Tóm tắt Luận án Chế tạo và nghiên cứu vật liệu multiferroic cấu trúc nano cho cảm biến từ trường microtesla

ơ học và tính chất từ của vật liệu từ điện chủ yếu sử dụng các lý thuyết về nhiệt động lực học. Các tính chất cơ học được thể hiện thông qua ứng suất và độ biến dạng tỷ đối. Các tính chất điện được thể hiện thông qua độ phân cực và cường độ điện trường. Các tính chất từ được thể hiện thông qua từ độ và cường độ từ trường. 1.2.2 Hệ số từ-điện Một tham số đặc trưng rất quan trọng của hiệu ứng từ điện chính là hệ số từ điện (magnetoelectric coefficient) và được ký hiệu là α. Về cơ bản thì hệ số từ điện được phân thành hai loại chính là hệ số từ điện thuận (direct magnetoelectric coefficient) và hệ số từ điện ngược (converse magnetoelectric coefficient). Về cơ bản có hai phương pháp thực nghiệm để xác định hệ số từ điện thuận đó là đo độ phân cực của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài và đo hiệu điện thế của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài và một từ trường xoay chiều kích thích. 1.2.3 Liên kết ứng suất bề mặt trong hiệu ứng từ-điện thuận. Cơ chế cơ bản và quan trọng nhất của hiệu ứng từ điện đó là sự liên kết ứng suất giữa các thành phần trong vật liệu tổ hợp. Đối với trường hợp hiệu ứng từ điện thuận, khi vật liệu tổ hợp từ điện chịu tác dụng của từ trường ngoài thì vật liệu sẽ sinh ra một ứng suất tuân theo hiện tượng từ giảo của tính chất sắt từ. Nếu các thành phần sắt điện và sắt từ liên kết trực tiếp với nhau thì ứng suất này sẽ được truyền một 5 phần sang thành phần sắt điện. Thành phần sắt điện khi đó sẽ sinh ra một độ phân cực điện tuân theo hiện tượng áp điện. 1.3. Vật liệu từ-điện. 1.3.1 Vật liệu từ-điện đơn pha. Các vật liệu từ-điện đơn pha khác nhau đã được tìm thấy nhưng với số lượng nhỏ và hiệu ứng từ điện rất thấp. Các nhược điểm trên có thể được giải thích bởi cơ chế hoạt động của sắt điện và sắt từ là tương đối khác biệt và thậm chí là đối nghịch nhau. 1.3.2. Vật liệu tổ hợp đa pha. Vật liệu tổ hợp từ-điện đa pha về cơ bản là sự kết hợp của hai pha gồm pha sắt điện và pha sắt từ. Vật liệu tổ hợp đa pha rất đa dạng về số lượng như: vật liệu composite khối, vật liệu đa lớp dạng tấm, vật liệu đa lớp dạng màng mỏng ... cũng như phương pháp chế tạo. 1.3.3. Vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano. Bên cạnh các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu truyền thống, sự phát triển của khoa học công nghệ cho phép chế tạo các vật liệu với cấu trúc mong muốn với độ chính xác đến nanomet. Một số ví dụ điển hình cho vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano là: cấu trúc siêu mạng, cấu trúc ống nanô ... 1.4 Tổng quan cảm biến từ trƣờng 1.4.1 Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall. 6 Cảm biến Hall là cảm biến từ trường phổ biến nhất trên thị trường hiện nay dùng để đo từ trường lớn hơn 1 mT và hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -100 đến 100°C. Tuy nhiên, nhược điểm của các cảm biến Hall là bị giới hạn theo khoảng cách. Với từ trường nhỏ, chúng chỉ hoạt động tốt với khoảng cách nhỏ hơn 10 cm. Một hạn chế khác trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao là sự có mặt của tín hiện nền (offset), tức là có điện áp lối ra ngay cả khi không có từ trường ngoài. 1.4.2 Cảm biến từ trƣờng SQUID Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) là một thiết bị đo từ trường có độ nhạy và độ chính xác cao nhất được biết đến hiện nay. Cấu tạo của cảm biến SQUID bao gồm một vòng siêu dẫn có chứa lớp tiếp giáp Josephson. Các cảm biến SQUID có thể xác định được từ trường nhỏ nhất tới 5 aT (5.10-18 T) trong thời gian lên tới vài ngày và độ nhiễu là 3 fT.Hz -1/2 . Tuy nhiên một số nhược điểm của nó dẫn đến hạn chế trong ứng dụng thực tiễn bao gồm: giá thành rất cao, công nghệ chế tạo phức tạp và nhiệt độ làm việc thấp (nhiệt độ siêu dẫn). 1.4.3. Cảm biến từ trƣờng Flux – gate Cảm biến flux-gate có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm có hình xuyến có độ cảm từ lớn được cuốn quanh bởi một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây kích thích có dòng điện xoay chiều (AC) chạy qua. Hạn chế của nó là khá cồng kềnh, không bền và có thời gian đáp ứng chậm (khoảng 2-3 giây). 7 1.4.4 Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng GMR Cảm biến loại này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện trở khác nhau như hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ, từ - điện trở dị hướng, từ - điện trở xuyên ngầm... Tùy theo mỗi hiệu ứng từ - điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại cảm biến có đặc trưng riêng. Cảm biến này có giá thành cao, kích thước lớn và công suất tiêu thụ cao. Các nhược điểm này là hạn chế rất lớn của cảm biến khi mà nhu cầu tiểu hình hóa các thiết bị đang ngày càng cấp thiết. 1.4.5 Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ-điện Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện với cơ sở là vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/PZT đã cho thấy cảm biến từ trường có thể đạt được độ nhạy là 130 mV/mT và độ phân giải là 10-3 mT. Tuy nhiên các nghiên cứu trên vật liệu từ-điện này vẫn còn khả năng tối ưu hóa về mặt vật liệu, cấu hình để có thể nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng của cảm biến từ trường loại này. Các nghiên cứu tiếp theo của luận án tập trung vào các ứng dụng của vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp Metglas/PZT cho cảm biến từ trường và đặc biệt là cảm biến từ trường trái đất. 1.5 Đối tƣợng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.5.1 Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu. Với các nội dung cơ bản về hiệu ứng từ-điện, vật liệu tổ hợp từ- điện và cảm biến từ trường đã được trình bày ở trên, luận án xác định 8 đối tượng và mục tiêu nghiên cứu gồm có: lý thuyết về hiệu ứng từ-điện và các lý thuyết liên quan, vật liệu tổ hợp từ-điện, cảm biến từ trường. 1.5.2 Nội dung nghiên cứu. Qua việc xác định đối tượng và mục tiêu nghiên cứu, luận án đã đề ra các nội dung nghiên cứu bao gồm: * Nghiên cứu chế tạo các vật liệu tổ hợp từ-điện khác nhau * Nghiên cứu đầy đủ các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu ứng từ-điện. * Khảo sát các tính chất từ, từ giảo, từ-điện của các vật liệu đã được chế tạo và kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết để xác định cấu hình tối ưu cho việc chế tạo cảm biến từ trường yếu. * Chế tạo cảm biến từ trường dựa trên vật liệu từ-điện đã được chế tạo với cấu hình tối ưu. Khảo sát khả năng làm việc trong từ trường yếu của cảm biến và cải tiến thiết kế của cảm biến. Đề xuất một số khả năng ứng dụng vào các mục đích khác nhau. CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phƣơng pháp phún xạ. Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng, màng mỏng Terfecohan được phún xạ trực tiếp lên bề mặt của vật liệu áp điện PZT thông qua thiết bị phún xạ 6 bia của PTN micro – nano, Trường Đại học 9 Công Nghệ, ĐHQGHN. Thiết bị này có mã số ATC – 2000F được cung cấp bởi công ty AJA international, Inc. (Mỹ). 2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện dạng đa lớp, lớp băng từ Metglas được kết dính cơ học với lớp áp điện PZT bởi một lớp keo polymer. Cấu hình vật liệu được chế tạo khác nhau gồm có: cấu hình bilayer đơn, cấu hình bilayer kép và cấu hình sandwich. 2.3 Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung VSM Trong các thực nghiệm khảo sát tính chất từ của vật liệu đã được tiến hành, luận án sử dụng thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 được cung cấp bởi hãng Lakeshore tại PTN micro – nano, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN. 2.4 Hệ đo từ giảo Để thực hiện các thực nghiệm xác định tính chất từ giảo của màng mỏng Terfecohan và băng từ Metglas, hệ đo từ giảo phản xạ quang học được thiết kế và sử dụng tại PTN micro – nano, Trường Đại Học Công Nghệ. 2.5 Đo hệ số từ-điện 2.5.1 Hệ đo thực nghiệm Hiệu ứng từ - điện được đặc trưng bởi hệ số từ - điện E và được xác định thông qua thế áp điện VME được sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện dưới tác dụng của từ trường ngoài. Thế áp điện VME là thế 10 hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = h sin(2 f t) được đặt trong từ trường một chiều HDC. Từ trường một chiều DC được tạo ra nhờ một nam châm điện với cường độ cực đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Cường độ từ trường DC được đo bằng đầu đo Hall. 2.5.2 Phƣơng pháp tính hệ số từ-điện thuận Theo phương pháp đo hệ số từ-điện trên thì hệ số từ-điện được xác định bằng công thức: αE = VME/t/h0. 2.6 Hệ hiển vi điện tử SEM Các nghiên cứu cấu trúc bề mặt của vật liệu và xác định chiều dầy của các lớp vật liệu và của lớp kết dính đã được thực hiện trên thiết bị hiển vị điện tử SEM (S – 3400N được cung cấp bởi hãng Hitachi tại phòng thí nghiệm micro – nano, Trường Đại Học Công Nghệ, ĐHQGHN) đã được sử dụng.. 2.7 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM Hình thái học bề mặt của đế (PZT, thủy tinh) và màng mỏng Terfecohan trong luận án được khảo sát trên kính hiển vi lực nguyên tử/lực từ AFM/MFM ND-MTD (Nga) đặt tại Phòng thí nghiệm Công nghệ micro và nano, trường Đại học Công nghệ. CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU MULTIFERROIC Terfecohan/PZT DẠNG MÀNG 3.1 Tính chất từ và từ giảo của màng mỏng Terfecohan. 11 Đường cong từ hóa của màng mỏng Terfecohan trên PZT và thủy tinh cho thấy màng mỏng Terfecohan trên PZT có tính dị hướng mặt phẳng ngay sau khi chế tạo trong khi màng mỏng Terfecohan trên thủy tinh lại có tính dị hướng vuông góc. Tuy nhiên màng mỏng Terfecohan trên PZT lại có lực kháng từ lớn hơn so với màng mỏng Terfecohan trên thủy tinh (HC = 140G so với 30G). Kết quả thực nghiệm cho thấy màng mỏng Terfecohan vẫn chưa đạt đến trạng thái bão hòa tại từ trường ngoài là HDC = 7kG. 3.2 Tính chất từ điện của vật liệu tổ hợp màng mỏng Terfecohan/PZT Kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu cộng hưởng tại tần số f = 81,9 kHz. Đồ thị cho thấy thế từ điện lối ra tăng tuyến tính theo cường độ từ trường xoay chiều. Thế từ điện lối ra lớn nhất đạt được giá trị ΔVE = 592 μV khi từ trường xoay chiều có cường độ h0 = 0,1 Oe. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số từ điện trên vật liệu Terfecohan/PZT đạt được lớn nhất là αE = 63 mV/cm.Oe khi từ trường ngoài có giá trị HDC = ±1500G. Vùng làm việc của vật liệu là vùng mà hệ số từ điện biến đổi tuyến tính với từ trường ngoài có giá trị trong khoảng từ -1kG đến 1kG. Đường cong từ điện cũng cho thấy hiện tượng trễ với HC = 250G là phù hợp với kết quả khảo sát tính chất từ. Luận án đã tiến hành ủ nhiệt trong chân không vật liệu tổ hợp Terfecohan/PZT tại nhiệt độ 3500C trong 1h. Tuy nhiên kết quả thu 12 được là vật liệu mất hoàn toàn tính chất từ điện. Kết quả này khác biệt so với kết quả thu được sau khi ủ nhiệt màng mỏng Terfecohan/thủy tinh và được giải thích bởi hai lý do: i)quá trình oxy khuếch tán từ PZT sang màng từ giảo, ii)sự chêch lệch quá lớn giữa hệ số nở nhiệt của hai pha vật liệu. Chƣơng 4: VẬT LIỆU TỔ HỢP Metglas/PZT DẠNG TẤM 4.1 Tính chất từ của băng Metglas 4.1.1 Tính chất từ siêu mềm Tính chất từ của băng từ Metglas có pha Ni đã được nghiên cứu thông qua việc đo đường cong từ hóa theo cả 3 phương: phương vuông góc với mặt mặt mẫu (hướng theo phương pháp tuyến với mặt phẳng băng), phương nằm trong mặt phẳng mẫu dọc theo chiều dài L và chiều rộng W. Kết quả cho thấy tính chất từ siêu mềm trong mặt phẳng mẫu được thể hiện quá trình từ hóa quan sát được trong từ trường thấp với từ trường bão hòa rất thấp (Hs ~ 70 Oe), từ độ bão hòa cao (Ms ~ 1216 emu/cm3) và đặc biệt hầu như không có độ từ dư và lực kháng từ (Mr, Hc ~ 0 Oe). Ngoài ra băng từ cũng thể hiện tính đẳng hướng trong mặt phẳng băng do có trạng thái vô định hình. 4.1.2 Ảnh hƣởng của dị hƣớng hình dạng đến tính chất từ mềm. Trong các phép đo này, các băng từ có chiều dày cố định tMetglas = 18 m và các kích thước L và W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm tương ứng với tỉ số giữa 2 kích thước này r = L/W dao động từ 1 đến 140. Từ trường ngoài luôn hướng dọc theo chiều (L) của băng. Kết 13 quả cho ta thấy các mẫu cùng đạt trạng thái bão hòa tại giá trị M = 1950 emu/cm 3 và đường cong từ hóa khác biệt nhiều tại giá trị từ trường nhỏ phụ thuộc vào tỉ lệ kích thước. Nếu như với mẫu có hình vuông, n = 1, từ trường cần thiết để thiết lập trạng thái từ độ bão hòa vào khoảng Hs ~ 70 Oe thì với mẫu có tỉ số n = 140, chỉ cần một từ trường ngoài nhỏ hơn rất nhiều chỉ khoảng vài Oe cũng đủ để bão hòa. Tỉ lệ r càng lớn đường cong càng dễ bão hòa dọc theo phương chiều dài của băng và ngược lại. 4.2 Tính chất từ giảo của băng Metglas 4.2.1 Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh Đường cong từ giảo của băng từ Metglas cũng được khảo sát trong mặt phẳng mẫu theo hai phương dọc theo chiều dài L và chiều rộng mẫu W. Trong trường hợp này, từ trường tác dụng vào mẫu là từ trường một chiều DC. Đường cong từ giảo đo theo hai phương trong mặt phẳng băng trùng khít nhau (mẫu hình vuông). Điều này thêm một lần nữa khẳng định tính đẳng hướng trong mặt phẳng của băng từ nghiên cứu 4.2.2 Ảnh hƣởng của dị hƣớng hình dạng đến tính chất từ giảo. Đường cong từ giảo đo trên các mẫu với chỉ số n thay đổi từ 0.5 đến 6. Đối với mẫu có chỉ số n = 0.5 từ trường cần tác dụng để làm mẫu bão hòa là khoảng 200 Oe, với mẫu có n = 1 giá trị này giảm xuống còn khoảng 100 Oe và khi n = 6 giá trị này chỉ còn là 70 Oe. Mặt khác độ dốc của đường cong từ giảo cũng tăng tương ứng khi n tăng. Điều này chứng tỏ sự ảnh hưởng của tỉ số kích thước đến tính mềm của băng từ. 14 4.2.3 Tính chất từ giảo động. Trong luận án này, chúng tôi tiến hành đo đạc và khảo sát đường cong từ giảo trong từ trường ngoài bao gồm cả từ trường DC và AC. Phép đo này hoàn toàn mới và chưa được thực hiện và công bố trên bất cứ tài liệu nào liên quan đến vật liệu từ-điện nghiên cứu. Kết quả cho thấy sự phù hợp về hình dáng của đường cong từ giảo tĩnh với đường cong độ cảm từ giảo. 4.3 Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích. 4.3.1 Mẫu hình vuông Sự phụ thuộc của hệ số từ-điện vào tần số của từ trường xoay chiều được thực hiện đối với mẫu hình vuông có kích thước 25×25, 15×15, 12×12, 10×10 và 8×8 mm. Các đường cong này đều quan sát thấy xuất hiện một đỉnh tần số rất hẹp tại đó có hệ số từ-điện đạt được lớn nhất. Đỉnh này có xu hướng dịch chuyển về tần số thấp đối với mẫu có kích thước càng lớn. Đây được coi là đỉnh cộng hưởng của vật liệu tổ hợp. Còn có một số đỉnh khác nhưng độ lớn của chúng khá nhỏ so với đỉnh cộng hưởng. Độ rộng xung đỉnh cộng hưởng ∆f tại 1/2 đỉnh cộng hưởng rất hẹp (∆f/f ~ 1%) 4.3.2 Mẫu hình chữ nhật Trong khi đó, khảo sát sự phụ thuộc vào tần số của hệ số từ- điện trên các mẫu hình chữ nhật có kích thước chiều dài không đổi (L = 15 mm) và chiều rộng thay đổi (W = 1, 2, 5, 10 và 15 mm). Kết quả cho thấy tần số cộng hưởng của các mẫu hình chữ nhật (L > W) có giá trị là 15 105,2 kHz, 105,8 kHz, 104,8 kHz, 105,8 kHz, 97,6 kHz, 102,6 kHz tương ứng với các mẫu có chiều rộng là 1, 2, 3, 5, 7.5 và 10 mm. Kết quả cho thấy tần số cộng hưởng của các mẫu này có giá trị tương đương nhau trong khi so sánh với mẫu hình vuông (15×15 mm) thì tần số cộng hưởng là 136,4 kHz gấp 1,4 lần so với tần số cộng hưởng của các mẫu hình chữ nhật (~ 100 kHz). 4.3.3 Tính toán lý thuyết quy luật phụ thuộc tần số 4.3.3.a Mô hình dao động một chiều Xét và giải bài toán dao động một chiều trên sợi dây đàn hồi với điều kiện là các biên gắn chặt. Kết quả cho thấy sóng trên dây là sự chồng chập của vô số các sóng hình sin với các tần số là bội của tần số cơ bản ⁄ . Với các mẫu hình chữ nhật ta có thể coi đó như một sợi dây với chiều dài L là chiều dài của hình chữ nhật. Khi đó ta có thể bỏ qua dao động theo phương dọc theo chiều rộng. Do đó, các mẫu hình chữ nhật có chiều dài như nhau nhưng chiều rộng khác nhau có cùng một tần số cơ bản, vì vậy chúng cùng cộng hưởng tại những giá trị tần số giống nhau. 4.3.3.b Mô hình dao động hai chiều Xét và giải bài toán dao động của màng mỏng hình chữ nhật có kích thước L.W, có biên được gắn chặt.Có thể thấy rằng: sóng trên màng mỏng là sự chồng chập của vô số các sóng hình sin với các tần số: √ 16 Trong trường hợp mẫu hình vuông (L = W) thì tần số cơ bản ứng với đỉnh cộng hưởng lớn nhất là √ . Giá trị tần số cộng hưởng trong trường hợp mẫu vuông gấp √ lần giá trị tần số cộng hưởng của mẫu hình chữ nhật có cùng chiều dài. 4.4 Ảnh hƣởng của cấu hình (bilayer và sandwich) Để có được cấu hình vật liệu tối ưu nhất, luận án tiến hành nghiên cứu tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp với các cấu hình là bilayer đơn, bilayer kép và cấu hình sandwich. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số từ-điện cực đại của cấu hình bilayer kép lớn gấp hai lần so với hệ số từ-điện cực đại của cấu hình bilayer đơn. Tuy nhiên khi so sánh hệ số từ-điện cực đại của cấu hình bilayer kép với cấu hình sandwich thì thấy rằng hệ số từ-điện cực đại của cấu hình sandwich lại lớn hơn so với của cấu hình bilayer kép. Kết quả của nghiên cứu này cho phép lựa chọn được cấu hình tốt nhất là cấu hình sandwich để thu được hệ số từ-điện lớn nhất. Các nghiên cứu tiếp theo, cấu hình sandwich được sử dụng như là cấu hình mặc định. 4.5 Ảnh hƣởng của chiều dầy lớp từ giảo Metglas Các nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dầy lớp băng từ (số lớp băng từ) đã được thực hiện để tối ưu hóa số lớp băng từ của vật liệu tổ hợp từ-điện. Kết quả cho thấy rất rõ hiệu ứng từ - điện được tăng thêm 1.5 lần khi tăng chiều dày lớp băng từ từ 1 lớp lên 2 lớp. Tiếp tục tăng chiều dày lên ta thấy hiệu ứng từ - điện không tăng thêm nữa. 17 Với mục đích hướng đến ứng dụng chế tạo các cảm biến từ trường trong vùng từ trường thấp có độ nhạy cao, luận án đã lựa chọn cấu hình sandwich với số lớp băng từ mỗi bên là 1. Đây là cấu hình cho hệ số từ-điện trong vùng từ trường thấp là lớn nhất. 4.6 Ảnh hƣởng của kích thƣớc (mẫu vuông) 4.6.1 Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu ứng từ-điện Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước mẫu vuông đến hệ số từ-điện và tìm ra được kích thước tối ưu cho các ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường thấp, các nghiên cứu về sự phụ thuộc của hệ số từ- điện vào từ trường một chiều của các mẫu hình vuông với kích thước khác nhau được thực hiện. Kết quả rút ra từ thực nghiệm cho thấy rằng hệ số từ-điện cực đại tăng dần theo kích thước của mẫu và từ trường ứng với hệ số từ-điện cực đại giảm dần theo kích thước mẫu. Các kết quả nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp từ-điện hình vuông cho thấy vật liệu có kích thước càng lớn thì khả năng ứng dụng để chế tạo cảm biến từ trường thấp với độ nhạy cao càng cao. Tuy nhiên, một trong số các yêu cầu thực tiễn đặt ra cho các thiết bị cảm biến là kích thước càng nhỏ càng tốt. Do đó để đảm bảo yêu cầu chế tạo được các cảm biến có độ nhạy cao và kích thước nhỏ, chúng tôi lựa chọn kích thước tối ưu trong khoảng từ 10 đến 20 mm. 4.6.2 Lý thuyết hiệu ứng “shear lag” Hiệu ứng “Shear lag” là hiệu ứng mô tả sự phân bố biến dạng trên bề mặt của mẫu có dạng màng mỏng. Theo lý thuyết về hiệu ứng 18 Shear lag thì bề mặt mẫu được chia thành hai phần là phần lõi và phần biên. Biến dạng trên bề mặt mẫu sẽ tăng dần từ biên vào lõi và đạt giá trị cực đại khi ở tâm mẫu. Tuy nhiên tốc độ thay đổi là khác nhau đối với phần lõi và phần biên. Tốc độ thay đổi là rất lớn ở phần biên trong khi phần lõi thì tốc độ thay đổi nhỏ hơn nhiều. Tính giá trị hệ số từ-điện trung bình trong toàn bộ mẫu thu được: ̅̅̅̅ ( ( ) ) Kết quả cho thấy sự phù hợp của lý thuyết và thực nghiệm. 4.7 Ảnh hƣởng của tỷ lệ kích thƣớc dài/rộng 4.7.1 Kết quả đo thực nghiệm khảo sát hệ số từ-điện Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ L/W cho giá trị hiệu ứng từ-điện cực đại vào khoảng L/W = 3, nhưng để có độ nhạy cao hơn ở từ trường thấp thì tỷ số này cần cao hơn (L/W = 7,5). Trong khi αE cực đại hầu như không đổi (và có giá trị khoảng 150 V/cm.Oe) thì giá trị αE ở từ trường H = 2 Oe tăng mạnh theo tỷ số L/W. Khảo sát sự phụ thuộc điện áp lối ra của vật liệu từ-điện đáp ứng theo sự thay đổi góc định hướng của từ trường một chiều (bias) và xoay chiều (kích thích). Kết quả thu được như mong đợi về sự thay đổi của điện áp từ-điện một cách tuần hoàn theo chu kỳ π hoặc 2π tùy thuộc vào cấu hình đo. Nhờ sự thay đổi có quy luật này, định hướng tiếp theo cho các nghiên cứu thiết kế cảm biến đo góc là tích hợp nhiều vật liệu có dị hướng đơn trục bố trí theo các phương trực giao với nhau. 19 4.7.2 Lý thuyết trƣờng khử từ giải thích quy luật phụ thuộc kích thƣớc. Hệ số trường khử từ N trong các thực nghiệm này được tính toán theo công thức: ⁄ ⁄ Sự biến đổi của hệ số từ-điện tỷ đối này là tương đối phù hợp so với các kết quả thu được khi tính toàn theo giá trị NTN. Tuy nhiên, kết quả thu được từ việc phân tích tĩnh từ và từ thực nghiệm đã chỉ ra rằng hình dạng của Metglas đóng một vai trò quan trọng trong việc làm tăng mật độ từ thông bên trong vật liệu tổ hợp từ-điện. Kết quả thực nghiệm và lý thuyết đều cho thấy đối với vật liệu tổ hợp từ-điện có kích thước 15x1 mm thì cho độ nhạy đối với từ trường thấp lớn nhất. Điều này có được là do cấu hình này đã tối ưu hóa tất cả các yếu tố ảnh hưởng. Chƣơng 5: ỨNG DỤNG 5.1 Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trƣờng Cảm biến từ trường 1D bao gồm vật liệu tổ hợp từ-điện kích thước 15x1 mm cấu hình sandwich được đặt trong lòng của một cuộn dây solenoid. Cuộn dây solenoid có tác dụng tạo ra từ trường xoay chiều kích thích lên vật liệu tổ hợp từ-điện. Cuộn dây solenoid được chế tạo từ dây đồng đường kính 80 μm bọc cách điện quấn quanh ống nhựa có đường kính 1,8 mm và chiều dài 17 mm với mật độ dài là 10500 vòng/m. Cảm biến từ trường 2D và cảm biến từ trường 3D cũng được chế tạo theo phương pháp tương tự cảm biến từ trường 1D. Hai và ba 20 cảm biến từ trường 1D được chế tạo và đặt vuông góc nhau tạo thành cảm biến từ trường 2D và 3D tương ứng. Toàn bộ hệ được bảo vệ trong lớp vỏ mika không từ tính. 5.2 Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến 5.2.1 Tần số cộng hƣởng Kết quả thực nghiệm cho ta thấy có xuất hiện duy nhất một đỉnh rất hẹp xung quanh tần số 100 kHz, tại đó tín hiệu của cảm biến thu được là lớn nhất. Đây chính là tần số cộng hưởng fr và được chọn là tần số làm việc của cảm biến. Các cảm biến 1D có hệ số phẩm chất khoảng 1.5%, tần số cộng hưởng là 99.55, 100.13 và 100.18 kHz tương ứng cho cảm biến S1, S2, S3. 5.2.2 Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng Kết quả khảo sát đặc trưng từ-điện của cảm biến 1D trong vùng từ trường thấp -0.6 Oe đến 0.6 Oe cho thấy đường cong tín hiệu thu được từ các cảm biến thay đổi theo quy luật tuyến tính V = k× HDC trong vùng từ trường Trái đất, với k là hệ số chuyển đổi đặc trưng cho cảm biến. Đường fit số liệu cho độ dốc k = 653,215 mV/Oe. Để đánh giá độ phân giải của cảm biến từ trường 1D từ các phép đo thực nghiệm, luận án tiến hành khảo sát độ ổn định của tín hiệu theo thời gian. Kết quả thực nghiệm được tiến hành trên cảm biến từ trường 1D đặt theo phương Bắc – Nam trong thời gian 60 phút. Kết quả cho thấy giá trị từ trường trái đất thu được từ cảm biến có giá trị nằm trong khoảng từ 389,35 đến 389,65 mOe. Điều này tương đương với độ 21 phân giải của cảm biến từ trường trái đất 1D đã được chế tạo có giá trị là 3.10 -4 Oe. 5.2.3 Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào góc định hƣớng Nhìn vào kết quả thu được ta thấy, tín hiệu lối ra phụ thuộc tuần hoàn theo quy luật hàm V= V0. Cosφ. Hiệu điện thế lối ra đạt giá trị lớn nhất V0 = 260.9 mV khi trục cảm biến song song (tức là φ = 0 0 ) và biến mất khi trục cảm biến vuông góc (tức là φ = 900, 270°) với cực Bắc từ của Trái đất. Sử dụng hệ số chuẩn hóa k = 653.215 mV/Oe được xác định ở trên, cường độ từ trường Trái đất nằm trong mặt phẳng nằm ngang tại phòng thí nghiệm nơi tiến hành phép đo (Cầu Giấy, Hà Nội) cho ta giá trị 0.3994 Oe. 5.3 Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục Khi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường Trái đất, thực tế trên đường cong tín hiệu của cảm biến ta thấy sự phụ thuộc theo quy luật hàm cosine nhưng không đối xứng xung quanh trục hoành mà bị dịch đi một giá trị khoảng 30 mV. Đây chính là phần đóng góp nền (zero offset) vào cảm biến. Trong trường hợp của cảm biến này, thế nền offset có thể được bù trừ rất đơn giản bằng cách đảo cực nguồn nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích. 5.4 Cảm biến đo góc dựa trên cảm biến đo từ trƣờng 2D Dựa trên các kết quả nghiên cứu cảm biến 1D ở trên, luận án tiếp tục nghiên cứu để phát triển thành cảm biến 2D với mục tiêu xác định đồng thời độ lớn và góc định hướng của từ trường Trái đất trong 22 một mặt phẳng bất kì. Để xác định hai thành phần từ trường vuông góc trong mặt phẳng, luận án sử dụng hai cảm biến đơn được bố trí vuông góc với nhau. Cấu hình này cho phép xác định đồng thời góc định hướng và độ lớn của từ trường trái đất trong một mặt phẳng bất kỳ. Ngoài ra cảm biến 2D còn cho phé