Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị từ kế vector độ nhạynanotesla dựa trên vật liệu sắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT d jk Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực ĐTNL Cấu hình đa thanh nối liền ĐTTR Cấu hình đa thanh tách rời e Phần kéo dài của các thanh vật liệu EDX P

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA

DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN

DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO

PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI – 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA

DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN

DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO

PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano

Mã số: 8440126.01QTD

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Thị Hương Giang

HÀ NỘI – 2020

LỜI CẢM ƠN

Những nội dung nghiên cứu trong luận văn này được tôi hoàn thiện dưới sự hướng dẫn đến từ cán bộ hướng dẫn và sự giúp đỡ từ các anh chị cùng công tác trong nhóm nghiên cứu

Đầu tiên, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Đỗ Thị Hương Giang,

cô đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ luận văn này Bên cạnh những kiến thức chuyên môn và kỹ năng trong nghiên cứu thì cô còn là người đã truyền cho tôi rất nhiều động lực bằng chính lòng nhiệt huyết và sự nghiêm túc trong công việc của cô Bên cạnh đó, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các anh chị trong nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và các thầy cô trong Khoa Vật lý kỹ thuật đã giảng dạy và giúp đỡ cho tôi trong thời gian học tập và làm việc Cuối cùng tôi xin được cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và trường Đại học Công Nghệ đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thiện tốt luận văn này

Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phần của Đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện và kỹ thuật GPS” Mã số ĐTĐL.CN-02/17

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi và trong đó hoàn

toàn không có sự sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác mà

không chú thích rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo Những kết quả và các số liệu

trong luận văn chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tôi xin hoàn toàn

chịu trách nhiệm, trước nhà trường về những điều tôi cam đoan trên

Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2020

Tác giả

Nguyễn Việt Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về từ trường Trái đất 4

1.1.1 Nguồn gốc của từ trường Trái đất 4

1.1.2 Cường độ từ trường Trái đất 5

1.1.3 Thành phần của từ trường Trái đất 6

1.2 Ứng dụng của từ trường Trái đất 7

1.3 Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất 10

1.4 Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện 12

1.4.1 Tổng quan về cảm biến từ-điện 12

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện 13

1.4.3 Đặc điểm của cảm biến từ-điện 14

1.5 Vật liệu từ-điện và hiệu ứng từ-điện 16

1.5.1 Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) 16

1.5.2 Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) 17

1.5.3 Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện 17

1.6 Từ kế vector 20

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Mô phỏng tính chất từ của FeSiC 21

2.2 Khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC 22

2.2.1 Khảo sát tính chất từ 22

2.2.2 Khảo sát bề mặt và độ dày 23

2.2.3 Khảo sát thành phần vật liệu 23

2.3 Chế tạo cảm biến từ-điện FeSiC/PZT 23

2.4 Khảo sát tín hiệu và thông số của các cảm biến 25

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Kết quả mô phỏng 27

3.2 Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC 31

3.2.1 Khảo sát tính chất từ 31

3.2.2 Khảo sát thành phần vật liệu 33

3.2.3 Khảo sát cấu trúc bề mặt và độ dày 33

3.3 Kết quả khảo sát các cấu hình cảm biến 35

3.3.1 Khảo sát cảm biến với cấu hình nối liền 35

3.3.2 Khảo sát cảm biến với cấu hình nhiều thanh 37

3.4 Kết quả khảo sát tín hiệu cảm biến dạng dãy 41

3.5 Kết quả khảo sát độ nhạy và độ phân giải của cảm biến 42

3.6 Tối đa hóa tín hiệu của cảm biến 44

KẾT LUẬN 47

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

d jk Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực

ĐTNL Cấu hình đa thanh nối liền

ĐTTR Cấu hình đa thanh tách rời

e Phần kéo dài của các thanh vật liệu

EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray

spectroscopy)

F Cường độ từ trường tại điểm đo

f ch Tần số cộng hưởng của cảm biến

FeSiC Vật liệu băng từ Fe96Si2C2

g Khoảng cách giữa hai thanh vật liệu trong cấu hình đa thanh

H Cường độ từ trường ngoài

h 0 Biên độ từ trường xoay chiều

h ac Cường từ trường xoay chiều

H c Lực kháng từ

H d Từ trường khử từ

H dc Từ trường một chiều

H eff Từ trường hiệu dụng

H s Từ trường bão hòa

Hx, Hy, Hz Các vector thành phần trong hệ tọa độ

k H Hệ số chuyển đổi của cuộn Helmholtz

K p Hệ số máy đo từ trường proton

L Chiều dài mẫu vật liệu trong chế tạo

L_tg Chiều dài mẫu vật liệu mô phỏng

n Số thanh vật liệu từ giảo trong cấu hình

P j Độ lớn vector phân cực điện

PZT Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3

q ac Điện lượng biến thiên

Q dc Điện tích cảm ứng trong vật liệu áp điện

r Độ đồng nhất của mật độ từ thông

SEM Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)

t Độ dày của vật liệu

V ac Điện áp xoay chiều kích thích

V ME Thế từ điện

VSM Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer)

W Chiều rộng mẫu vật liệu trong chế tạo

W_tg Chiều rộng mẫu vật liệu mô phỏng

W m Kích thước của thanh vật liệu từ giảo

α E Hệ số từ-điện

δ - , δ + Điện tích ở hai mặt của vật liệu áp điện

λ(µ 0 H) Từ giảo khi có tác dụng của từ trường H

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33] 2

Hình 1.1 Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA) 4

Hình 1.2 Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS) 5

Hình 1.3 Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center) 6

Hình 1.4 Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát 8

Hình 1.5 Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu 8

Hình 1.6 Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm 9

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate 10

Hình 1.8 Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton 11

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử 12

Hình 1.10 Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3] 14

Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ trường ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b) 15

Hình 1.12 Sơ đồ phân loại các loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32] 17

Hình 1.13 Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ 18

Hình 1.14 Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục và mô hình của từ kế vector với ba cảm biến đơn trục 20

Hình 2.1 Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 22

Hình 2.2 Vật liệu PZT dạng tấm (a); vật liệu FeSiC dạng màng mỏng (b) 24

Hình 2.3 Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 và máy tính điều khiển 24

Hình 2.4 Sơ đồ lắp đặt hệ đo khảo sát tín hiệu cảm biến 26

Hình 3.1 Kết quả mô phỏng phân bố từ thông (a); Cảm ứng từ hiệu dụng Beff trên toàn bộ thể tích của vật liệu (b) 28

Hình 3.2 Phân bố từ thông trên bề mặt của tấm vật liệu từ giảo với các cấu hình (a);

Độ đồng nhất về phân bố từ thông trong vùng khả dụng của các cấu hình (b) 30

Hình 3.3 Đường cong từ hóa của vật liệu FeSiC 0.8x50 mm 32

Hình 3.4 Kết quả đo phân tích thành phần vật liệu FeSiC 33

Hình 3.5 Ảnh chụp SEM độ dày của vật liệu FeSiC 34

Hình 3.6 Ảnh chụp SEM bề mặt của vật liệu FeSiC 34

Hình 3.7 Mô tả các cấu hình cảm biến được chế tạo 35

Hình 3.8 Tín hiệu của cảm biến theo tần số (a); Tín hiệu của cảm biến theo từ trường ngoài (b) 36

Hình 3.9 Kích thước thanh và khoảng rỗng giữa hai thanh vật liệu 38

Hình 3.10 Tỷ số hiệu ứng “shear lag” theo số thanh (màu đỏ); Tỷ số tỷ phần thể tính giữa hai pha vật liệu (màu đen) 38

Hình 3.11 Cảm biến với cấu hình đa thanh nối liền chế tạo được 39

Hình 3.12 Kết quả tín hiệu cảm biến (a) và Hệ số từ-điện và độ nhạy với số thanh khác nhau (b) 39

Hình 3.13 Cấu hình tối ưu của vật liệu từ giảo trong cảm biến từ-điện (a); Cấu tạo cảm biến từ-điện với cấu hình tối ưu (b) 41

Hình 3.14 Kết quả tín hiệu cảm biến của các cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến khác nhau (a); Hệ số từ-điện với cảm biến dãy có số đơn vị khác nhau (b) 42

Hình 3.15 Tín hiệu của cảm biến dãy trong dải từ trường thấp (a); Tín hiệu cảm biến theo bước nhảy cố định (b) 43

Hình 3.16 Tín hiệu thả trôi của cảm biến trong từ trường (a); Đồ thị phân bố kết quả thả trôi của hai cảm biến dãy với m = 1 và m=4 (b),(c) 43

Hình 3.17 Tín hiệu cực đại của cảm biến khi tăng từ trường kích thích 45

Hình 3.18 Độ nhạy tín hiệu cảm biến khảo sát trong một vùng từ trường rất nhỏ 45

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ trở lại đây, các nghiên cứu liên quan tới từ trường Trái đất đang ngày một phổ biến và cho thấy những lợi ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Từ trường Trái đất cũng đóng một vai trò quan trọng, khi xem xét một cách

vĩ mô nó là lớp khiên chắn, bảo vệ chúng ta khỏi những bức xạ tiêu cực từ ngoài vũ trụ, còn ở góc độ vi mô thì chúng giúp ta đang dự đoán những hiểm họa thiên nhiên, thăm dò, khảo sát và tìm kiếm những nguồn năng lượng hóa thạch Tuy từ trường không thể quan sát thấy bằng mắt thường, nhưng nếu vận dụng đúng cách thì bằng từ trường chúng ta có thể “thấy” được những thứ chúng ta không thể nhìn thấy Để làm được điều này chúng ta cần phải ghi nhận được những tín hiệu rất nhỏ (cỡ 10-4 Tesla) của từ trường Trái đất Việc này buộc chúng ta phải thực hiện thông qua những thiết bị

có độ nhạy rất cao đủ để có thể khảo sát được vùng từ trường thấp này

Đến nay, các nhà khoa học vẫn đang tiến hành nghiên cứu nguyên lý, tính chất và hiệu ứng của nhiều loại vật liệu để tạo ra những cảm biến từ trường có độ nhạy cao cho phép ghi nhận tín hiệu từ trường Trái đất Trong đo có thể kể đến một số loại cảm biến nổi bật hiện nay như cảm biến từ flux-gate, cảm biến proton hay cảm biến từ lượng tử,…Mỗi loại cảm biến này lại sở hữu những ưu điểm và nhược điểm riêng nên chúng sẽ có những mục đích ứng dụng thích hợp

Gần đây, có một loại vật liệu đang nổi lên và rất được quan tâm bởi tiềm năng của vật liệu này có thể sẽ thay thế các vật liệu truyền thống đã giảm dần đi sức hút Đó chính là vật liệu từ-điện ở dạng phổ biến hiện nay là dạng tổ hợp đa pha từ vật liệu sát

từ và sắt điện Ưu điểm vượt trội của vật liệu này là dễ dàng trong thiết kế, công nghệ chế tạo đơn giản và điện kiện làm việc ở nhiệt độ phòng Chính những ưu điểm này đã tạo ra tiềm năng lớn để khai thác vật liệu này vào các ứng dụng trong đời sống Cụ thể

đã có một số ứng dụng đã có được đưa vào sử dụng như thiết bị chuyển đổi tín hiệu [26], thiết bị lưu trữ thông tin [21] và nổi bật nhất là ứng dụng trong chế tạo cảm biến

từ trường với độ nhạy cao [1,3,23]

Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) hay còn được gọi là vật liệu đa pha sắt từ-sắt điện thuộc trong nhóm các vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) với hiệu ứng từ-điện cho phép chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng từ sang năng lượng điện Cảm biến chế tạo từ vật liệu này có thể ứng dụng được trong các khảo sát và đo đạc từ trường Trái đất, thăm dò khoáng sản, nhiên liệu, cảnh bảo sớm thiên tai và các ứng dụng trong quân sự khác Sức hút này được thể hiện rõ nhất qua số lượng các bài báo và công bố với nội dung liên quan đến vật liệu này đang có xu hướng tăng lên Sự phổ biến của các

nghiên cứu liên quan về nội dung này với từ khóa là Magnetoelectric và Multiferroic

được thể hiện trong hình 1

Hình 1 Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33]

Ban đầu, các nghiên cứu về vật liệu này tập trung vào dạng vật liệu đơn pha [19], sau đó phát triển sang vật liệu dạng khối đa pha [34] và gần đây các nghiên cứu vật liệu từ-điện chuyển hướng mạnh sang nghiên cứu vật liệu dạng tổ hợp đa pha Xu hướng phát triển này diễn ra bởi trong một vài nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng độ nhạy của cảm biến này có thể cải thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa cấu hình thiết kế của cảm biến chế tạo [1,29]

Từ những cơ sở trên, luận văn đặt mục tiêu chế tạo ra cảm biến đo từ trường có

độ nhạy nanoTesla dựa trên nền tảng của các nghiên cứu về hướng ứng dụng này đã được công bố trước đây Với hướng tiếp cận chính để đạt được mục tiêu trên là cải thiện và tối ưu hóa cấu hình của cảm biến, thông qua hai cách là cải thiện cấu hình dưa trên các yếu tố ảnh hướng tới tín hiệu cảm biến và cải thiện độ phân cực điện cảm biến bằng phương pháp ghép dãy

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tín hiệu của cảm biến dựa trên vật liệu sắt sắt điện tuy nhiên trong luận văn này một số yếu tố sẽ tác động trực tiếp sẽ được tập trung Việc tối ưu cấu hình cho cảm biến cũng sẽ bám sát theo những yếu tố là tính đơn trục của cảm biến, hiệu ứng “shear-lag”, tỉ phần thể tích và sự tiểu hình hóa cho cảm biến Theo hướng nghiên cứu như trên luận văn sẽ lựa chọn nghiên cứu trên hai loại vật liệu sắt từ và sắt điện phổ biến và sẵn có trên thị trường hiện nay là băng từ FeSiC và áp điện PZT Bên cạnh đó luận văn cũng kế thừa những kết quả nghiên cứu

từ-đã được công bố để tối ưu thời gian nghiên cứu cho luận văn

Trong khoảng thời gian thực hiện, theo mục tiêu và hướng nghiên cứu đặt ra, các nội dung cụ thể sau sẽ được tiến hành nghiên cứu:

* Khảo sát và phân tính chất của vật liệu sắt từ FeSiC

* Thiết lập thông số vật liệu, dự đoán cấu hình và tiến hành mô phỏng mật độ tập trung từ thông độ, đồng đều của từ thông trên bề mặt của vật liệu sắt từ FeSiC với các cấu hình khác nhau nhằm so sánh hiệu quả của cấu hình

* Chế tạo các cảm biến theo những cấu hình đã mô phỏng để đánh giá hiệu quả cải thiện tín hiệu của cảm biến theo cấu hình trong thực tế đo đạc

* Đánh giá kết quả tín hiệu của cảm biến thu được với các cấu hình khác nhau, từ kết quả đưa ra kết luận về cấu hình tối ưu nhất

* Chế tạo các cảm biến với cùng cấu hình tối ưu nhất và tiến hành ghép nối các đơn cảm biến này thành một cảm biến có cấu trục dạng dãy Khảo sát tín hiệu lối

ra của các cảm biến dạng dãy với số đơn cảm biến khác nhau và đánh giá hiệu quả

* Sử dụng cảm biến có kết quả tín hiệu lớn nhất đã chế tạo được để khảo sát, đánh giá và tính toán độ nhạy và độ phân của cảm biến

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về từ trường Trái đất

Theo các phép đo đạc niên đại phóng xạ và những bằng chứng khoa học khác, các nhà khoa học nhận định rằng Trái đất được hình thành từ hơn 4,5 tỷ năm trước và

là vật thể thiên văn duy nhất được biết đến có tồn tại sự sống Nhiều nhà khoa học đã chứng minh rằng hành tinh của chúng ta đang được bảo vệ khỏi những “cơn giận dữ” của Mặt trời bởi một “bong bóng” từ tính khổng lồ gọi là từ quyển hay từ trường Trái đất Nó làm lệch đi hầu hết các nguyên tử mang năng lượng cao từ Mặt trời quét về hướng chúng ta Điều này cho thấy rằng, rõ ràng là từ trường Trái đất đã bảo vệ Trái đất và giúp nơi đây trở thành một hành tinh có sự sống

Hình 1.1 Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA)

Bên cạnh lợi ích mang tính vĩ mô như vật thì xuyên suốt lịch sử loài người đến này từ trường Trái đất đã trở thành một lĩnh vực khoa học riêng, được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống Lần đầu tiên vào năm 1600, nhà vật lý William Gilbert đã là người đầu tiên giải thích về sự tồn tại từ trường trên Trái đất, ông đã ví Trái đất như một thanh nam châm khổng lồ Tuy nhiên, điều mà đến nay vẫn còn đang gây ra tranh luận giữa những nhà khoa học lại là nguồn gốc thực sự của từ trường Trái đất là gì?

1.1.1 Nguồn gốc của từ trường Trái đất

Trong hệ mặt trời của chúng ta, Trái đất và sao Thủy là hai hành tinh đặc biệt, với mỗi hành tinh được bảo vệ bởi một lớp từ trường riêng biệt có nguồn gốc xuất phát

từ chính bản thân của hai hành tinh Vào năm 1940, giả thuyết “geodynamo” đã được đưa ra bởi một số nhà vật lý để giải thích cho nguồn gốc của lớp từ trường này trên

Trái đất Giả thuyết này cho rằng nguồn gốc tạo ra từ trường của Trái đất được bắt đầu

từ lớp lõi ngoài của hành tinh cách bề mặt Trái đất khoảng 2900 km và được cấu tạo chủ yếu từ sắt là các vật liệu dẫn điện khác Nhiệt độ tại lõi ngoài của Trái đất nơi được cho là đã tạo ra từ trường có thể lên đến 6000oC [10]

Ban đầu, do sức nóng tạo ra từ lõi trong của Trái đất, các vật chất ở lõi ngoài sẽ

bị nóng chảy Dòng vật chất này sẽ chuyển động cùng với chuyển động tự quay và quay quanh Mặt trời của Trái đất đã tạo thành các dòng xoáy, từ đó tạo ra từ trường tán xạ bao bạo lấy Trái đất [24] Từ trường này sẽ liên tục được tạo ra trong một vòng lặp tuần hoàn của vật chất bên trong lõi Trái đất Các dòng vật chất trong lõi này đủ mạnh mẽ để có thể tạo ra những đường sức khuếch tán ra xa bên ngoài không gian và bảo vệ lấy toàn bộ Trái đất Đường sức từ này có hình dạng như đường sức từ của một thỏi nam châm, kéo dài từ cực Bắc xuống cực Nam của Trái đất Lý thuyết này còn được gọi là lý thuyết “máy phát điện” và đây cũng là lý thuyết khả thi nhất đến nay để

lý giải cho nguồn gốc về từ trường Trái đất [17]

Hình 1.2 Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS)

1.1.2 Cường độ từ trường Trái đất

Cường độ từ trường của Trái đất lần đầu được đo bởi Johann Carl Friedrich Gauss vào năm 1835 và được đo lại nhiều lần kể từ đó [30] Cường độ từ trường thường được đo bằng đơn vị Gauss (G), tuy nhiên trong nhiều báo cáo khoa học được công bố gần đây, đơn vị cường độ từ trường được sử dụng nhiều hơn là nanoTesla (nT) với 1 Gauss = 100.000 nT Cường độ từ trường đo được trên bề mặt Trái đất dao động trong khoảng 23.000 nT đến 62.000 nT, tại Việt Nam giá trị này vào khoảng 40.000 nT [15]

Nếu so với từ trường của một thỏi nam châm thông thường có cường độ từ vài chục đến vài trăm Gauss thì từ trường của Trái đất là nhỏ hơn rất rất nhiều Từ trường trên bề mặt của Trái đất tại những vị trí khác nhau là khác nhau, với cường độ mạnh nhất tại hai cực và yếu dần về xích đạo Tuy nhiên, các thay đổi của cường độ từ trường không phải là tuyến tính giữa hai cực mà là thay đổi theo cả không gian và thời gian Ở hai cực từ, từ trường gồm nhiều các thành phần thẳng đứng với về bặt Trái đất hơn còn ở xích đạo các đường sức nằm ngang lại xuất hiện nhiều hơn Hai vị trí có từ trường thẳng đứng gọi là Bắc cực từ và Nam cực từ Hai cực từ của từ trường Trái đất tạo với trục của Trái đất một góc nghiêng 11,3 độ và có cực Bắc Nam ngược với cực

địa lý của Trái đất

Bằng cách đo và lập biểu đồ thể hiện các đường đẳng từ là đường nối những vị trí có cùng cường độ từ trường trên bề mặt chúng ta có thể khảo sát được đặc điểm từ trường ở một khu vực nhất định Điều này mang lại nhiều ý nghĩa bởi có nhiều yếu tố tác động đến từ trường tại một khu vực như các nguồn từ trường ẩn dưới lớp vỏ Trái đất, từ trường của môi trường xung quanh và từ trường nền Hiện tại trên Trái đất, những biến động từ trường đang được đo đạc và ghi nhận bởi 170 đài quan sát địa từ trên khắp thế giới [10] Việc này giúp chúng ta dự đoán sớm được các sự biến đổi bất thường của thời tiết hoặc thiên tai trên Trái đất

1.1.3 Thành phần của từ trường Trái đất

Từ trường Trái đất luôn luôn có hướng và độ lớn tại mọi điểm trong không gian

Ba thông số đặc trưng để mô tả cho một vector từ trường là cường độ từ trường F tại điểm đo; góc từ trường tạo ra với phương ngang hay còn được gọi là góc nghiêng từ I

và độ suy giảm hay độ từ thiên D là góc giữa kinh tuyến và vector thành phần trên mặt

phẳng ngang [28] 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)

Hình 1.3 Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center)

Thông thường, véc tơ từ trường được phân tích thành ba thành phần trong hệ tọa

độ được sử dụng phổ biến là X (hướng Bắc), Y (hướng Đông) và Z (hướng xuống) Hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm Trái đất

(North-East-Center) Từ hệ tọa độ này ta có thể phân tích ra độ nghiêng từ I của từ

trường là góc tạo bởi vector từ trường Trái đất với mặt phẳng nằm ngang tại điểm quan sát Giá trị này tại hai cực từ của Trái đất tương ứng là +90o và -90o Độ từ thiên D

trong trường hợp này được xác định là góc giữa hướng Bắc địa lý và hướng Bắc từ hay chính là góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến từ của Trái đất Khi xét về độ lớn các giá trị này được xác định bằng cách sử dụng các công thức sau :

X = HcosD, Y = HsinD, Z = FsinI (1.5)

1.2 Ứng dụng của từ trường Trái đất

Những ghi nhận về sự tồn tại từ trường Trái đất đã xuất hiện từ rất lâu và đến nay

nó vẫn tiếp tục thể hiện tầm quan trọng của mình trong vai trò là một lĩnh vực khoa học Dấu ấn sơ khai nhất về khảo sát từ trường có thế kể đến là thiết bị la bàn của người Trung Quốc vào giai đoạn thế kỷ 11 [25] Đến năm 1701, bản đồ từ trường đâu tiên đã được tạo ra bởi nhà vật lý Halley, bản đồ này bao trùm toàn bộ Đại Tây Dương [31] Đến nay, một số ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực này có thể kể đến là:

* Thăm dò khoáng sản

Khảo sát từ trường là phương pháp cho phép đánh giá các vật chất có từ tính ở bên dưới lòng đất mà không phải thực hiện các phương pháp xử lý trực tiếp Từ trường tại những vị trí có mặt của nguồn từ tính mạnh như quặng sắt, hay các khối sắt thép nhân tạo sẽ có thay đổi so với từ trường địa phương Nếu tiến hành đo đạc và trừ đi phần của từ trường xung quanh có thể giúp đánh giá được đặc tính từ của khối vật liệu, điều này tùy thuộc vào bản chất từ tính của vật liệu mà các phần từ dị thường này là khác nhau

Hình 1.4 Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát

Các khảo sát thăm dò khoáng sản thường sử dụng phương pháp lập bản đồ từ trường tại những vùng có từ trường đặc biệt Bản đồ từ trường với các đường đẳng từ

sẽ giúp đánh giá được vị trí cũng như các tính chất của nguồn từ này Theo quy luật, từ trường dị thường khoảng 1 nT được tạo ra bởi 1 tấn sắt ở khoảng cách vài chục mét (100 feet) [10]

* Thăm dò nhiên liệu hóa thạch

Dựa vào đặc tính từ trường của lớp trầm tích ở bên trên các nguồn dâu thô hay than đá để ứng dụng tìm kiếm và phát hiện nguồn nhiên liệu hóa thạch Tàu thăm dò sẽ

có nhiệm vụ tìm kiếm những vùng có từ trường bất thường, định vị và ghi chép những

số liệu giúp phát hiện ra những nguồn dầu nằm bên dưới biển Độ nhạy và độ phân giải của các thiết bị thăm dò càng cao thì bức tranh tổng thể về từ trường của lớp địa tầng đất đá ở khu vực thăm dò càng được biểu diễn một cách rõ ràng giúp việc khảo sát và đánh giá nhanh chóng và tiết kiệm hơn

Hình 1.5 Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu

* Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở,…

Trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, đo đạc và theo dõi biến động của từ trường Trái đất theo thời gian có thể giúp cảnh bảo sớm các hiện tượng thiên nhiên cực đoan như động đất, sóng thần hay một số thiên tai khác Đặc biệt đối với các nước nằm trong khu vực thường xuyên xảy ra thiên tai như các quốc đảo hay các nước có đường

bờ biển dài như Việt Nam Các phương pháp cảnh bảo động đất không sử dụng từ trường gặp hạn chế vì việc phát hiện thường chậm trễ, tuy nhiên với phương pháp từ trường có thể giúp cảnh bảo sớm thiên tai để đưa ra các ứng phó kịp thời hơn

* Dò tìm phát hiện tàu ngầm, thủy lôi và các vật thể sắt từ dưới đáy biển

Những cuộc chiến tranh đã kết thúc từ rất lâu nhưng nước ta cũng như một số quốc gia khác vẫn đang ngày ngày phải khắc phục hậu quả do bom mìn để lại từ những cuộc chiến này Với sự tham gia của các thiết bị dò tìm băng phương pháp khảo sát từ trường đã giúp khắc phục được phần nào những hậu quả trên Ngoài ra, trong quân sự cũng đang tập trung khai thác từ trường Trái đất để phát triển các ứng dụng liên quan như phát hiện tàu ngầm, thủy lôi, [11] Bằng phương pháp khảo sát từ trường gắn trên máy bay đã giúp cho lực lượng tuần tra hải quân triển khai các biện pháp bảo vệ vùng biển hiện nay

Hình 1.6 Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm

* Hàng không vũ trụ

Như được nhắc tới trong phần đầu, Trái đất đang được bảo vệ bởi các tác động tiêu cực từ Mặt trời bởi một lớp từ khuyển Hoạt động của vệ tinh hay các tàu thăm dò không gian bị tác động rất nhiều khi hoạt động ở bền ngoài không gian nơi cường độ

từ trường Trái đất khá thấp Các bức xạ có tác động tiêu cực này có thể gây nhiễu cho các trạm không gian hay máy tính trên máy bay Do đó, dự đoán về hoạt động từ tính, như một máy cảnh báo giúp giảm thiểu các hậu quả không mong muốn Đây cũng là một ví dụ khác về từ trường của Trái đất và là mối nguy hiểm mới trong thế giới hiện đại hiện nay

* Lĩnh vực xây dựng, khảo cổ

Lĩnh vực xây dựng và khảo cổ cũng là những lĩnh vực có khai thác các yếu tố của từ trường Trái đất Một số ứng dụng đáng chú ý như định vị đường ống, cáp điện trong xây dựng hay thăm dò phát hiện các cổ vật, công trình di tích khảo cổ,…

1.3 Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất

Ứng với mỗi dải từ trường cần khảo sẽ có những loại cảm biến hoạt động tốt trong khoảng từ trường đó Đối với cảm biến sử dụng để do từ trường của Trái đất thì

độ nhạy là yêu cầu đầu tiên cần phải đáp ứng được Do cường độ từ trường của Trái đất là rất nhỏ nên chỉ có một vài loại cảm biến đáp ứng được với dải từ trường này

* Cảm biến từ trường Flux-gate

Cảm biến từ Flux-gate là thiết bị hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của độ cảm từ

của vật liệu sắt từ theo từ trường ngoài H Thiết bị này sử dụng đầu thu là hai thanh

kim loại sắt từ, thường là permalloy và hai cuộn dây quấn quanh dọc lõi sắt từ kích thích nhằm tạo từ trường để từ hóa thanh sắt từ Một cuộn thứ cấp được sử dụng để thu tín hiệu cảm ứng sẽ được cuốn dọc theo hệ này theo hướng ngược lại với cuộn dây kích thích Thiết bị này chỉ đo được thành phần của vector từ trường dọc theo trục cuộn dây Ngay nay, bằng việc tổ hợp hệ thống ba cảm biến trực giao với nhau cho phép cảm biến này đo từng thành phần của từ trường từ đó xác định được hướng của

từ trường Trái đất Thiết bị dựa trên hiệu ứng này cho độ nhạy của từ trường tốt nhất hiện nay trong khoảng 0.1 nT và độ phân giải đạt tới 0.01 nT [11]

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate

Cảm biến này có ưu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản, chi phí thấp, kích thước nhỏ, độ bền cao, làm việc ổn định và chịu được điều kiện nhiệt độ cao Tuy vậy, cảm biến loại này lại gặp phải những giới hạn do độ phân giải của dòng điện nên ở dải từ trường 40.000 nT thiết bị có độ nhạy thấp Hiệu ứng cảm ứng điện từ trong vật liệu cũng tạo ra nhiều nhiễu nền nên thiết bị này gặp hạn chế trong ứng dụng Cũng chính bởi cấu tạo gồm nhiều cuộn dây nên cảm biến này gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng

* Máy đo từ trường proton

Máy đo từ trường proton (Proton precession magnetometer) hoạt động dựa trên

đo tần số tín hiệu tuế sai của proton, hạt nhân của Hydro 1H1 khi trục quay của proton định hướng lại theo từ trường ngoài Một dung dịch chất lỏng, thường ở dạng dung dịch hoặc dầu chứa nhiều Proton có thể tích từ 0,5 đến 4 lít sẽ được quấn xung quanh bởi một cuộn dây solenoid chứa ligroin (xăng máy bay) để sử dụng làm bộ phận cảm

biến Số lần tuế sai của proton chuyển động với hệ số K p = 0,042576 Hz/nT từ đó xác định được cường độ từ trường bằng cách đếm số lần này

Thiết bị này có thời gian lấy mẫu dài (~ 1 giây) và có độ phân giải 1 nT trong dải

từ trường của Trái đất khoảng 23.000 đến 62.000 nT và 2 nT trong dải từ trường ngoài 62.000 nT Khi tăng thời gian lấy mẫu lên khoảng 3 lần thì thiết bị này có thể đo đường từ trường với độ nhạy lên tới 0.1 nT [22] Có thể thấy thiết bị này rất nhạy với vùng từ trường thấp tuy nhiên cũng có một số hạn chế khi làm việc trong dải từ trường Trái đất như: kích thước lớn, độ chính xác của cảm biến phụ thuộc nhiều vào người thực hiện phép đo, thời gian đọc tín hiệu dài, cần nguồn nuôi lớn,…

Hình 1.8 Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton

* Cảm biến đo từ lượng tử

Máy đo từ lượng tử, hay còn được biết đến với tên gọi là máy đo từ bơm quang học (Optically Pumped Magnetometer), là thiết bị đo từ hoạt động dựa trên việc quan sát hiện tượng phân tách mức năng lượng lượng tử của điện tử trong trường hạt nhân khi có từ trường bên ngoài đặt vào Máy đo từ lượng tử sử dụng hơi kim loại kiềm của một số nguyên tố như Cesium, Rabidium hay Kalium, nên thường gọi theo tên nguyên

tố đó, ví dụ như máy đo từ Cesium Những máy đo dạng này có độ nhạy rất cao với từ trường ngoài lên tới 0,001 nT với một lần đo dài cỡ 0,3 giây [13] Máy đo từ này được

sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng của ngành hàng không vũ trụ và vật lý địa cầu Cảm biến từ lượng tử yêu cầu công nghệ chế tạo rất phức tạp và tinh vi do đó giá thành của thiết bị thường rất cao

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử

* Cảm biến đo từ trường dựa trên các hiệu ứng khác

Ngoài các loại cảm biến điển hình được liệt kê ở trên thì vẫn còn những loại cảm biến từ trường khác như cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall, cảm biến từ-điện trở, cảm biến từ-điện,…Ưu điểm của những cảm biến này là dải đo từ trường rộng, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, thiết thực để ứng dụng và các thiết bị đo từ trường Trái đất nhỏ gọn cầm tay Công nghệ chế tạo của những cảm biến này cũng là ưu điểm giúp chúng có cơ hội ứng dụng trong dân dụng nhiều hơn Tuy nhiên tùy thuộc vào hiệu ứng hoặc vật liệu mà độ nhạy của các cảm biến này là khác nhau, các công ty thương mại hóa các loại cảm biến này đang nghiên cứu để cải thiện hơn nữa điểm yếu

về độ nhạy của chúng

Hiện nay, các hướng nghiên cứu về vật liệu chức năng, vật liệu lai là một trong những hướng nghiên cứu cấp thiết và được đánh giá như giải pháp cho các vấn đề trên Trong đó có một nhánh trong hướng nghiên cứu này đang rất được chú ý là cảm biến

từ dựa trên hiệu ứng từ-điện của các vật liệu tổ hợp đa pha từ giảo-áp điện Vật liệu này đang rất tiềm năng là bởi loại cảm biến dựa trên vật liệu này có rất nhiều cơ hội để cải thiện độ nhạy và độ phân giải của cảm biến Công thêm với đó là việc công nghệ chế tạo đơn giản và chi phí nguyên liệu thấp đặt ra các cơ hội rất lớn trong thực tế Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện trong tương lai được dự đoán sẽ

là thế hệ cảm biến của thế kỷ mới và đang được đẩy mạnh nghiên cứu rộng khắp Các kết quả đã chỉ ra rằng thế hệ cảm biến này với độ nhạy cao hứa hẹn có thể sẽ là công nghệ cảm biến thay thế nhiều kỹ thuật đo phức tạp và đắt tiền của thế kỷ trước

1.4 Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện

1.4.1 Tổng quan về cảm biến từ-điện

* Cảm biến từ-điện

Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện đang là một hướng nghiên cứu mới với triển vọng phát triển ứng dụng rất cao Hiệu ứng từ-điện (magnetoelectric effect) xuất hiện

trên các vật liệu tổ hợp đa pha từ giảo-áp điện (thuộc nhóm vật liệu lai đa pha) hiện nay đang được khai thác ứng dụng trong đo lường từ trường độ nhạy cao [23,25] Vật liệu từ giảo và vật liệu áp điện cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội mà có thể khắc phục được những nhược điểm của những loại cảm biến còn lại Cảm biến từ-điện hiện nay thường được chế tạo bằng phương pháp tổ hợp vật liệu đa pha từ-điện Hai pha vật liệu

là sắt từ và sắt điện khi được tổ hợp thành vật liệu khối theo dạng đa lớp thì trong vật liệu sẽ xuất hiện hiệu ứng kết hợp đặc biệt cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng

từ thành năng lượng điện và ngược lại nhờ vào hiệu ứng từ-điện

* Hiệu ứng từ-điện

Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng thể hiện sự tương tác bên trong vật liệu giữa hiệu ứng của điện trường, từ trường và ứng suất liên kết Hiệu ứng này được chia thành hai loại hiệu ứng là hiệu ứng từ-điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ-điện nghịch (converse magnetoelectric effect) Khi vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện bởi từ trường ngoài thì hiệu ứng này là từ-điện thuận, ngược lại khi tính chất từ của vật liệu bị thay đổi do điện trường ngoài thì hiệu ứng là từ-điện nghịch

Vật liệu từ-điện với hiệu ứng từ-điện thuận đang có triển vọng rất lớn cho chế tạo cảm biến từ trường Trái đất độ nhạy cao Các nghiên cứu gần đây trên vật liệu từ-điện

sử dụng trong cảm biến từ trường cho thấy kết quả độ phân giải đạt được cỡ 10 nT với

độ phân giải này thì vẫn cần phải có những cải tiến trong công nghệ chế tạo của cảm biến này để có thể so sánh với các cảm biến dạng khác

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện

Trong nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện, vật liệu pha sắt từ sẽ nhận tác động của từ trường ngoài và bị biến dạng bởi hiệu ứng từ giảo Biến dạng này tạo ra ứng suất lên pha sắt điện có hiệu ứng áp điện Khi ứng suất truyền tới tấm áp điện thông qua lớp liên kết giữa hai pha, tấm áp điện sẽ xuất hiện điện tích cảm ứng không

đổi (Q DC) Có thể coi tấm áp điện lúc này như một tụ điện nhưng chúng không thể duy

trì được điện tích và bị mất trong khoảng thời gian rất ngắn (τ) do điện tích đi vào máy

đo thông qua các chân điện cực Vậy nên, để duy trì được lượng điện tích này, một

cuộn dây solenoid cung cấp từ trường xoay chiều (h ac) được sử dụng để tạo ra các ứng

suất dạng dao động (σ ac ) Những ứng suất này tạo ra điện lượng biến thiên (q ac) trên tấm áp điện và thiết bị đo sẽ đo được tin hiệu bằng cách đo điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu áp điện [4] Cuộn dây solenoid này được bố trí để đặt toàn bộ cảm biến vào trong lòng cuộn dây để cho từ trường kích thích tạo bởi cuộn dây là đồng nhất trên toàn bộ cảm biến Tần số của điện trường xoay chiều cấp vào cuộn dây kích thích là một thông số quan trọng trong cảm biến từ-điện bởi tại tần số này giao động của cảm biến sẽ cộng hưởng với tần số của cuộn kích thích và tạo ra tín hiệu điện áp lớn nhất

Hình 1.10 Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3]

* Hệ số từ-điện

Hệ số từ-điện (magnetoelectric coefficient) ký hiệu là α E là tham số đặc trưng đại

diện cho hiệu quả ghép nối của hai pha vật liệu trong hiệu ứng từ-điện nói chung hay cảm biến từ-điện nói riêng Hệ số này phụ thuộc vào từ độ, từ trường ngoài và độ phân cực điện nội tại bên trong của vật liệu [12] Do hiệu ứng từ-điện được chia thành hai chiều là hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch nên hệ số từ-điện cũng sẽ tương ứng là hệ số từ-điện thuận và hệ số từ-điện nghịch

Trong cảm biến từ-điện thì hiệu ứng được khai thác là hiệu ứng từ-điện thuận thực hiện chuyển tín hiệu dạng từ sang tín hiệu điện Hệ số từ-điện thuận của hiệu ứng từ-điện thuận được xác định bởi công thức sau: E = dE/dH (1.6) Với E là điện trường tạo ra và H là từ trường đặt vào Hệ số từ-điện của cảm biến sẽ phụ thuộc vào từ

trường AC kích thích và từ trường đặt vào DC do đó cảm biến từ-điện có thể phát hiện

được cả từ trường AC và DC

1.4.3 Đặc điểm của cảm biến từ-điện

Mặc dù các kết quả đã được công bố trước đây về cảm biến loại này có tín hiệu với độ nhạy và độ phân giải chưa cao khi so sánh với các dòng cảm biến khác Tuy nhiên, vật liệu này được dự đoán là còn nhiều cơ hội để cải thiện về độ nhạy Bên cạnh

đó công nghệ chế tạo cảm biến từ-điện lại rất đơn giản và khai thác được những công nghệ sẵn có hiện nay Điều kiện làm việc của cảm biến từ-điện này cũng rất thuận lợi

vì nó hoạt động tốt nhất ở điều kiện nhiệt độ phòng Trong luận văn này một số yếu tố tác động tới tín hiệu của cảm biến từ-điện sẽ được nghiên cứu

Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ

trường ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b)

* Hiệu ứng “shear lag”

Một hiệu ứng quan trọng được quan tâm khi nghiên cứu về các cảm biến từ-điện

đó là hiệu ứng “shear lag” hay còn được gọi là hiệu ứng cạnh Là hiệu ứng thể hiện sự khác biệt về phân bố biến dạng trên bề mặt của những mẫu có dạng màng mỏng [7]

Lý thuyết này chỉ ra rằng giữa phần lõi và phần biên của vật liệu áp điện sẽ có phân bố khác nhau về sự biến dạng Biến dạng này sẽ tăng dần từ biên của mẫu vào trong lõi với cực đại biến dạng ở tâm của vật liệu Sự phụ thuộc của thế từ-điện vào sự tăng của kích thước mẫu theo lý thuyết “shear lag” là sự phụ thuộc một cách tuyến tính Khi kích thước mẫu tăng nhanh thì tỷ số thể hiện của hiệu ứng “shear lag” cũng tăng theo dẫn tới các cảm biến có kích thước lớn hơn sẽ có hiệu ứng từ-điện tốt hơn so với cảm biến có kích thước nhỏ Do đó mà hiệu ứng này giúp đưa ra dự đoán về độ lớn tín hiệu của cảm biến giữa các cấu hình khác nhau Tỷ số hiệu ứng “shear lag” được xác định

là tỷ số của diện tích mẫu/chu vi mẫu Tỷ số này sẽ là căn cứ để đưa ra những thiết kế cấu hình thích hợp nhằm cải thiện tín hiệu cảm biến

* Hiệu ứng dị hướng hình dạng

Dị hướng hình dạng là là hiệu ứng có liên quan chặt chẽ tới trường khử từ của vật liệu sắt từ Trường khử từ này có xu hướng chống lại sự từ hóa của từ trường ngoài Việc sử dụng vật liệu sắt từ có cấu trúc dạng thanh mảnh và dài (chiều dài lớn hơn nhiều lần so với chiều rộng) là phương pháp để khai thác tính chất này của vật liệu sắt

từ [1] Đối với cấu hình này vật liệu sẽ dễ từ hóa trong từ trường theo chiều dài của vật liệu, chiều còn lại sẽ là chiều khó từ hóa do trường khử từ tạo ra là rất lớn Cấu hình này đảm bảo cho tính đơn trục của từng cảm biến trong từ kế vector khi chế tạo và cấu hình của vật liệu sắt từ dạng thanh hình chữ nhật dài và mảnh cũng là cấu hình được sử dụng cho các cảm biến từ-điện hiện nay Bên cạnh đó cấu hình này cũng giúp cải thiện hiệu ứng từ giảo của vật liệu sắt từ trong cảm biến

a

b

* Tỷ phần thể tích

Ngoài những hiệu ứng trên một yếu tố khác cũng được quan tâm đến trong nghiên cứu này đó là diện tích truyền ứng suất Diện tích truyền ứng suất này được hiểu là tỷ lệ tỷ phần thể tích của vật liệu áp điện so và vật liệu từ giảo, là phần diện tích tiếp xúc giữa hai pha vật liệu từ giảo và áp điện Diện tích này càng lớn thì phần ứng xuất tạo ra do vật liệu từ giảo truyền sang vật liệu áp điện sẽ càng nhiều dẫn đến tín hiệu sẽ càng lớn Cấu hình của cảm biến sẽ là yếu tố quyết định tới tỷ phần này Việc tập trung nghiên cứu cảm biến đo từ trường dựa trên loại vật liệu này đang

là hướng đi rất triển vọng với điều kiện hiện tại ở nước ta Tuy nhiên để thực sự chế tạo được các sản phẩm thương mại từ cảm biến loại này thì cần thiết phải cải tiến hơn nữa độ nhạy cũng như độ phân giải của cảm biến Một số nghiên cứu gần đây trên vật liệu từ-điện này đã chỉ ra rằng cảm biến từ trường chế tạo dựa trên vật liệu này vẫn còn nhiều khá năng để phát triển, đặc biệt là khả năng tối ưu hóa về mặt cấu hình [14]

1.5 Vật liệu từ-điện và hiệu ứng từ-điện

1.5.1 Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics)

Multiferroics là khái niệm lần đầu tiền được sử dụng vào năm 1994 bởi nhà khoa học Hans Schmid và là vật liệu thể hiện hai hoặc nhiều hơn các tính chất sắt cơ bản như tính chất sắt từ, sắt điện và tính chất sắt đàn hồi [32] Từ ba tính chất cơ bản này

sẽ dẫn đến đó là những tính chất sắt thứ cấp khác như: điện đàn hồi, từ đàn hồi và đặc biệt là từ-điện Tính chất từ của vật liệu này được tạo ra bởi tương tác trao đổi giữa các lưỡng cực từ có nguồn gốc do cấu tạo lớp vỏ của các nguyên tử Tính chất điện là kết quả của việc thay đổi các lưỡng cực điện Còn tính chất đàn hồi là do sự thay đổi của trật tự sắp xếp trong cấu trúc nguyên tử khi gặp ứng suất Vật liệu này cũng được đặc trưng bởi các thông số như: độ cảm điện, độ cảm từ, hệ số đàn hồi, hệ số áp điện và hệ

số từ-điện Những thông số này là biểu hiện của sự tương tác giữa các tính rất sắt cơ bản của vật liệu

Sự xuất hiện đồng thời của cả tính chất từ và điện đặc biệt trong cùng một vật liệu là cơ sở để khai thác vật liệu này trong nhiều ứng dụng khác nhau như máy phát điện, lưu trữ, xử lý và truyền tải thông tin Tuy nhiên vật liệu multiferroics với hiệu ứng từ-điện đang tồn đại một số nhược điểm mà chủ yếu xuất phát từ cơ chế hoạt động bên trong của vật liệu sắt từ và sắt điện Ngoài ra, các vật liệu này cũng khá hiếm gặp, hiệu ứng không rõ ràng và nhiệt độ tới hạn thấp so với nhiệt độ phòng

Hình 1.12 Sơ đồ phân loại các loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32]

1.5.2 Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric)

Vật liệu từ-điện với ba nhóm chính là vật liệu từ-điện đơn pha, đa pha và vật liệu

tổ hợp đa pha Phương pháp chế tạo vật liệu từ-điện đa pha được sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp nghiền hỗn hợp và nung thiêu kết Những phương pháp này

có công nghệ chế tạo đơn giản nhưng lại có nhược điểm là sự xuất hiện của các pha kì

dị không mong muốn trong chế tạo làm giảm tính chất của vật liệu Vật liệu tổ hợp đa pha đang là hướng đi được nhiều nhóm nghiên cứu lựa chọn để khắc phục cho những nhược điểm trên Trong đó, phương pháp chế tạo các vật liệu tổ hợp đa pha bằng cách liên kết đa lớp hoặc màng mỏng đang là phổ biến nhất Phương pháp này có nhiều ưu thế về công nghệ chế tạo đơn giản và tính ứng dụng cao Ngoài ra, vật liệu tổ hợp còn

có thể tùy biến một cách dễ dàng theo từng mục đích ứng dụng cụ thể trong đó có cả các ứng dụng chế tạo cảm biến hoạt động trong vùng từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất

Độ lớn của hiệu ứng từ-điện trong vật liệu tổ hợp đa pha phụ thuộc vào ba điểm chính là: hiệu ứng từ giảo của vật liệu sắt từ, khả năng truyền ứng suất giữa hai pha vật liệu sắt từ, sắt điện và độ phân cực điện hay hiệu ứng áp điện của vật liện pha sắt điện

Do vậy mà hiệu ứng từ-điện có thể được cải thiện thông qua nhiều hướng tiếp cận khác nhau như cải thiện tính chất của pha vật liệu, tối ưu hóa hiệu ứng của vật liệu hoặc tăng hiệu quả truyền ứng suất

1.5.3 Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện

* Vật liệu sắt từ, hiệu ứng từ giảo

Vật liệu sắt từ là những vật liệu có từ độ tự phát ổn định theo thời gian và có hiện tượng từ trễ khi bị tác động bởi từ trường ngoài Tổng tất cả các mô men từ (mô men

từ tự phát và mô men từ cảm ứng) của vật liệu sẽ tạo thành vector từ độ của vật liệu

Vật liệu sắt từ sẽ bị từ hóa khi có từ trường ngoài tác dụng và đại lượng độ cảm từ χ M

được dùng để đặc trung cho mức độ từ hóa của vật liệu [2]

M

M H

 =

Với: M là từ độ của vật liệu; H là cường độ từ trường ngoài

Hình 1.13 Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ

Khi bị từ hóa bởi từ trường ngoài, đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ sẽ có dạng như hình 1.13 Khi tất cả các mô men từ trong vật liệu quay cùng hướng với từ

trường ngoài thì vật liệu đạt tráng thái từ độ bão hòa M s Khi từ trường từ hóa giảm về

không thì trong vật liệu vẫn còn tồn tại giá trị từ độ gọi là từ dư M r Tỷ số M r /M s là tỷ

số thể hiện thông tin về tính chất của vật liệu từ là từ cứng hay từ mềm và cho biết cấu trúc vật liệu

Hiệu ứng từ giảo được phát hiện lần đầu tiên trên vật liệu sắt vào năm 1842 bởi James Prescott Joule [16], là hiện tượng thay đổi hình dạng và kích thước khi có từ trường ngoài tác dụng lên vật liệu sắt từ Theo chiều này được gọi là hiệu ứng từ giảo thuận, ngược lại khi thay đổi hình dạng và kính thước vật liệu thì tính chất từ của chúng cũng thay đổi gọi là hiệu ứng từ giảo nghịch Thông số đặc trưng cho hiệu ứng

này trong vật liệu sắt từ được gọi là độ cảm từ giảo (χ λ) – sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường ngoài [2]

Với λ là hệ số từ giảo được xác định bằng công thức:

Trong đó: l 0 là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài; l(µ 0 H)

là chiều dài cảu mẫu khi có từ trường ngoài µ 0 H đặt vào

Độ cảm từ giảo cũng tương tự như độ cảm từ, đều thể hiện khả năng phản ứng với từ trường ngoài của vật liệu, trong trường hợp của vật liệu từ giảo là khả năng thay đổi tính chất từ giảo của vật liệu khi có từ trường Vật liệu được sử dụng trong cảm biến từ-điện đòi hỏi phải có độ từ giảo và độ cảm từ giảo lớn và nhiệt độ làm việc tại nhiệt độ phòng Trong số các vật liệu sắt từ có tính chất từ giảo vượt trội thì vật liệu băng từ FeSiC sử dụng trong máy biến thế công nghiệp là một vật liệu hứa hẹn chưa từng được thử nghiệm trong chế tạo cảm biến Vật liệu này đã được thương mại với các đặc điểm và tính chất sẽ được tiến hành khảo sát và sử dụng để chế tạo cảm biến trong luận văn này

* Vật liệu sắt điện, hiệu ứng áp điện

Vật liệu sắt điện là những vật liệu có cấu trúc tinh thể và có độ phân cực điện tự phát Độ phân cực điện này được định nghĩa là tổng tất cả mô men phân cực điện của vật liệu Các mô men phân cực điện tự phát này tồn tại trong các phân tử của vật liệu,

phần điện tích âm (δ - ) và điện tích dương (δ + ) luôn tồn tại một cách tách biệt Thông

thường trong các vật liệu sắt điện, các momen từ này sắp xếp song song với nhau trong toàn bộ vật liệu, khi có điện trường ngoài đặt vào các mô men này sẽ quay cùng hướng với điện trường ngoài Vật liệu sắt điện được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như: bộ nhớ đệm, cảm biến siêu âm, thiết bị truyền động,

Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thể hiện sự thay đổi độ phân cực điện của vật liệu

áp điện khi vật liệu này bị biến dạng cơ học bởi ứng suất hoặc ngược lại vật liệu bị biến dạng do chịu tác dụng của điện trường ngoài Mối liên hệ giữa ứng suất tác dụng của ngoại lực với vector phân cực điện được thể hiện qua công thức sau [20]:

6 1

P = = d  (1.10)

Với: P j là độ lớn của vector phân cực điện (C/m2), σ k là ứng suất tác dụng (N/m2)

và d jk là hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (C/N)

Hiện nay, với ưu điểm vượt trội và khả năng ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau thì vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 - PZT đang được sử dụng và khai thác rất rộng

rãi Một vài những ưu điểm của vật liệu này có thể kể đến như: điện dung cao, hệ số áp điện lớn, đồ bền cơ học cao, dễ gia công xử lý,…Trong luận văn này, vật liệu PZT –

855 đã thương mại hóa sẽ được sử dụng để thực hiện các nghiên cứu Tấm áp điện PZT được sản xuất bởi công ty American Piezoceramics Inc., PA, USA [6] có độ dày

theo thông số được cung cấp là 500 μm với mã số là APCC-855 Tấm vật liệu ban đầu được lựa chọn sử dụng trong luận văn này có kích thước cố định là 50×50mm do đó

mà cảm biến trong luận văn này sẽ khai thác tối đa kích thước này của tấm áp điện

1.6 Từ kế vector

Từ kế hay còn được gọi là máy đo từ trường là thiết bị dùng để đo đạc cường độ

và hướng của từ trường trong vùng đặt cảm biến từ La bàn được biết đến là một từ kế quen thuộc chỉ ra thành phần nằm ngang của vectơ từ trường xung quanh Từ kế có rất nhiều ứng dụng trong thực tế đặc biệt là vẽ bản đồ từ trường Trái đất Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, cũng như sinh học, y học, hàng không vũ trụ, nghiên cứu liên hành tinh,…

Từ kế được chia thành hai loại là từ kế vô hướng và từ kế vector Trong đó từ kế

vô hướng đo cường độ của từ trường tại vị trí đo nhưng không đo hướng của chúng

Từ kế vectơ thì đo giá trị mật độ từ thông cụ thể theo cả độ lớn và hướng của từ trường trong không gian 3 chiều Từ kế vector thường bao gồm ba cảm biến từ trường, mỗi cảm biến phục vụ đo thành phần của từ trường theo một hướng Để xác định được vector từ trường tại vị trí đo thì mỗi cảm biến trong một phương đo của từ kế phải là một cảm biến đơn trục Bằng ba cảm biến đơn trục đặt trực giao và các tính toán theo phương pháp Pythagorean sẽ xác định được vector từ trường tại đo [11]

Hình 1.14 Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục và mô hình của từ kế vector với

ba cảm biến đơn trục