Nghiên cứu chế tạo thiết bị la bàn điện tử dựa trên vật liệu multiferoics cấu trúc micro nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐĂNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LA BÀN ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN VẬT LIỆU MULTIFERROICS CẤU TRÚC MICRO-NANO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2017 TỔNG QUAN Cùng với cách mạng Khoa học công nghệ đời thiết bị thông minh điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, máy tính bảng, thiết bị theo dõi thể thao, thiết bị định vị,… tạo nhu cầu lớn việc sử dụng la bàn điện tử ngành công nghiệp Thiết bị điện tử tiêu dùng ứng dụng giữ thị phần lớn vào năm 2015 Ứng dụng thiết bị điện tử tiêu dùng dự kiến chiếm thị phần lớn chiếm lĩnh thị trường la bàn điện tử năm 2016 2022 Sự phát triển nhanh chóng thiết bị điện tử di động sử dụng để điều hướng tạo nhu cầu lớn thị trường la bàn điện tử toàn cầu Tốc độ tăng trưởng cao thị trường lớn nhờ diện cơng ty, tập đồn lớn Apple, Samsung, Sony, LG, Huawei, Lenovo, … tạo bước nhảy vọt lượng tiêu thụ sản phẩm la bàn [9] Bên cạnh nhu cầu sử dụng thiết bị la bàn điện tử thiết bị di động, chúng ứng dụng vào lĩnh vực có thị trường phát triển nhanh tơ, hàng khơng vũ trụ phịng thủ Các công ty chuyên sản xuất cung cấp la bàn điện tử bao gồm nhà thiết kế chip STMicroelectronics (Pháp), mCube (Mỹ), MEMSIC (Mỹ) MagnaChip (Hàn Quốc); nhà sản xuất linh kiện NXP Semiconductors NV (Hà Lan), Bosch Sensortec (Đức), Asahi Kasei Microdevices (Nhật Bản), Honeywell (Mỹ); nhà cung cấp công nghệ InvenSense, Inc (Mỹ), Honeywell (Mỹ), Bosch Sensortec (Đức)… [17] Tổng quan la bàn Từ thời xa xưa, đời la bàn từ hoạt động dựa việc xác định phương hướng so với từ trường trái đất đóng vai trị quan trọng đời sống người La bàn từ thiết bị hàng hải có tác dụng dùng để hướng xác định vị trí tầu biển dựa nguyên lý cảm nhận hướng từ trường trái đất so với hướng tầu Hướng xác tầu phụ thuộc vào độ xác thiết bị, tức phụ thuộc vào loại la bàn nguyên lý hoạt động la bàn Người ta xem Trái Đất nam châm khổng lồ bao bọc đường sức từ nối liền hai cực, độ lớn dao động khoảng 25.000-65.000 nT, đó: + Cực Bắc địa từ nằm gần cực Bắc địa lý lại cực Nam (S) từ trường Trái Đất (hay nam châm Trái Đất) + Cực Nam địa từ nằm gần cực Nam địa lý lại cực Bắc (N) từ trường Trái Đất (hay nam châm Trái Đất) La bàn từ đơn giản Nhu cầu sử dụng la bàn điện tử Số liệu báo cáo năm 2015 cho thấy nhu cầu sử dụng thiết bị la bàn điện tử giới lớn Dự báo thị trường đưa cho khoảng thời gian năm 2016 2022 cho kết thị trường la bàn điện tử dự kiến tăng từ 808,6 triệu USD 2015 lên 2.187,1 triệu USD vào năm 2022, tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm (Compound Annual Growth Rate - CAGR) ước tính đạt 14,57% từ năm 2016 đến năm 2022 Nhu cầu cảm biến điện tử la bàn dự kiến tăng nhu cầu ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng, đặc biệt thị trường thiết bị thông minh cầm tay Việc áp dụng cảm biến điện tử la bàn điện tử tiêu dùng kỳ vọng thúc đẩy tăng tốc độ tăng trưởng thị trường sử dụng thiết bị thông minh cầm tay [7] Số liệu minh họa cho số lượng tiêu thụ sensor đo từ trường ứng dụng chế tạo la bàn điện tử tăng nhảy vọt từ năm 2009 thời điểm đánh dấu cho đời điện thoại thông minh [13] Cuộc cách mạng Khoa học công nghệ cao với đời điện thoại thông minh vào khoảng năm 2009 mốc thời gian dẫn đến tăng trưởng nhảy vọt nhu cầu sử dụng la bàn điện tử từ 10% vào năm 2008 lên 33% vào năm 2013 Trong loại cảm biến tích hợp thiết bị thơng minh cảm biến từ tính loại cảm biến sử dụng nhiều Error! Reference source not found Việc nghiên cứu hiệu ứng mới, vật liệu triển khai ứng dụng hướng nghiên cứu phù hợp với xu với nhu cầu thị trường Yêu cầu kỹ thuật Sai số la bàn ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ xác điểm đến đặc biệt sử dụng chế độ lái tự động thiết bị hành trình dài, khơng có mục tiêu để kiểm tra điều chỉnh hướng đi, sai số la bàn ảnh hưởng đến an toàn ngành hàng hải Các tính tốn cho thấy qng đường tàu chạy 100 hải lý với số la bàn độ độ lệch khoảng cách điểm đến dự đốn điểm đến thực tế 1,74 hải lý (tương đương 3,22 km) Giá trị chí lên đến 22,61 km sai số la bàn độ Chính lý này, việc chế tạo la bàn phải đảm bảo yêu cầu độ xác độ phân giải thiết bị cao Các loại la bàn thơng dụng Trên thị trường có nhiều hãng chuyên sản xuất cung cấp cho thị trường loại cảm biến đo từ trường la bàn điện tử chuyên dùng cho ngành hàng hải Honeywell [2], PNI Sensor Corporation [3], KVH Industries INC [4], Sperry Marine [15], Giá thành thiết bị la bàn điện tử chuyên dùng dao động từ vài trăm đến vài nghìn chí vài chục nghìn USD tùy thuộc vào độ phân giải tính của thiết bị Các thông số la bàn điện tử đại bán thị trường cung cấp hãng thường liên quan đến độ xác từ trường cảm biến từ trường sử dụng cảm biến model 3-Axis Digital Compass IC HMC5843 [6], HMC5843, Three-axis Compass with Algorithms HMC6343 [7], hãng Honeywell công bố cỡ milli-gauss (10-3 Oe) Độ xác góc đo la bàn tốt vào cỡ 10-1 độ [8] La bàn dụng cụ/thiết bị sử dụng để xác định định hướng không gian so với trục từ trường trái đất La bàn điện tử dựa vật liệu multiferroic có hiệu ứng từ giảo-áp điện Tổng quan hiệu ứng từ-điện Hiệu ứng từ-điện kết hợp đồng thời hai hiệu ứng từ giảo áp điện thường quan sát thấy vật liệu Multiferroics - vật liệu lưỡng pha sắt từ-sắt điện - với tồn đồng thời tính chất từ, tính chất từ đàn hồi tính chất áp điện Nhờ có liên kết học hai pha này, tác dụng từ trường ngoài, pha từ bị biến dạng (dài co ngắn lại) hiệu ứng từ giảo, biến dạng truyền ứng suất lên áp điện làm xuất điện tích hai mặt đối diện áp điện hiệu ứng áp điện Bằng thiết bị đo (máy khuếch đại điện tích) ta xác định lượng điện tích tạo Điện lượng thay đổi phụ thuộc vào ứng suất hay phụ thuộc vào từ trường tác dụng Thông qua việc đo điện lượng (điện trường hay hiệu điện thế) tạo ta xác định từ trường cần đo Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện vật liệu Nguyên lý hoạt động đo từ trường hiệu ứng từ giảo-áp điện Để đo từ trường dựa hiệu ứng này, cảm biến cần có từ trường xoay chiều kích thích với biên độ nhỏ, tần số kích thích với tần số dao động học riêng áp điện Từ trường chiều DC gây biến dạng tĩnh pha từ giảo gây ứng suất tĩnh lên áp điện làm xuất điện tích mặt áp điện Khi có thêm từ trường xoay chiều AC, vật liệu từ biến dạng kiểu dao động sinh ứng suất động áp điện làm xuất điện tích/điện áp xoay chiều lối dao động tần số với tần số từ trường xoay chiều kích thích Chính nhờ nguyên lý hoạt động mà cảm biến có ưu điểm điện áp lối có dạng tuyến tính với từ trường chiều ( V ~ HDC ) dải từ trường thấp đặc trưng biến dạng từ giảo tĩnh thay đổi theo qui luật phụ thuộc dạng parabol với từ trường chiều ( DC ~ H DC ) điện áp xoay chiều lối ứng suất động qui định có dạng tuyến tính theo từ trường chiều tác dụng PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Lựa chọn nguyên vật liệu Tấ m áp điên PZT mang mã số APCC-855 có độ dày 500 µm, cung cấp công ty American Pezoceramics Inc., PA, USA) (Error! Reference source not found.) [5] Băng từ có thành phần Fe76,8 Ni1,2 B13,2 Si8,8 chế tạo PTN Đại học Busan, Hàn Quốc phương pháp nguội nhanh (meltspinning) cho cấu trúc vơ định hình dạng băng mỏng Chiều dày băng từ sử dụng 18 µm Thành phần hợp kim lựa chọn với tính chất từ từ giảo siêu mềm cho ứng dụng nhạy từ trường thấp [3] Hình thực tế áp điện PZT, băng từ metglas Chế tạo đầu đo cảm biến Cắt vật liệu theo kích thước với độ xác cao Để cắt vật liệu áp điện PZT băng từ Metglas, máy cắt phiến tự động SHERLINE model 5410 (SHERLINE, Hoa Kỳ) sử dụng Thiết bị có khả điều khiển thủ công điều khiển tự động thông qua máy tính cho độ xác kích thước cắt đạt tới µm (thơng số cung cấp nhà sản xuất) Trong luận văn này, lựa chọn áp điện PZT có kích thước 16x1 mm băng từ Metglas có kích thước 15,5x1 mm2 Chế tạo vật liệu Kế thừa kết nghiên cứu có từ trước nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công Nghệ, bước chế tạo vật liệu thực theo qui trình bước mơ tả Hình minh họa qui trình chế tạo cảm biến đơn trục dựa hiệu ứng từ giảo-áp điện - Bước + 2: Cắt áp điện PZT băng từ Metglas với kích thước 16x1 mm 15,5x1 mm2 máy cắt tự động SHERLINE Phần kích thước PZT dài băng từ 0.5 mm dành cho vị trí gắn điện cực - Bước 3: Gắn băng từ Metglas lên áp điện PZT keo epoxy thành phần - Bước 4: Hàn điện cực đồng mặt áp điện phủ sẵn lớp điện cực Bạc để thu tín lối từ áp điện Vật liệu từ giảo-điện sau chế tạo hàn điện cực hoàn thiện Chế tạo đầu đo cảm biến Vật liệu tổ hợp sau chế tạo hồn thiện theo qui trình phần sử dụng để chế tạo cảm biến theo qui trình trình bày đây: - Bước : Cuộn solenoid làm sợi dây đồng liền mạch đường kính 60 μm có vỏ bọc cách điện thành hình trụ có chiều dài 17 mm, có đường kính trong, ngồi 1,2 mm 1.3 mm, mật độ vòng dây 10.5 vòng/mm - Bước 2: Lồng vật liệu tổ hợp Metglas/PZT bước vào bên lõi cuộn cuộn dây solenoid bước - Bước 3: Đưa vật liệu tổ hợp Metglas/PZT lồng vào cuộn dây solenoid vào lớp vỏ bảo vệ làm nhựa mica khơng có ảnh hưởng từ, với kích thước 20x20 mm2 - Bước 4: Hồn thiện cảm biến, gắn keo bảo vệ hàn điện cực cho cảm biến Cuộn solenoid có nhiệm vụ tạo từ trường xoay chiều (hac) kích thích Với chiều dài 17 mm, dài băng từ metglas 15,5 mm, đảm bảo tạo từ trường đồng lên toàn băng từ metglas Kích thước đường kính 1,2 mm giúp không ảnh hưởng đến dao động vật liệu tổ hợp Cảm biến sau chế tạo gồm có cảm biến đơn đặt trực giao vng góc với (sensor sensor 2) mặt phẳng nằm ngang Vỏ bảo vệ làm nhựa mika để khơng có ảnh hưởng từ lên cảm biến Được gắn lên đế, có 18 chân điện cực, tạo thành mơ đun riêng biệt Có thể dễ dàng gắn cố định, tháo lắp, thay lên mô đun xử lý tín hiệu Hình thiết kế 3D (trái) ảnh chụp đầu đo cảm biến (phải) đóng gói hồn thiện vỏ bảo vệ Đo đạc khảo sát đầu đo cảm biến mạch điện tử phịng thí nghiệm Đo tín hiệu điện áp kích thích từ trường xoay chiều cho cuộn dây Phép đo thực nhờ sử dụng khuếch đại Lock-In Amplifier 7265 sản xuất công ty Ametek Hoa Kỳ Nó cho phép lọc tín hiệu với tần số nhỏ cỡ phần triệu tần số tín hiệu hỗn tạp cách đáng tin cậy Thiết bị có khả cấp tín hiệu xoay chiều với điện áp lên đến 5V, hoạt động dải tần số rộng từ Hz đến 250 kHz, có khả cung cấp điện áp nhỏ với độ xác lên tới nV Có thể lựa chọn chế độ hoạt động, phục hồi tín hiệu vơn kế, cho độ xác đo tối ưu điều kiện khác nhau, đảm bảo hiệu suất vượt trội Hình thực tế khuếch đại Lock-In Amplifier 7265 Trong luận văn, thiết bị Lock-In Amplifier 7265 sử dụng để cấp điện áp xoay chiều với tần số lựa chọn thích hợp ứng với tần số cộng hưởng cho cuộn dây kích kích cảm biến để tạo từ trường xoay chiều tạo ứng suất dạng dao động cho băng từ áp điện, qua để thu tín hiệu đầu từ áp điện PZT cảm biến Tín hiệu lối thu từ áp điện đáp ứng theo từ trường đo thực thiết bị Lock-in Toàn phép đo thực tự động có ghép nối với máy tính sử dụng phần mềm Labview Các thơng số khảo sát Các thông số cảm biến gồm có hiệu điện cấp vào cuộn kích thích, tần số làm việc, tín hiệu lối ra, hệ số chuyển đồi từ điện K cảm biến Hệ quay khảo sát phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc Trong phép đo này, sensor đặt tâm hệ thống mâm quay tự động, sử dụng động mô tơ bước truyền động Mâm quay nằm mặt phẳng nằm ngang Mâm quay làm nhự mika, vật liệu khơng từ tính, mâm quay có vạch chia độ, từ 00 đến 3600 Hệ quay điều khiển tự động sử dụng motor bước DC với tốc độ quay thay đổi cho phép điều khiển góc quay nhỏ lên tới 0,05 độ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát đặc trưng đầu đo cảm biến Tần số kích thích Do nguyên lý tần số làm việc cảm biến xác định tần số tín hiệu nguồn ni cấp vào cảm biến mà giá trị tín hiệu lối thu từ cảm biến lớn Dưới đồ thị minh họa tần số làm việc sensor mô đun cảm biến, tần số quét từ đến 250 kHz Có khác giá trị tần số cộng hưởng này, lý giải sai số chế tạo cảm biến thủ công Từ ta xác định tần số làm việc sensor sensor là: 96,5 kHz 97,69 kHz Tần số từ trường xoay chiều kích thích phù hợp tần số cộng hưởng học áp điện tính tốn từ dao động truyền sóng phẳng Với hình chữ nhật, tần số cộng hưởng (f r) tính tốn theo cơng thức truyền sóng sợi dây (dao động chiều) fr 2L (với vận tốc truyền sóng vật liệu áp điện, L chiều dài áp điện) Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu lối với tần số tín hiệu kích thích sensor sensor Hiệu điện cấp cho cuộn kích thích Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu lối với tín hiệu điện áp kích thích Do ảnh hưởng thuộc tính từ mềm băng từ vơ định hình, từ giảo (hiệu ứng tổ hợp từ giảo áp điện) đáp ứng với thay đổi nhỏ từ trường nhanh bão hòa vùng từ trường thấp nên từ trường kích thích có giá trị khơng qua lớn để khơng làm suy hao hiệu ứng Các kết tín hiệu lối phụ thuộc vào điện áp kích thích cho cảm biến minh họa Điểm làm việc lựa chọn để điện áp lối lớn hoạt động ổn định dải rộng Theo khảo sát này, dải điện áp cho cuộn dây kích thích nằm khoảng từ đến 1,5 V Đây thơng u cầu cho việc lựa chọn linh kiện điện tử cho việc thiết kế mạch điện tử tích hợp Đáp ứng với từ trường đầu đo cảm biến Đo kiểm hoạt động đầu đo cảm biến thực sử dụng cuộn Helmholtz đảm bảo từ trường đồng với độ phân giải từ trường xác định từ độ xác nguồn dòng Keithley 2400 (nanoAmpere) tương ứng cỡ 10-8 Oe (3 picoTesla) Dải đo từ trường từ -0,6 đến 0,6 Oe tương ứng với dải đo từ trường trái đất Kết đo Error! Reference source not found cho thấy tín hiệu đáp ứng tuyến tính tốt với từ trường dải khảo sát Điều đáng ý đường cong khơng có độ trễ từ, điều cho phép cảm biến hoạt động với độ lặp lại cao Từ độ dốc đường cong đáp ứng này, hệ số chuyển đổi k (mV/Oe) tính tốn thực nghiệm sử dụng công thức: Vout = kH (0.1) Bằng cách fit số liệu với hàm tuyến tính cho kết hệ số chuyển đổi tương ứng k1 = 636 (mV/Oe) k2 = 423 (mV/Oe) cho cảm biến đầu đo la bàn Sự phụ thuộc tín hiệu điện đầu đo cảm biến vào từ trường ngồi đo sensor đơn trục (hình trái) (hình phải) Đo kiểm độ ổn định từ trường độ lặp lại đầu đo cảm biến Độ ổn định tính lặp lại cảm biến thực mẫu đo tiến hành vào thời gian khác từ ngày 6/7/2015 đến 19/8/2015 với từ trường tạo Hı̀nh 0.1 Đồ thị số liệu đo cảm biến vào thời gian đo khác Đo kiểm độ phân giải đầu đo cảm biến Để đánh giá độ phân giải thực tế đầu đo cảm biến, phép đo thực nghiệm thực thơng qua cuộ n Helmholtz cách cấp dịng điện nhỏ chạy qua Kết đo đạc cho thấy dịng điện nhỏ mà đầu đo cảm biến nhận biết 0,5 A tương ứng với thay đổi nhỏ từ trường cỡ 1,5 nanoTesla (1,5 10 Oe) sử dụng công thức H (Oe) = 30*I(A) cuộn Helmholtz (công -5 thức đưa nhà sản xuất) Sự thay đổi nhỏ tương ứng với thăng giáng nhiễu cảm biến Khi tăng dòng lên gấp đơi, thay đổi tín hiệu đo đầu đo cảm biến ghi nhận tăng lên gấp đơi Có thể khẳng định đo đạc đánh giá độ phân giải cảm biến sử dụng thiết bị đo PTN cho thấy đầu đo cảm biến nhạy với thay đổi từ trường với độ phân giải nanoTesla Độ phân giải lớn so sánh với đầu đo từ trường dựa hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ hiệu ứng Hall phẳng Độ phân giải so sánh tương đương với cảm biến dựa hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm với cấu trúc phức tạp, công nghệ chế tạo đắt tiền phổ biến Trong hiệu ứng từ giảo áp điện sử dụng luận văn có cơng nghệ chế tạo đơn giản chi phí rẻ nhiều Hı̀nh 0.2 Tín hiệu đo cảm biến khơng có từ trường ngồi tác dụng vào với cường độ khác nhau: (a) 1,5 nT (b) nT tương ứng với dòng điện cấp 0,5 1,0 A vào cuộn Helmholtz Tín hiệu Voffset cách khắc phục Điều đáng ý cảm biến đơn không đối xứng hoàn toàn qua trục giá trị Vout = mà dịch trục giá trị khác phụ thuộc vào cảm biến Giá trị xác định offset cảm biến Để thực tính tốn góc việc tìm loại bỏ đóng góp quan trọng Ở đây, đặc trưng đối xứng độ lớn từ trường khác dấu dẫn đến khác tín hiệu điện áp đo dọc cực Bắc từ Nam từ trái đất giúp cho việc xác định đơn giản theo cơng thức (3.2) Tín hiệu lối có dạng tuần hồn dạng sin(cosin) theo góc φ đối xứng qua Voffset Như cường độ từ trường tổng hợp tác dụng lên cảm biến tính cơng thức: Voffset = VNorth + VSouth VNorth VSouth tương ứng tín hiệu điện áp đo trục cảm biến hướng dọc cực Bắc Nam từ trái đất Khảo sát đáp ứng đầu đo cảm biến theo góc định hướng trục sensor (hình trên) sensor (hình dưới) với cực Bắc từ trường trái đất Sử dụng cơng thức tính cho kết cảm biến tương ứng 22,56 7,6 mV Thế thay đổi phụ thuộc vào thời gian làm việc, độ già hóa, điều kiện mơi trường,… Sự tồn xuất ứng suất nội sinh q trình gia cơng mẫu dẫn đến xuất điện áp không chịu tác dụng từ trường ngồi Do vậy, q trình lắp ráp mạch điện tử phải tính đến chức đánh giá trừ cảm biến Xây dựng thuật tốn tính góc cho đầu đo Các bước tính góc cho la bàn điện tử thực sau: - Bước 1: Chuẩn hóa cảm biến cách quay cảm biến vòng mặt phẳng nằm ngang - Bước 2: Xác định điện áp cực đại tương ứng với trục cảm biến hướng theo cực Bắc từ Nam từ trường trái đất (V North VSouth ) - Bước 3: Xác định offset hiệu chỉnh, trừ sử dụng công thức (3.6) để tính giá trị tỉ đối tín hiệu đo V1 V1 S = V 1out Voffset North offset V2 Vout S2 = V offset V2 North - offset Bước 4: Tính góc theo công thức hàm lượng giác tan = S1 S2 10 Với φ góc định hướng trục cảm biến từ trường trái đất - Bước 5: Bù điểm dị thường giá trị góc theo dải đo Ngun lý tính tốn cường độ từ trường cảm biến Qui luật bù điểm dị thường các giá trị góc theo dải đo Đồ thị tính tốn góc cảm đo từ cảm biến sau bước đo: Bước (hình cùng), Bước (hình giữa) Bước (hình cùng) 11 Đánh giá sai số chuẩn hóa ghép trực giao cảm biến Độ xác góc đo phụ thuộc nhiều vào độ xác ghép tổ hợp đơn cảm biến cấu hình vng góc Thông thường việc ghép thực cách học phụ thuộc nhiều vào sai số khí gia cơng vỏ cảm biến Hai sensor đặt vng góc khối nhựa mika Sai khác giải thích sai số chế tạo cảm biến, cụ thể khối nhựa mika gia cơng khí máy CNC Độ xác góc đo la bàn phụ thuộc vào độ xác góc lệch trực giao Sai số góc lệch xác định sau khảo sát đường cong thay đổi theo góc đồng thời ghi nhận cảm biến kết tổng hợp sau chuyển đổi sang tín hiệu từ trường cho ta biết mức độ lệch trực giao cảm biến Trên minh chứng cho độ lệch chuẩn trực giao cảm biến đường tín hiệu tỉ đối theo công thức S = S12 + S 22 thăng giáng liên tục đặt đầu đo la bàn theo định hướng khác Về nguyên tắc, từ trường khơng đổi thành phần từ trường mặt phẳng nằm ngang phải giữ nguyên không đổi Từ kết thu thấy độ lệch góc trực giao sensor khoảng Tiến hành chuẩn hóa trực giao thực sau đánh giá góc lệch sensor từ đường cong Tín hiệu cường độ từ trường thu chưa (a) sau qua chuẩn hóa trực giao Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đưa giải pháp chuẩn hóa trực giao sử dụng phương pháp đo trực tiếp tín hiệu cảm biến sử dụng mâm quay có đường kính lớn điều khiển motor bước với bước điều khiển nhỏ 0,05 độ để vi chỉnh góc cảm biến đơn trục Theo giải pháp này, tổ hợp cảm biến đơn độc lập ghép với cố định đảm bảo trực giao tổng hợp từ trường mặt phẳng nằm ngang giữ ổn định Với cách làm đảm bảo sai số trực giao nhỏ 0,1 độ nhờ hệ thống điều khiển quay tự động Kết đo tín hiệu cảm biến thực theo phương pháp 12 cho thấy rõ ổn định từ trường nằm ngang tổng hợp tín hiệu từ cảm biến Điều lần khẳng định độ xác trực giao cặp cảm biến tổ hợp vng góc với Kết đo tín hiệu cảm biến thực theo phương pháp cho thấy rõ ổn định từ trường nằm ngang sau tổng hợp tín hiệu từ cảm biến Điều lần khẳng định độ xác trực giao cặp cảm biến tổ hợp vng góc với Nghiên cứu, thiết kế đo đạc thử nghiệm mạch điện tử cho la bàn Mạch điện tử cho la bàn thực với phối hợp nhóm nghiên cứu thực đề tài nghiên cứu với nhóm nghiên cứu Viện Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội Trong tồn ý tưởng thiết kế xây dựng nội dung đo đạc thử nghiệm hoạt động mạch xây dựng ngun lý thuật tốn tính góc thực nhóm nghiên cứu trường Đại học Cơng Nghệ với tham gia học viên Lựa chọn linh kiện theo yêu cầu lắp ráp hoàn thiện nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tuy nhiên, tất các công đoạn có tham gia thực trực tiếp học viên Đóng gói hồn thiện thiết bị theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp Mạch điện tử lắp ráp hoàn thiện la bàn 13 La bàn sau đóng gói hồn thiện Giao diện hiển thị hình LCD thiết kế cho la bàn Cơng suất tiêu thụ mạch đo trực tiếp thông qua đo dòng tiêu thụ thực tế module toàn thiết bị với nguồn điện áp cấp 5V cho kết sau: - Công suất tiêu thụ mạch điện tử: 1W (trong riêng module phát để kích thích cho đầu đo cảm biến tiêu thụ khoảng 50% tổng số công suất này) - Công suất tiêu thụ hiển thị LCD: 2W So với cảm biến thương mại cơng suất tiêu thụ thường dao động cỡ 0,1 W, thiết bị cơng suất tiêu thụ cịn lớn giới hạn trường hợp sử dụng pin Hướng nghiên cứu tiếp tục triển khai theo hướng thu nhỏ thiết bị linh kiện giảm công suất tiêu thụ cho hệ đóng gói hồn thiện sản phẩm theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp để hướng tới thương mại hóa sản phẩm 14 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu phát triển hồn chỉnh Cơng nghệ chế tạo sensơ góc 2D dựa hiệu ứng từ giảo – áp điện và la bàn điện tử: Sensơ tích hợp với mạch điện tử hồn chỉnh, bao gồm hệ thống khuếch đại lock-in số biến đổi để tín hiệu lối ghép nối máy tính hiển thị góc phương vị góc ngẩng ăng-ten cảm biến quay từ trường trái đất Hệ thống mạch điện tử tạo hoạt động với nguồn sóng sin 100 kHz Việc khuếch đại tín hiệu đo lường, lọc nhiễu tín hiệu, kết nối với vi xử lý thực hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu la bàn điện tử với độ phân giải 10-1 độ Các kết đạt luận văn bao gồm: – La bàn điện tử thiết kế chế tạo bao gồm mô đun: khối cảm biến khối điện tử – Khối cảm biến 2D thực chất tổ hợp cảm biến 1D đơn trục đặt vuông góc với nhau, có độ hệ số chuẩn hóa k ~ 200 mV/Oe tần số cộng hưởng khoảng f ~ 100 kHz Độ phân giải góc tốt 0,2 độ Tín hiệu cảm biến xử lý offet chuẩn hóa trực giao – Khối cảm biến hoạt động sở nguyên lý khuyếch đại lọc lựa, bao gồm khối phát xung tạo tín hiệu (chuẩn) cao tần ni cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích; khối đo lường chuẩn hóa tín hiệu khối hiển thị, giao tiếp Khối phát xung thiết kế sử dụng vi mạch module AD9850 Tín hiệu đo lường từ cảm biến đưa qua IC đo lường INA128 để khuếch đại IC OPA2350 để lọc nhiễu Đầu đo cảm biến sau đóng gói hồn thiện tích hợp với mạch điện tử hình hiển thị LCD Graphic LCD123864 – La bàn điện tử chế tạo đáp ứng yêu cầu phục vụ cho mục đích định vị dùng cho ngành công nghệ khác đặc biệt ngành Hàng hải Các nội dung kết nghiên cứu luận văn nằm đề tài nghiên cứu Mã số QG 15.28 Đại học Quốc gia Hà nội 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo-áp điện dạng có cấu trúc nano, luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN Nguyễn Thị Ngọc (2012), Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường Trái đất 2D, 3D dựa vật liệu từ-điện cấu trúc Micro-Nano, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Cơng Nghệ-ĐHQGHN Nguyễn Xn Tồn (2010), Tăng cường hiệu ứng từ điện vùng từ trường thấp vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc Micro-Nano, luận văn thạc sĩ vật liệu linh kiện nano, luận văn thạc sĩ trường Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN Đồng Quốc Việt (2013), Ứng dụng công nghệ Micro-Nano chế tạo tổ hợp cảm biến từ, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN Tiếng Anh APC International Ltd datasheet: http://americanpiezo.com/piezo_theory/ Ballas R.G., (2007), Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators, Springer-Verlag Berlin Heidelberg Baschirotto A., Borghetti F., Dallago E., Malcovati P., Marchesi M., Melissano E., Siciliano P., Venchi G, (2006), “Fluxgate Magnetic Sensor and Front-End Circuitry in a Integrated Microsystem”, Sensor and Actuators A, 132 (1 November), pp 90-97 Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kiliba YU.V., Bukashev F.I., Smirnov A.YU., and Eliseev D.N., (2002) Ferroelectric, 280, 199 Dixon R., (2015) Magnetic Sensors Market TrackerPrincipal Analyst MEMS & Sensors, Edward R., (2006) Hall-Effect Sensors, Elsevier Inc pp xi (ISBN 978-0-7506-7934-3) Joule J.P., Philosophical Magazine, 30 (1847) 76 Landau D and Lifshitz E., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, pp 119 Lenz J., Edelstein A.S., (2006), “Magnetic Sensors and Their Applications”, IEEE Sensors Journal, (3 June), pp 631-649 Li Shu-hua, (1954), "Origine de la Boussole 11 Aimant et Boussole", Isis, 45 (2 July), pp 175– 196 Lowrie, William, (2007), Fundamentals of Geophysics, London: Cambridge University Press pp 281 Kreutz, Barbara M., (1973), "Mediterranean Contributions to the Medieval Mariner's Compass", Technology and Culture, 14 July, pp 367–383 MarketsandMarkets, (2016), PRNewswire, Pune India Needham, Joseph, (1962), Physics and physical technology, Cambridge University Press Racz R., Schott C., Huber S (1962), Electronic Compass Sensor, IEEE sensors, pp 144 16 ... vuông góc với Nghiên cứu, thiết kế đo đạc thử nghiệm mạch điện tử cho la bàn Mạch điện tử cho la bàn thực với phối hợp nhóm nghiên cứu thực đề tài nghiên cứu với nhóm nghiên cứu Viện Điện - Đại... dạng có cấu trúc nano, luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN Nguyễn Thị Ngọc (2012), Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường Trái đất 2D, 3D dựa vật liệu từ -điện cấu trúc Micro- Nano, luận... Nhu cầu cảm biến điện tử la bàn dự kiến tăng nhu cầu ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng, đặc biệt thị trường thiết bị thông minh cầm tay Việc áp dụng cảm biến điện tử la bàn điện tử tiêu dùng kỳ