28 Hình 3.4: Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu ra của cảm biến vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất .... Với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng cảm biến đo từ trường t
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ===o0o=== TRẦN THỊ CHI ỨNG DỤNG CẢM BIẾN TỪ ĐIỆN TRỞ ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT KLTN kinh tế học Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô giáo khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội dạy dỗ bảo truyền đạt kiến thức cho em suốt trình học tập rèn luyện trường q trình thực khóa luận Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt q trình thực khóa luận tốt nghiệp Là sinh viên lần nghiên cứu khoa học nên khóa luận em khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn bè để khóa luận hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Khóa luận thực hỗ trợ đề tài Khoa học Công nghệ Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, mã số C.2017-18-01 KLTN kinh tế học Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Chi LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hồn tồn trung thực chưa cơng bố nơi khác Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Chi KLTN kinh tế học MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Từ trường trái đất 1.1.1 Nguồn gốc từ trường 1.1.2 Vai trò từ trường trái đất 1.1.3 Các đặc trưng từ trường 1.2 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến 1.2.1 Cảm biến flux-gate 1.2.2 Cảm biến dựa hiệu ứng Hall 11 1.2.3 Cảm biến dựa hiệu ứng từ - điện .12 1.3 Cảm biến dựa hiệu ứng từ – điện trở 13 1.3.1 Cảm biến từ trở khổng lồ 13 1.3.2 Cảm biến dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng 15 1.4 Kết luận chương 19 KLTN kinh tế học CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 20 2.1 Chế tạo màng mỏng phương pháp phún xạ ca-tốt 20 2.1.1 Thiết bị phún xạ ATC-2000FC 20 2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng 21 2.2 Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện 22 2.2.1 Quy trình chế tạo linh kiện 22 2.2.2 Thiết bị quang khắc MJB4 23 2.3 Khảo sát tính chất từ điện trở linh kiện 24 2.4 Kết luận chương 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Kết khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến 26 3.2 Sự phụ thuộc cảm biến vào dòng điện chiều 28 3.3 Khảo sát đáp ứng góc cảm biến với từ trường trái đất 30 3.4 Kết luận chương 32 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 KLTN kinh tế học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất Hình 1.2: Biểu đồ đường đẳng từ từ trường trái đất Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh Hình 1.5: Cách xác định vecto từ trường trái đất Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo cảm biến flux-gate 10 Hình 1.7: (a) Sơ đồ nghiên cứu hoạt động cảm biến Hall (b) Cảm biến Hall đo dòng điện 11 Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện nguyên lý hiệu ứng điện từ thuận 13 Hình 1.9: (a) Trạng thái điện trở cao (b) Trạng thái điện trở thấp linh kiện GMR 14 Hình 1.10: Nguồn gốc vật lý AMR 15 KLTN kinh tế học Hình 1.11: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào thông số màng (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dịng điện chạy qua hướng vector từ hóa 16 Hình 1.12: (a) Sơ đồ đơn giản mạch cầu Wheatstone (b) Mạch Wheatstone tác dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng 17 Hình 2.1: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 20 Hình 2.2: Sơ đồ mô tả bước quy trình chế tạo linh kiện 23 Hình 2.3: (a) Sơ đồ hệ quang khắc (b) Thiết bị quang khắc MJB4 23 Hình 2.4: Mặt nạ cảm biến AMR cảm biến sau hoàn thiện 24 Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR thang đo từ trường lớn PTN MicroNano, Trường Đại học Công nghệ 25 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào từ trường 26 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào từ trường dải tuyến tính 27 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào dòng chiều 28 Hình 3.4: Mơ hình thực nghiệm khảo sát phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc dịng điện từ trường trái đất 31 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc dịng điện từ trường trái đất 32 KLTN kinh tế học MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác sử dụng để đo từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất cơng bố Tuy vậy, cảm biến thường có kích thước cồng kềnh gặp phải loại nhiễu ảnh hưởng tới tín hiệu Ngồi ra, số cảm biến hoạt động tốt lại có cấu trúc dạng màng đa lớp phức tạp cảm biến dựa hiệu ứng Spin-van, TMR Với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng loại nhiễu đặc biệt nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa qui trình cơng nghệ, giảm chi phí sản xuất, lựa chọn nghiên cứu cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng(AMR) Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, ảnh hưởng nhiễu nhiệt lên tín hiệu cảm biến giảm tối đa tăng KLTN kinh tế học cường độ nhạy cảm biến Trong khóa luận này, vật liệu lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến Ni80Fe20 – vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường thấp Vì ngồi khả đo từ trường trái đất, cảm biến kỳ vọng phát triển ứng dụng lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao thơng, Đề tài nghiên cứu khóa luận “Ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất” Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu từ trường trái đất - Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến - Khảo sát ứng dụng cảm biến đo góc từ trường trái đất Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Cảm biến dạng mạch cầu dựa hiệu ứng AMR Nhiệm vụ nghiên cứu - Ứng dụng cảm biến để đo góc từ trường trái đất dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu - Phương pháp thực nghiệm Cấu trúc khóa luận - Phần 1: Mở đầu - Phần 2: Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận KLTN kinh tế học - Phần 3: Kết luận CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Từ trường trái đất Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W Gilbert đưa giả thuyết Trái Đất nam châm khổng lồ Ông làm cầu lớn sắt nhiễm từ, gọi "Trái Đất tí hon" đặt từ cực địa cực Đưa la bàn lại gần trái đất tí hon ơng thấy trừ hai cực, điểm cầu, kim la bàn hướng Nam Bắc Hiện chưa có giải thích chi tiết thỏa đáng nguồn gốc từ tính Trái Đất 1.1.1 Nguồn gốc từ trường Năm 1940, số nhà vật lý đưa giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc từ trường trái đất Theo thuyết từ trường trái đất chủ yếu hình thành từ dòng chất lỏng đối lưu lòng trái đất độ sâu 3000 km Từ trường xuất lịng trái đất Nơi có nhân trái đất KLTN kinh tế học cấu tạo chủ yếu sắt Nhân rắn bên bao bọc vỏ sắt dạng lỏng Do sức nóng từ nhân, kim loại chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội lại chìm xuống phía Đồng thời chảy theo đường xoắn ốc trái đất quay Sự chuyển động sắt có khả dẫn điện làm xuất nguồn điện, tương tự máy phát điện khổng lồ có dịng điện chảy xuất từ trường Hình dạng từ trường giống từ trường thỏi nam châm Từ trường từ bán cầu nam vào phía bán cầu bắc trái đất Hai nơi gọi cực từ Nó khơng trùng với cực nam cực bắc địa lý mà cách vài trăm số Từ trường mà trái đất sinh gần giống mơ hình lưỡng cực từ nghiêng góc 11.5° so với trục quay (xem hình 1.1) Cực bắc từ khơng cố định mà thay đổi liên tục đủ chậm để la bàn điều hướng Khoảng thời gian ngẫu nhiên (trung bình vài trăm ngàn