwell sẽtạo ra các lưới tự động để giải ra kết quả hoạt động của vật mô phỏng

Sau khi đã có ý tưởng về hình dạng, thông số cảm biến, ta sử dụng thanh công

cụ để thiết kế các cấu hình cần mô phỏng Khi gặp những những cấu hình và chi tiếtphức tạp thì phần mềm cho phép liên kết tích hợp với những phần mềm chuyên để vẽthiết kế đồ họa khác ANSYS Maxwell cho phép mô phỏng 3D trực quan thông quaviệc khai báo các điều kiện như kích thước, vật liệu cấu thành, môi trường làm việc, từtrường đồng nhất hay không đồng nhất và chiều của dòng điện trong dây dẫn trên một

hệ trục tọa độ không gian (Hình 2.1) Trong thư viện vật liệu của phần mềm có khá đầy

đủ các vật liệu từ điển hình, ngoài ra chúng ta cũng có thể tự khai báo thành phần,thông số của các vật liệu mà ta sử dụng trong chế độ tùy chỉnh

Hình 2.1 Chế độ vẽ 3D của phần mềm ANSYS Maxwell