Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ

Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ. Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG

2 PGS.TS LÊ VĂN VINH

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và PGS.TS Lê Văn Vinh Luận án được thực hiện hoàn toàn trong thời gian tôi là nghiên cứu sinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội Các kết quả, số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo từ các công trình đã được công bố đều được trích dẫn một cách rõ ràng và theo đúng quy định Tất cả những tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS Lê Văn Vinh Đỗ Duy Phú

NCS cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Điện – Điện tử, Viện ITIMS, nay là trường Vật liệu – Đại học Bách khoa Ha Nội, các nhà khoa học nơi tôi nghiên cứu đã tạo điều kiện, giúp đỡ và luôn động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và luôn động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này

NCS xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo cơ quan nơi tôi công tác cùng các đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

NCS xin chân thành cảm ơn gia đình của tôi đã luôn động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án

Đỗ Duy Phú

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

1.2.3 Thách thức của luận án 19

1.3 Cơ sở lý thuyết sự hình thành sóng âm trong chất rắn 21

1.4 Các hiệu ứng và lựa chọn loại vật liệu 36

1.4.1 Hiệu ứng áp điện và lựa chọn vật liệu 36

1.4.2 Hiệu ứng từ giảo và lựa chọn vật liệu 38

2.1 Lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW-MO 47

2.1.1 Lựa trọn cấu truc cơ sở 47

2.1.2 Cấu trúc cảm biến SAW-MO 48

2.2 Mô hình mô phỏng FEM 50

2.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 50

2.2.2 Hiệu ứng delta-E, trường khử từ và phạm vi mô phỏng 52

2.3 Ảnh hưởng đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến SAW-MO 55

2.3.1 Quá trình mô phỏng FEM 55

2.3.2 Đáp ứng làm việc của cảm biến 60

2.3.3 Ảnh hưởng của vận tốc sóng âm đến đáp ứng của cảm biến 65

2.4 Ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ và đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến672.4.1 Ảnh hưởng độ dày lớp nhạy từ đến độ nhạy của cảm biến 68

2.4.2 Ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến 79

2.5 Mô phỏng động lực học phân tử lớp vật liệu nhạy từ Nickel 84

2.5.1 Mô hình mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel 84

2.5.2 Kết quả mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel 87

Kết luận chương 2 91

Chương 3 Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA 93

3.1 Mô phỏng FEM cảm cho biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 94

3.1.1 Yêu cầu khi mô phỏng cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 95

3.1.2 Mô hình mô phỏng 95

3.1.3 Mô phỏng mô hình tương đương cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 96

3.2 Mô phỏng cảm biến SAW-MO bằng phương pháp ma trận truyền TM 102

3.2.1 Yêu cầu của mô phỏng ma trận truyền 102

3.2.2 Mô hình ma trận truyền cho cảm biến SAW-MO 103

3.2.3 Kết quả mô phỏng bằng phương pháp TM 107

3.3 Chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 110

3.3.1 Các yêu cầu khi chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO 110

3.3.2 Chế tạo thiết bị SAW trống 110

3.3.3 Chế tạo cảm biến SAW-MO 113

3.3.4 Thiết lập hệ thống đo 117

Kết luận chương 3 122

Kết luận và hướng phát triển 123

Danh mục các công trình đã công bố của luận án 125

Tài liệu tham khảo 126

Phụ lục 1

Phụ lục A: Giao diện chính của phần mềm ANSYS-APDL 1

Phụ lục B: Mã lệnh mô phỏng FEM 2

Phụ lục C: Mã lệnh mô phỏng phương pháp TM 7

Phụ lục D: Một số module phần mềm của mô phỏng MD 11

Phụ lục E: Một số hình ảnh quá trình làm thực nghiệm tại viện ITIMS 33

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Các nguyên lý cảm biến từ 4

Hình 1.2 Dải đo các loại cảm biến từ 5

Hình 1.3 Nguyên lý cảm biến Hall 5

Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý cảm biến kích từ dọc 7

Hình 1.5 Ứng dụng cảm biến SAW trong các lĩnh vực 10

Hình 1.6 Số công trình công bố với từ khóa “Magnetic sensor” theo năm trên mendeley.com/search 18

Hình 1.7 Số công trình công bố với từ khóa “SAW magnetic sensor” theo năm trên mendeley.com/search 18

Hình 1.8 Ví trí cân bằng (hạt đen) và biến dạng (hạt trắng) các hạt 21

Hình 1.9 Chuyển vị của hạt khi biến dạng 22

Hình 1.10 Chuyển động quay cứng của vật liệu 24

Hình 1.11 Ứng suất tác động trên hạt vật liệu 28

Hình 1.12 Tinh thể cấu trúc dạng lập phương 31

Hình 1.13 Mô hình vật liệu áp điện 33

Hình 2.1 Các cấu trúc của cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt 47

Hình 2.2 Cấu trúc và nguyên lý của cảm biến từ SAW-MO 48

Hình 2.3 Các thông số cấu trúc của cảm biến từ SAW-MO 49

Hình 2.4 Hiệu ứng delta-E của lớp nhạy từ FeNi 51

Hình 2.5 Đáp ứng của hiệu ứng delta-E 53

Hình 2.6 Các đường sức từ bên trong mẫu khi bị từ hóa tạo nên trường khử từ 54

Hình 2.7 Hướng tác động từ trường lên mẫu vật dạng màng 54

Hình 2.8 Quá trình thực hiện mô phỏng cảm biến từ SAW-MO với đế áp điện AlN và LiNbO3 58

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động và quá trình mô phỏng cảm biến SAW-MO 59

Hình 2.10 Hình ảnh thể hiện quá trình mô phỏng FEM 59

Hình 2.11 Đáp ứng điện áp trên IDT-out của cảm biến dùng đế AlN 60

Hình 2.12 Đáp ứng điện áp trên IDT-out của cảm biến dùng đế LiNbO3 60

Hình 2.13 Đáp ứng tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN 61

Hình 2.14 Đáp ứng tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/LiNbO3 61Hình 2.15 Đáp ứng tần số tại các điểm làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN 62

Hình 2.16 Đáp ứng tần số tại các điểm làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/LiNbO3

62

Hình 2.17 Đáp ứng làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN 64

Hình 2.18 Đáp ứng làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/LiNbO3 64

Hình 2.19 Đáp ứng dịch tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 65

Hình 2.20 Quá trình mô phỏng tìm điểm (h3tu) có độ dày tối ưu 69

Hình 2.21 Quan hệ giữa tần số trung tâm và độ dày lớp nhạy từ FeNi, khi H = 0 70Hình 2.22 Quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt và độ dày lớp nhạy từ FeNi, 71

khi H = 0 71

Hình 2.23 Đáp ứng tần số quanh điểm làm việc tối ưu của cảm biến 72

Hình 2.24 Quá trình mô phỏng đáp ứng cảm biến quanh điểm tối ưu 73

Hình 2.25 Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/AlN quanh điểm tối ưu 75

Hình 2.26 Quan hệ giữa độ nhạy của cảm biến với độ dày (h3) lớp nhạy từ FeNi 76Hình 2.27 Đáp ứng dịch tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN, khi cùng dải đáp ứng 76

Hình 2.29 Đáp ứng tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1060 (nm) 77

Hình 2.30 Đáp ứng tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1210 (nm) 78

Hình 2.31 Đáp ứng tần số trung tâm khi thay đổi độ dày đế áp điện (h1) tại h3tu 79

Hình 2.32 Đặc tính tần số của cảm biến khi giảm h1 tại h3tu 79

Hình 2.33 Qua trình mô phỏng ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến tần số trung tâm 80

Hinh 2.34 Tần số trung tâm của cảm biến với h1=35 (m) và =30 (m) tại h3tu 81Hình 2.35 Quá trình mô phỏng đáp ứng làm việc của cảm biến tại các điểm tối ưu 82

Hình 2.36 Đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3tu = 1060 (nm),  = 35 (m) 83

Hình 2.37 Cấu trúc cảm biến SAW-MO dạng delay-line: (a) không có lớp cách điện, (b) có lớp cách điện 85

Hình 2.38 Sự biến đổi của năng lượng thế năng trung bình trên mỗi nguyên tử theo nhiệt độ 87

Hình 2.39 Hàm PBXT của mẫu vật liệu Ni tại các nhiệt độ khác nhau 87

Hình 2.40 Trực quan hóa các quả cầu nguyên tử mặt cắt mẫu M1 88

Hình 2.41 Đường cong ứng suất – biến dạng dưới sự biến dạng đơn trục mẫu M1 tại 300K 89

Hình 2.42 Độ từ hóa (a) và độ cảm từ (b) phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu Ni 90Hình 2.43 Đường cong từ trễ của các mẫu vật liệu Ni 90

Hình 3.1 Các bước nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO 93

Hình 3.2 Cấu trúc cảm biến SAW-MO dùng đế Quartz 95

Hình 3.3 Quá trình mô phỏng FEM cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 97

Hình 3.4 Tần số cộng hưởng khi không có lớp nhạy 97

Hình 3.5 Tần số trung tâm với lớp nhạy có độ dày h3=190 (nm) khi H = 0 (Oe) 98

Hình 3.6 Tần số trung tâm với lớp nhạy có độ dày h3=200 (nm) khi H = 0 (Oe) 99

Hình 3.7 Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=190 (nm) 99

Hình 3.8 Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=200 (nm) 100

Hình 3.9 Độ nhạy của cảm biến trên toàn dải đáp ứng làm việc 100

Hình 3.10 Độ nhạy của cảm biến trên cùng dải đáp ứng làm việc 101

Hình 3.11 Cấu trúc cảm biến SAW-MO dùng cho mô phỏng TM 102

Hình 3.12 Mô hình ma trận truyền của cảm biến SAW-MO 103

Hinh 3.13 Mô hình ECM cho mỗi ngón tay 104

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng tần số trung tâm 107

Hình 3.15 Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz 108

Hình 3.16 Đáp ứng dịch tần của cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz 108

Hình 3.17 Đáp ứng tần số với đặc tính vm-H bậc hai 109

Hình 3.18 Đáp ứng tần số với đặc tính vm-H bậc ba 109

Hình 3.19 Kích thước của các bộ IDT (đơn vị: mm) 110

Hình 3.20 Các nguyên công chế tạo thiết bị SAW 111

Hình 3.21 Hình ảnh quá trình chế tạo thiết bị SAW 111

Hinh 3.22 Sản phẩm chế tạo 112

Hình 3.23 Đo phần tần số cộng hưởng thiết bị SAW 112

Hinh 3.24 Tần số cộng hưởng của thiết bị SAW trống 113

Hình 3.25 Mẫu phân tích XRD của hạt nano FeNi 113

Hình 3.26 Hình ảnh FESEM của hạt nano từ FeNi 114

Hình 3.27 Mẫu lớp nhạy từ 114

Hình 3.28 Quá trình gia nhiệt sấy khô cảm biến 115

Hình 3.29 Các mẫu cảm biến 115

Hình 3.30 Các bước chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 116

Hình 3.31 Hệ thống đo của cảm biến SAW-MO 117

Hình 3.32 Đáp ứng dịch tần số của các mẫu cảm biến 118

Hình 3.33 Mật độ phân bố các đảo FeNi của lớp nhạy từ: (a) mẫu cảm biến S2, (b) mẫu cảm biến S3 118

Hình 3.34 Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S2 được đo trên máy DektakXT 119

Hình 3.35 Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S3 được đo trên máy DektakXT 119

Hình 3.36 Đáp ứng tần số của mẫu cảm biến S2 tại H = 0 (Oe) và H = 100 (Oe) 120Hình 3.37 Đáp ứng tần số của mẫu cảm biến S3 tại H = 0 (Oe) và H = 80 (Oe) 120

Hình 3.38 Đáp ứng dịch tần số trung bình tại lớp nhạy có độ dày trung bình h3 = 195 (nm) 121

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc tính của cảm biến từ dạng SAW 16

Bảng 1.2 Các yếu tố tác động đến độ nhạy cảm biến 16

Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ 8

Bảng 1.4 Các loại vật liệu áp điện 37

Bảng 1.5 Các đặc điểm của những kim loại dùng chế tạo IDT 41

Bảng 2.1 Giá trị các thông số cấu trúc của cảm biến SAW-MO 49

Bảng 2.2 Các thông số vật lý của vật liệu áp điện (AlN, LiNbO3), nhôm (Al) và hợp kim FeNi 56

Bảng 2.3 Đáp ứng tần số(f) và dịch tần số (f)/cường độ từ trường của cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 63

Bảng 2.4 Đáp ứng Vận tốc SAW/cường độ từ trường của cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 66

Bảng 2.5 Các thông số cấu trúc hình học của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN 67

Bảng 2.6 Tần số trung tâm (f0) và vận tốc sóng âm bề mặt (VR) Tại các điểm có độ dày khác nhau của lớp nhạy từ FeNi (h3) 70

Bảng 2.7 Đáp ứng làm viêc của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1000 (nm) 72

Bảng 2.11 So sánh độ nhạy của các cảm biến từ dạng SAW 78

Bảng 2.12 Độ nhạy (Sn) và độ dịch tần số (f) của cảm biến với hai nhóm thông số cấu trúc Khi dải làm việc từ 0 đến 33.1 (Oe) 83

Bảng 2.13 Số lượng nguyên tử tinh thể fcc, hcp và vđh của mẫu tại 300 (K) phụ thuộc vào sự biến dạng  88

Bảng 3.1 Các thông số vật lý của các lớp vật liệu: Áp điện (ST-Quartz), nhạy từ (FeNi), Nhôm (Al) và PVA 95

Bảng 3.2: Tần số trung tâm của cảm biến với độ dày lớp nhạy h3 = 190 (nm) và 200 (nm), khi H = 0 (Oe) 98

Bảng 3.3: Độ nhạy (Sn) của cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz 100

Bảng 3.4 Mối quan hệ giữa vm và H 106

Bảng 3.5 Các mẫu lớp nhạy từ 115

Bảng 3.6 Dải đo và độ nhạy của cảm biến giữa mô phỏng và thực nghiệm 121

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

AMR Anisotropic Magnetoresistance Từ trở dị hướng

tính toán thiết kế công nghiệp

APDL Ansys Parametric Design

CNA Common Neighbor Analysis Phương pháp phân tích lân cận

chung COM Coupling of Modes Phương pháp ghép cặp chế độ

riêng COMSOL Comsol Multiphysics Phần mềm phân tích phần tử

hữu hạn, giải và mô phỏng

CVD Chemical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng hơi

hóa học ĐLHPT Động lực học phân tử Phương pháp mô phỏng động

lực học phân tử MD ECM Crossed-field Equivalent

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FESEM Field Emission Scanning

IDT-in Inter Digital Tranducer-Input Bộ điện cực đầu vào IDT-out Inter Digital Tranducer-Output Bộ điện cực đầu ra

IRM Impulse Response Model Mô hình đáp ứng xung ITIMS International Training Institute

for Materials Science

Viện Đào tạo quốc tế về khoa

học vật liệu, Trường vật liệu,

Đại học Bách khoa Hà Nội

ME Magnetoelectric Từ điện MEMS Micro Electro Machanical

SAW-MO SAW-Magnetostriction SAW-từ giảo SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SI System International unite Hệ đơn vị quốc tế SI

SQUID Superconducting Quantium

Interference Device Lượng tử siêu dẫn TCF Temperature Coefficient of

Frequency Hệ số tần số phụ thuộc nhiệt độ

TMR Tunnel magnetoresistance Từ trở xuyên hầm

23 Sa, Sl, Sn Độ nhạy (Sensitivity) 24 m Khối lượng, Độ từ hóa (Từ độ) 25  Hệ số từ giảo, Bước sóng 26 ke Hệ số ảnh hưởng tỉ lệ nồng độ hạt nano FeNi và PVA

29 Kx Độ cứng của lò so

31 E Năng lượng tổng, hoặc Module Young

36 Nx, Ny, Nz Hệ số khử từ theo các trục tọa độ x, y, z

38 Heff Cường độ từ trường hưởng ứng (tác dụng) 39 IDTin(f) Ma trận truyền [ABCD] của bộ điện cực vào 40 IDTout(f) Ma trận truyền [ABCD] của bộ điện cực ra 41 D(f) Ma trận truyền [ABCD] của lớp nhạy vùng delay-line 42 vm Vận tốc sóng âm bề mặt vùng phủ vật liệu trên đế áp điện 43 SAW(f) Ma trận truyền [ABCD] của cảm biến

44 CS Điện dụng trễn mỗi cặp ngón tay 45 S21 Tỉ lê năng lượng đầu ra trên đầu vào của mạng hai cửa 46 x, y, z Các trục của hệ trục tọa độ

47 w Khẩu độ âm (hay khẩu độ sóng âm)

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Cảm biến từ là một trong những loại cảm biến có khả năng đo nhiều các đại lượng vật lý và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghệ thông tin-điện tử [1, 2], y học [3, 4], định vị [5], ô tô tự hành [6, 7], robot [8, 9], thăm dò địa chất [10] và đặc biệt là trong các hệ thống đo lường, thu thập dữ liệu và tự động hóa công nghiệp Cảm biến từ cũng được biết đến và hoạt động bằng nhiều nguyên lý khác nhau, mỗi nguyên lý có ưu và nhược điểm riêng như từ trở, cảm ứng điện từ, hiệu ứng Hall, v.v [11-14] Bên cạnh đó, các thiết bị hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW: Surface Acoustic Wave) đã và đang được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tương lai bởi chúng có ưu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo và có hiệu suất cao cùng nhiều ưu điểm khác [15] Thiết bị SAW có thể hoạt động như cảm biến [16-18], bộ truyền động hay cơ cấu chấp hành [19, 20], bộ lọc [21] và bộ xử lý tín hiệu [2] Chúng thậm chí có thể hoạt động mà không cần cấp nguồn (cảm biến thụ động) và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt [7, 22] Trong những năm đây, cảm biến từ áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt kết hợp với vật liệu nhạy từ giảo (cảm biến SAW-MO: SAW-Magnetostriction) với hiệu ứng delta-E được quan tâm và phát triển Cấu trúc của cảm biến có thể lựa chọn các loại như: cấu trúc delay-line hai cổng, bộ cộng hưởng SAW một cổng và loại tải phát vấn Thông tin đo của cảm biến được thể hiện qua biên độ, pha hoặc tần số của điện áp đầu ra và rất dễ dàng cho việc gia công và xử lý tín hiệu đo bằng phương pháp số Mặt khác, các tín hiệu vật lý có thể đo thông qua từ trường rất phổ biến trong thực tế như cường độ từ trường, dòng điện, góc, tốc độ, v.v Các đại lượng này có giá trị rất nhỏ như từ trường sinh học [từ trường được tạo ra bởi não người khoảng 3*10-14(Oe)], lớn hơn là từ trường trái đất khoảng 40 (Oe), lớn hơn nữa là từ trường trong máy chụp cộng hưởng từ khoảng 2*104 (Oe), v.v hay từ trường rất lớn là sinh ra trong các ngôi sao Neutron đến 1012 (Oe) Như vậy, dải đo của từ trường là rất rộng khoảng từ 10-14 (Oe) đến 1012 (Oe) [23, 24] Điều này đặt ra nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ, đặc biệt là cảm biến từ khi đo ở vùng từ trường thấp như từ trường sinh học (do não, tim phát ra), từ trường trong không gian đô thị và phát hiện sinh tồn nhờ từ trường, v.v Ngoài các ưu điểm chung của thiết bị SAW như trên, cảm biến từ SAW-MO còn có thêm các ưu điểm như độ bền cao, tuổi thọ của cảm biến dài, thời gian tác động và phục hồi nhanh, chu kỳ lấy mẫu nhanh và đặc biệt là rất nhạy đối với các tín hiệu nhỏ Với những ưu điểm như trên, cảm biến từ dạng SAW hứa hẹn sẽ mạng lại nhiều lợi ích khi ứng dụng đo ở vùng từ trường thấp Vì vậy, nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO là quan trọng và cần thiết

Đề tài luận án “Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ” tập trung thực hiện nghiên cứu

sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc, bao gồm: độ dày lớp nhạy từ, độ dày đế áp

điện và loại vật liệu áp điện đến độ nhạy và dải đo của cảm biến từ dạng SAW trong dải từ trường thấp Từ đó, xác định được cấu trúc của cảm biến cho độ nhạy tốt nhất Tiến hành mô phỏng tính toán một số thông số cơ lý của lớp vật liệu nhạy Khảo sát mô hình mô phỏng tương đương làm cơ sở chế tạo cảm biến từ dùng vật liệu nhạy FeNiPVA và chế tạo thực nghiệm để minh chứng cho tính đúng đắn của mô hình toán học và kết quả mô phỏng khi hoạt động trong vùng từ trường thấp

Mục tiêu

Trước những vấn đề thực tế đặt ra cho cảm biến từ dạng SAW và sự khó khăn gặp phải ở trên Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt hoạt động trong dải từ trường một chiều thấp khoảng từ 0 đến 200 (Oe) Trong đó cần mô phỏng tính toán sự ảnh hưởng loại và độ dày đế áp điện, độ dày lớp vật liệu nhạy từ để xác định độ nhạy tốt nhất của cảm biến Đồng thời nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm cảm biến từ với cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết về sóng âm trong vật rắn, tác động của trường khử từ đến phạm vi khảo sát của luận án, một số vật liệu cần thiết và mô phỏng trên các phần mềm ANSYS, Fortran, Matlab có độ tin cậy cao, thừa kế các kết quả nghiên cứu đã được công bố, phân tích từ tổng quan đến chi tiết và chế tạo thực nghiệm để giải quyết mục tiêu đề ra

Ý nghĩa thực tiễn

Luận án thực hiện quá trình nghiên cứu nhằm đánh giá và cải thiện độ nhạy của cảm biến SAW-MO Đề tài đã chế tạo được cảm biến SAW-MO bằng công nghệ vi cơ điện tử và nhỏ phủ, qua đó góp phần bổ sung thêm một phương pháp chế tạo đơn giản và chi phí thấp cho hướng nghiên cứu này Trước khi chế tạo, luận án đã tiến hành lựa chọn cấu trúc, tính toán mô phỏng trên phần mềm ANSYS APDL và xây dựng được quy trình kỹ thuật để chế tạo cảm biến là những nội dung mang ý nghĩa thực tiễn của luận án Quá trình chế tạo thực nghiệm cảm biến là sự kết hợp của nhiều công đoạn kỹ thuật khác nhau, bao gồm: phún xạ, quang khắc, ăn mòn hóa học, tạo mẫu và phân tán lớp nhạy FeNiPVA với hạt nano FeNi được thừa kế từ nghiên cứu trước, nhỏ phủ, quy trình xấy khô, kiểm thử, thiết lập hệ thống đo và xử lý dữ liệu

Ý nghĩa khoa học

Đề tài thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu trong kỹ thuật đo lường và cảm biến là một trong những hướng nghiên cứu và đạo tạo của chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Luận án có hai đóng góp chính trong việc tính toán mô phỏng tối ưu hóa độ nhạy của cảm biến, đồng thời khảo sát mô hình mô phỏng tương đương và xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo cảm biến để đánh giá ảnh hưởng lớp nhạy từ đến độ nhạy:

(1) Thực hiện tính toán sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày của đế áp điện đến dải đo và độ nhạy của cảm biến Theo đó, luận án xác định

được cấu trúc cảm biến có độ nhạy tốt nhất là 10.287 (kHz/Oe) và tiếp tục cải thiện độ nhạy của cảm biến khi dải đo thấp từ 0 đến 33.1 (Oe) Hơn nữa, luận án áp dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD) để tính toán những thông số cơ tính và từ tính của vật liệu nhạy từ làm đầu vào cho mô phỏng FEM và đánh giá điều kiện làm việc cho cảm biến

(2) Thực hiện nghiên cứu, xây dựng quy trình kỹ thuật và chế tạo cảm biến từ dạng SAW sử dụng lớp nhạy từ FeNiPVA và đế áp điện Quartz Trong đó đã làm rõ sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ hạt nano FeNi và polyme PVA đến độ nhạy bằng mô phỏng và thực nghiệm Cảm biến có khoảng đo là 0 đến 80 (Oe) và độ nhạy là 208 (Hz/Oe) Đồng thời đề xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền [ABCD] cho lớp nhạy FeNi trong mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền TM

Cấu trúc của luận án Phần Mở đầu trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

của luận án.Chương 1 (Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt); Tìm hiểu

tổng quan về cảm biến từ; tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cảm biến từ, từ đó nhận định các thách thức cần giải quyết; Tìm hiểu về cơ chế hình thành sóng âm và cơ sở lý thuyết của sóng âm trong chất rắn; Tìm hiểu và lựa chọn các loại vật liệu dùng trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO; Tìm hiểu về các

phương pháp tính toán và mô phỏng cảm biến Chương 2 (Lựa chọn cấu trúc và mô

phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO) trình bày sự lựa chọn cấu trúc

cảm biến, xây dựng mô hình mô phỏng FEM, thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện nhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến và sử dụng mô phỏng MD để tính toán các thống số vật lý lớp nhạy từ

Chương 3 (Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ

FeNiPVA) trình bày về xây dựng mô hình mô phỏng FEM, khảo sát mô hình mô

phỏng tương đương lớp vật liệu nhạy FeNiPVA; đề xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền lớp nhạy FeNi cho mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền (mô hình mạch điện tương đương) và xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo

thực nghiệm cảm biến SAW-MO Phần Kết luận và hướng phát triển trình bày tóm

tắt các đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo

Chương 1 Tổng quan về cảm biến từ dạng

sóng âm bề mặt

1.1 Tổng quan về cảm biến từ

Để thấy rõ bức tranh tổng thể về cảm biến từ nói chung, luận án thực hiện khảo sát tổng quan về các loại cảm biến từ dựa trên các nguyên lý hoạt động khác nhau Cảm biến từ đã được sử dụng cách đây hơn 2000 năm, các ứng dụng ban đầu là để tìm hướng và dẫn đường (la bàn) Ngày nay, cảm biến từ vẫn là bộ phận dẫn hướng chính trên các phương tiện giao thông, thiết bị quân sự, v.v và cảm biến từ cũng đã được phát triển thêm các tính năng dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Công nghệ cảm biến từ cũng đã phát triển do nhu cầu về cải thiện độ nhạy, kích thước nhỏ hơn và khả năng tương thích với các hệ thống điện tử, máy móc khác nhau[25] Cảm biến từ được nghiên cứu và chế tạo dựa trên cơ sở các định luật và hiệu ứng vật lý Cụ thể là: cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall [26, 27], dựa trên định luật cảm ứng điện từ (Search coil) [13, 14], dựa trên hiệu ứng từ trở dị hướng AMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR [11, 28], dựa trên hiệu ứng từ tổng trở GMI [23, 29], dựa trên nguyên lý từ thông dọc trục (Flux gate) [30, 31], dựa trên nguyên lý từ thông siêu dẫn SQUID [32-34], dựa trên hiệu ứng từ điện ME là sự kết hợp giữa hiệu ứng áp điện và hiệu ứng từ giảo [35, 36] có cấu trúc kiểu sandwich Gần đây, nhiều nhóm đã tiến hành nghiên cứu cảm biến từ trên nguyên tắc kết hợp hiệu ứng sóng âm bề mặt với hiệu ứng áp điện (PE: Piezoelectric), nhằm mục địch thu nhỏ thiết bị, cải thiện các đặc tính làm việc của cảm biến (như: độ nhạy, dải đo), dễ chế tạo và tăng tần số làm việc của cảm biến [15, 37-40]

 SAW-GMI

 SAW-MO

Các Hình 1.1 và Hình 1.2 chỉ ra các loại, cũng như là cách phân loại cảm biến từ và dải đo của chúng

Hình 1.2 Dải đo các loại cảm biến từ [25]

Hình 1.2 cho thấy cảm biến từ dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ có dải đo rộng nhất, còn dựa trên nguyên lý lượng tử siêu dẫn thì có độ nhạy cao nhất

Trong thực tế cường độ từ trường có khá nhiều đơn vị (T: Tesla, G: Gauss, Oe: Oersted, v.v) và được tính toán trong các hệ quy chiếu khác khác nhau như: hệ CGS và hệ SI và dưới đây là chuyển đổi giữa một số các đơn vị đo từ trường [25]

Hình 1.3 Nguyên lý cảm biến Hall [41]

 Cảm biến từ trở

Hiệu ứng từ trở được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở của các vật liệu sắt và niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và chiều của véctơ từ độ Hiệu ứng này còn phát hiện trong nhiều chất bán dẫn, oxit kim loại và nhiều màng mỏng từ Từ trở dị hướng AMR thường ở dạng cấu trúc vô định hình (dị thể) hoặc cấu trúc tinh thể đơn lớp Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong chế tạo cảm biến [12, 41, 42]

Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát thấy trong một số màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988 đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) trên màng mỏng kiểu bánh kẹp Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sud trên các màng đa lớp Fe/Cr Phát hiện này đã mở ra một ngành mới gọi

là điện tử học spin (spintronics) nghiên cứu các linh kiện điện tử mới hoạt động dựa

trên điều khiển tính chất spin của điện tử Ngoài ra, hiệu ứng GMR còn phát hiện thấy trên một số màng mỏng dạng hạt (ví dụ màng hợp kim dị thể CoCu, CoAg, v.v) Hiệu ứng GMR được ứng dụng trong công nghệ chế tạo cảm biến và đặc biệt là trong các thiết bị nhớ (ổ đĩa) để xác định giá trị các bit nhớ [12]

Hiệu ứng TMR là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn Hiệu ứng TMR lần đầu tiên được phát hiện trên các màng đa lớp sắt kẹp giữa là lớp germanium (Ge) đóng vai trò lớp cách điện Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với Al2O3 đóng vai trò lớp cách điện, cho hiệu ứng MR tới 11,8% ở nhiệt độ phòng Cùng với phát minh về hiệu ứng GMR, hiệu ứng TMR được cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các nghiên cứu về linh kiện spintronic và được ứng dụng phổ biến trong thiết bị nhớ [11, 28, 43]

Như vậy, hiệu ứng từ trở được ứng dụng trong thực tế để đo một số đại lượng vật lý (như: vị trí, vận tốc góc, góc quay, v.v), điển hình là cảm biến HCM1501, HCM1502 của hãng Honeywell sử dụng hiệu ứng AMR [44] Cảm biến AC00x-xx của hãng NVE sử dụng hiệu ứng GMR [45] Nhược điểm của nguyên lý là đặc tính làm việc của các cảm biến dạng phi tuyến và thường có quan hệ hàm bậc hai hoặc dạng hàm sin

 Cảm biến từ dựa trên định luật Faraday (Induction coil, search coil)

Cảm biến cảm ứng khi chế tạo thường có hai loại: Loại cuộn dây không có lõi từ (lõi không khí) và loại cuộn dây dùng lõi sắt từ Đáp ứng tần số đầu ra của cảm biến được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau và phù hợp với các ứng dụng như: Cuộn dây Rogowski, cảm biến đo sai trọng, cảm biến đo độ rung, cảm biến đo trường tiếp tuyến và đầu dò kim loại, ngoài ra còn được ứng dụng để chế tạo antenna Cảm biến cảm ứng được biết đến như một loại cảm biến rất nổi tiếng, cổ điển và còn được gọi là cảm biến từ hoạt động dựa trên định luật cảm ứng của Faraday, tuy nhiên nhược

 Cảm biến từ dựa trên kích từ dọc (flux gate)

Từ kế kích từ dọc được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị la bàn Chúng được phát triển từ năm 1928 và ứng dụng trong quân đội để phát hiện tàu ngầm Cảm biến fluxgate còn được sử dụng để lập bản đồ từ trường không khí và khảo sát địa lý Loại từ kế fluxgate phổ biến nhất được gọi là thiết bị sóng hài bậc hai Thiết bị bao gồm hai cuộn dây (Hình 1.4), một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp quấn quanh một lõi sắt từ có khả năng chịu lực cao Cảm ứng từ của lõi thay đổi khi thiết bị được đặt vào từ trường ngoài biến thiên Nguyên lý hoạt động, cuộn sơ cấp được cung cấp một tín hiệu (điện áp điều khiển: VDrive) có tần số (f) Bên thứ cấp sinh ra một tín hiệu (VSense), tín hiệu này có biện độ phụ thuộc vào sự thay đổi của cảm ứng từ trong lõi sắt từ Sử dụng một bộ phát hiện pha, sau đó tín hiệu được giải điều chế và lọc để suy ra giá trị của từ trường cần đo Từ kế fluxgate có thể đo tín hiệu có giá trị khoảng microGauss và ứng dụng để đo cường độ và hướng của từ trường [13, 14, 25] Một số thiết bị sử dụng hiệu ứng kích từ dọc như từ kế APS520 của Applied Phisics [46], tuy nhiên nhược điểm của loại cảm biến này cũng là khả năng thu nhỏ về kích thước

Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý cảm biến kích từ dọc [25]

 Cảm biến từ SQUID

Từ kế SQIUD làm việc dựa trên nguyên lý giao thoa lượng tử siêu dẫn, được phát triển vào khoảng năm 1962 với sự trợ giúp bởi công trình của Brian J Josephson để để đo dòng điện cực thấp và có thể đo từ trường cực thấp cỡfempto-Tesla (fT) với độ chính xác cao Đây là chìa khóa để sử dụng trong y tế vì trường từ trường thần kinh của bộ não con người chỉ bằng vài phần mười so với fempto-Tesla, tức là yếu hơn khoảng 9 lần so với từ trường của Trái đất Tuy nhiên hầu hiết các từ kế SQUID cần nhiệt độ môi trường làm việc rất thấp khoảng 4K [32-34, 47]

 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện ME

Hiệu ứng từ điện đã được phỏng đoán lần đầu tiên vào năm 1894, được gọi tên chính thức vào năm 1926 Các nghiên cứu đã cho thấy hiệu ứng từ điện có khả năng ứng dụng thực tiễn vào rất nhiều lĩnh vực như: thiết bị chuyển đổi tín hiệu (tranducer), thiết bị lọc tín hiệu (filter), thiết bị lưu trữ thông tin và đặc biệt là cảm biến từ trường có độ nhạy và độ phân giải cao Các nghiên cứu về mối tương quan giữa các tính chất điện, tính chất cơ 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 cuờng độ điện trường Các tính chất từ được thể hiện thông qua từ độ và cường độ từ trường Vật liệu tổng hợp từ điện được chế tạo bằng cách kẹp một lớp áp điện ở giữa hai lớp

từ giảo và đáp ứng làm việc của cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện có tín hiệu vào là từ trường, tín hiệu ra là điện áp, độ nhạy của cảm biến phụ thuộc nhiều vào hệ số từ giảo của vật liệu nhạy từ [35, 36]

Như vậy, trong các loại cảm biến từ trên ta thấy rằng, cảm biến Hall có cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo, đặc tính làm việc cơ bản tuyến tính, độ nhạy ở mức độ trung bình Tuy nhiên độ nhạy của cảm biến lại tỷ lệ thuận với kích thước của cảm biến nên khi muốn tăng độ nhạy thì lại ảnh hưởng đến sự thu nhỏ của cảm biến Mặt khác, độ nhạy của cảm biến cũng phụ thuộc vào độ linh hoạt của thanh Hall, nếu tăng độ linh hoạt để tăng độ nhạy thì lại làm cho tính bền vững và độ ổn định (trôi điểm không) của cảm biến bị kém đi vì độ linh hoạt càng cao thì vật liệu chế tạo thanh Hall càng mềm và lỏng Với nhóm các cảm biến sự dụng vật liệu từ trở thì cho độ nhạy cao hơn cảm biến Hall, nguyên lý cho phép cảm biến có khả năng thu nhỏ nhưng đáp ứng của cảm biến lại phi tuyến (dạng hàm bậc hai hoặc hàm sin) Về cảm biến từ dựa trên định luật Faraday và loại flux gate cũng cho độ nhạy tốt và dải đo rộng, đo được từ trường xoay chiều và đặc biệt còn xác định được hướng của từ trường Ngược lại, nhược điểm lớn nhất của loại cảm biến này rất khó thu nhỏ kích thước khi chế tạo Còn về cảm biến từ SQUID, loại này có độ nhạy và dải đo tốt hơn cả, nhưng lại gặp khó khăn khi vận hành do liên quan đến nhiệt độ môi trường làm việc rất thấp 4K Cuối cùng, cảm biến từ dựa trên hiện tượng từ điện, loại này có khả năng thu nhỏ kích thước cảm biến Tuy vậy để tăng độ nhạy của của biến thì cần có các vật liệu có hệ số từ giảo lớn và nhiệt độ Curie (Tc) cao Chi tiết về ưu nhược điểm của các nguyên lý được thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ

1 Hall

Có cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo, đặc tính làm việc cơ bản tuyến tính, độ nhạy ở mức độ trung bình

Khi muốn tăng độ nhạy thì gặp trở ngại về kích thước và cấu trúc hình học không ổn định do độ linh hoạt cao

2 Từ trở: MR (AMR, TMR, GMR, GMI)

Có thể chế tạo với kích thước nhỏ, ứng dụng đo nhiều các đại lượng vật lý với nhiều loại cấu trúc khác nhạu Có thể kết hợp với nguyên lý khác để tăng độ nhạy

Đặc tính của cảm biến phi tuyến thường là hàm bậc hai hoặc hình sin

3 Faraday & Flux Gate

Cho độ nhạy tốt và dải đo rộng, đo được từ trường xoay chiều và đặc biệt còn xác định được hướng của từ trường

Loại cảm biến này rất khó thu nhỏ kích thước khi chế tạo

4 Lượng tử siêu dẫn: SQUID

Loại này có độ nhạy rất cao và dải đo rộng

Gặp khó khăn khi vận hành do liên quan đến nhiệt độ môi trường làm việc rất thấp khoảng 4K

5 Từ điện: ME

Loại này có khả năng thu nhỏ kích thước cảm biến, cảm biến có độ nhạy tốt

Khi tăng độ nhạy của của biến thì cần có các vật liệu có hệ số từ giảo lớn và nhiệt độ Curie (Tc) cao

6 SAW-MO

Có khả năng chế tạo với kích thước nhỏ, Độ nhạy rất cao trong vùng từ trường thấp, làm việc ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, tín hiệu ra đa dạng, thụ động và không dây

Dải đo của cảm biến hẹp

Qua tìm hiểu, việc lựa chọn cảm biến từ trường dạng sóng âm bề mặt để tìm hiểu, khảo sát và nghiên cứu là cần thiết và hợp lý với yêu cầu ngày càng mong muốn cảm biến có độ nhạy cao và kích thước cần thu nhỏ đến mức độ phù hợp trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống và sản xuất

1.2 Đặt vấn đề

Cảm biến nói chung và cảm biến làm việc dựa trên hiệu ứng sóng âm bề mặt nói riêng đóng một vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống, khoa học và công nghệ Cụ thể hơn là trong các hệ thống đo lường-điều khiển, các quá trình này đều thể hiện thông qua các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, tốc độ, nồng độ, từ trường, v.v, đa số các đại lượng này đều là không điện Vì vậy, cần có các bộ cảm biến để đo, thu thập thông tin và theo dõi diễn biến của các biến trạng thái Như vậy, ta có thể định nghĩa cảm biến là thiết bị cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu và kích thích [48] Đặc biệt, ngày nay vai trò của các cảm biến lại càng quan trong, nhất là trong các thiết bị công nghiệp, các máy phân tích trong lĩnh vực sinh học, các hệ thống quan trắc và quản lý môi trường cũng như phát hiện sự sống, v.v Hơn nữa, với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay đòi hỏi các cảm biến ngày càng có độ chính xác, độ tin cậy, khả năng thu nhỏ, độ bền cao và độ nhạy cao Bên cạnh đọ, yêu cầu về khả năng làm việc của chúng trong các môi trường khắc nghiệt, thụ động và không dây cũng là một trong các tiêu chí để lựa chọn cảm biến khi đo vùng tín hiệu nhỏ Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển loại cảm biến đáp ứng được các tính chất trên là cấp thiết, các thiết bị hay cảm biến làm việc trên nguyên lý sóng âm bề mặt hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu trên [49-52] Các bộ cảm biến được nghiên cứu và chế tạo trên nguyên lý sóng âm bề mặt (gọi tắt là cảm biến SAW), chúng được ứng dụng trong nhiều các lĩnh vực, cũng như là đo rất nhiều các đại lượng vật lý khác nhau được thể hiện trên Hình 1.1 [15, 37, 38, 40, 51] Với cảm biến biến từ nói chung và cảm biến từ dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt (cảm biến từ dạng

SAW) nói riêng có thể đo các đại lượng như dòng điện, từ trường, hướng, vị trí, v.v bằng nhiều cách kết hợp khác nhau giữa hai nhóm vật liệu nhạy từ (từ trở, từ giảo, từ tính) và áp điện để cho ra các nguyên lý hoạt động khác nhau đáp ứng được yêu cầu [25, 53-55] Trong phạm vi nghiên cứu, luận án sử dụng vật liệu nhạy với hiệu ứng từ giảo (hay hiệu ứng delta-E) kết hợp với sóng âm bề mặt (cảm biến SAW-MO) để nghiên cứu, cải thiện độ nhạy và chế tạo thực nghiệm cảm biến đo cường độ từ trường trong vùng từ trường thấp Với vùng từ trường thấp, các thiết bị đo cần phải có độ nhạy cao, thực tế cho thấy như phương pháp lượng tử siêu dẫn đo từ trường thấp rất tốt nhưng lại hạn chế bởi nhiệt độ vận hành khoảng 4 (K) Phương pháp sử dụng quận dây Faraday cũng có thể đo từ trường thấp, tuy nhiên thiết bị lại to và kồng kềnh Vì vậy, với hy vọng tận dụng ưu điểm của cảm biến SAW là rất nhạy với tín hiệu nhỏ và khả năng chế tạo kích thước nhỏ sẽ tạo ra được một cảm biến từ có thể hoạt động trong vùng từ trường thấp

Hình 1.5 Ứng dụng cảm biến SAW trong các lĩnh vực [15, 18, 37, 51, 56, 57]

Ứng dụng cảm biến SAW

Các đại lượng vật lý (thông số) cơ bản cần đo

cho mỗi lĩnh vực tương ứng

Các đại lượng trên được xác định thông qua xử lý các thông số đầu ra của cảm biến gồm:

Tần số, Biên độ, Pha và Vận tốc sóng âm

Sinh học (Biological) Cơ khí

(Mechanical)

Hóa học (Chemical)

Vi lỏng (Microfluidics)

Từ học (magnetism)

Giám sát kết cấu (Structural Health Monitor) Vận chuyển bột

(Powder Transport)

Ung thư (Cancer cells)

Chiến tranh sinh học

(Biowarfaire) Độc tố sinh học

(Biotoxins) 

Hơi vô cơ (Inorganic vapors) Thuốc nổ

(Explosives) Hơi hữu cơ

(Organic vapors) 

Phát hiện chất lỏng (Liquid sensing) Chất gây ô nhiễm

(comtaminants) 

Từ trường sinh học

(biomagnetic) Không gian

(Dimension) Từ tính

(Magnetic)

Đại lượng Đại lượng Đại lượng Đại lượng Đại lượng

- Mật độ (Density) - Điện dẫn

(Conductivity) - Mô đun đàn hồi

(Elastic Modulus) - Nhiệt độ

(Temprature)

- Khối lượng (Mass) - Độ nhớt

(Viscosity) - Mật độ (Density) - Điện dẫn

(Conductivity) - Áp suất

(Pressure) - Khối lượng

(Mass) - Độ nhớt

(Viscosity) - Mật độ (Density) - Điện dẫn

(Conductivity) -

- Từ trường (Magnetic field) - Mô đun đàn hồi (Elastic Modulus) - Mật độ (Density) - Mật độ (Density)

- Điện dẫn (Conductivity) - Áp suất

(Pressure)

Với cảm biến SAW-MO tín hiệu ra của cảm biến dạng điện áp, giá trị đại lượng đo được thể hiện qua quá trình xử lý một trong các thông số của tín hiệu gồm dịch biên độ, dịch pha hoặc dịch tần số Mỗi thông số có đặc điểm riêng; với biên độ thì dễ dàng thực hiện khuếch đại và số hóa để xử lý, tuy nhiên do điện áp ra của cảm biến nhỏ nên dễ tác động bởi nhiễu; với dịch pha thì dải đầu ra của tín hiệu bị giới hạn bởi chu kỳ của tín hiệu; còn với dịch tần số, phép đo trở nên thuận tiện hơn trong xử lý, số hóa và đặc biệt là dải tần số không bị giới hạn

Hình 1.5 tổng hợp các lĩnh vực ứng dụng cảm biến SAW như: Phát hiện và giám sát lỗi trong kết cấu cơ khí, phát hiện các độc tố sinh học, phát hiện ung thư trong lĩnh vực y sinh học, phát hiện sự sinh tồn thông qua từ trường phát ra của vật thể sống (Từ trường sinh học), v.v Các yếu tố trên được thể hiện bởi các đại lượng như: Mật độ, điện dẫn, độ nhớt, module đàn hồi, nhiệt độ, áp suất, v.v Và cuối cùng qua các thống số đầu ra là tần số, biên độ hoặc pha của cảm biến SAW, các đại lượng này được đo để ước lượng các yếu tố cần đánh giá trong mỗi lĩnh vực

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Qua khảo sát, dải đo của cường độ từ trường là rất rộng từ 10-14 (Oe) đến 1012 (Oe) có thể chia ra thành ba vùng: vùng thấp [10-14  102] (Oe), vùng trung binh [102 

106] (Oe) và vùng cao [106 1012] (Oe) Với ưu điểm của cảm biến SAW là rất nhạy với tín hiệu nhỏ, do đó luận án thực hiện nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ trường hoạt động trong vùng từ trường thấp và tìm cách nâng cao độ nhạy cho cảm biến

Cảm biến từ dạng SAW thường được nghiên cứu và phát triển trên các cấu trúc SAW với ba dạng: Dạng thứ nhất là loại SAW-Transponder (Tải phát vấn) dùng vật liệu từ tổng trở khổng lồ GMI để làm vật liệu nhạy từ, loại nguyên lý này cho phép đo được từ trường xoay chiều và cho phép phát triển các loại cảm biến không dây và thụ động, thông tin đo của cảm biến dạng biên độ; Dạng thứ hai là loại SAW delay-line (bộ phận nhạy từ nằm ở giữa hai bộ điện cực IDT) dùng vật liệu nhạy từ có tính chất từ giảo (hay hiệu ứng delta-E: Tác động của cường độ từ trường làm thay đổi giá trị module Young), dạng nguyên lý này gọi là cảm biến SAW-MO, thông tin đo của cảm biến được thể hiện ở các dạng biên độ, pha hoặc tần số; Và dạng thứ ba, cũng dùng vật liệu từ giảo nhưng lại kết hợp với bộ cộng hưởng SAW (hay thiết bị SAW một cổng) Loại cảm biến này, lớp nhạy từ được phủ toàn bộ lên trên bề mặt của cảm biến và cần có lớp cách điện để không làm ngắn mạch các bộ điện cực Hoặc các bộ điện cực IDT nằm ở mặt trên đế áp điện, lớp nhạy từ nằm ở mặt dưới đế áp điện (áp dụng cho loại đế áp điện dạng màng mỏng), thông tin đo của cảm biến dạng tần số [51, 53, 58] Có thể nhận thấy hầu hết các nghiên cứu từ năm 1975 đến nay, vật liệu đế áp điện dùng cho nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ chủ yếu dùng hai loại Quartz (SiO2) và Nithium Niobate (LiNbO3) [53, 58-61] Gần đây, một số nhóm nghiên bắt đầu chuyển sang đế áp điện AlN (Alumium Nitride) với ưu điểm là vận tốc sóng âm bề mặt lớn [62-64]

Lần đầu tiên năm 1969, F W Voltmer và cộng sự nghiên cứu đề xuất cấu trúc của cảm biến từ dựa trên sự kết hợp giữa sóng đàn hồi bề mặt xảy ra trên vật liệu áp điện với hiệu ứng từ giảo Cấu trúc sử dụng vật liệu YIG (Yttrium IronGarnet), trên vật liệu này xảy ra cà hai hiệu ứng áp điện và từ giảo Cảm biến có tần số trung tâm là 60 (MHz) Cấu trúc của hai bộ điện cực (IDT) vào-ra có dạng đường uốn khúc (meander line) dùng vật liệu nhôm và được chế tạo bằng công nghệ lắng đọng hơi hóa học [65] Các cảm biến từ dạng SAW sử dụng đế áp điện Quartz được xây dựng ở dạng hai cổng [59, 66-72] và dạng một cổng [73-78] Các công bố này sử dụng sóng âm bề mặt loại sóng Rayleigh [59, 67, 68, 70, 73-75] hoặc sóng LOVE [66, 69, 71, 72, 76-79] Vật liệu từ giảo bao gồm: Fe, Ni [73-75], FeB [69], CoFeB [78, 79], FeCoSiB [59, 66, 68,

70-72, 76, 77] và sự kết hợp giữa vật liệu sắt từ FeCoNi và phản sắt từ MnIr [67] Nghiên cứu [69] sử dụng cấu trúc SAW hai cổng đã chỉ ra phương pháp chế tạo các bộ điện cực IDT để phát và nhận sóng âm bề mặt ở dạng sóng LOVE với lớp nhạy từ sử dụng FeB (hợp chất Sắt và Boron), cảm biến hoạt động tại tần số trung tâm là 70 (MHz) và dải từ trường tác động là 0 đến 120 (Oe) Nghiên cứu chưa xem xét đến các yếu tố tác động đến đặc tính của cảm biến

Nhóm Kadota và cộng sự [74, 75], sử dụng cấu trúc dạng bộ cộng hưởng SAW (loại một cổng), trong đó sử dụng kim loại Ni vừa đóng vai trò là bộ điện cực IDT, vừa đóng vai trò là vật liệu nhạy từ Nghiên cứu thực nghiệm trên ba cấu trúc: Cấu trúc A có đặc điểm là khoét các rãnh trên bề mặt đế Quartz và phủ Ni vào đó; Cấu trúc B điện cực Ni được phủ một phần nằm ở dưới bề mặt và một phần nằm nổi lên trên bề mặt đế áp điện; Và cấu trúc C điện cực Ni được phủ lên trên bề mặt của đế áp điện Kết quả là cấu trúc A và B cho độ nhạy tốt hơn cấu trúc C, nhưng hệ số phẩm chất (the Quality factor) Q lại không đủ lớn và cấu trúc B đạt độ nhạy lớn nhất Cảm biến chỉ thực hiện được ở dải đo B = [10  25] (mT) với độ nhạy là 2.17 (ppm/mT) Các nghiên cứu này tập trung xem xét sự ảnh hưởng cách chế tạo của 3 mẫu điện cực đến hệ số phẩm chất và hệ số phản xạ sóng âm tại các ngón tay của bộ điện cực

Eckhard Quandt và cộng sự sử dụng vật liệu nhạy dị hướng từ FeCoSiB với cấu trúc SAW hai cổng ở chế độ sóng LOVE [66] với mục đích nâng cao ngưỡng nhạy khi phát hiện từ trường sinh học có tần số thấp Nghiên cứu nhận thấy quá trình lắng đọng và ủ nhiệt cao trong giai đoạn hậu xử lý gây ảnh hưởng đến ứng xuất một trục của các lớp màng, điều này đồng nghĩa với việc gây ra khó kiểm soát chính xác tính dị hướng của các lớp màng và do đó làm giảm ngưỡng nhạy của cảm biến Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra khi thực hiện lắng đọng lớp nhạy ở nhiệt độ thấp thì tạo ra được cảm biến có ngưỡng nhạy cao, cụ thể là với từ trường sinh học có tần số 10 (Hz) thì ngưỡng nhạy đạt được là 70 (pT/√𝐻𝑧), và tại 100 (Hz), ngưỡng nhạy đạt là 25 (pT/√𝐻𝑧) Ngoài ra, [70] cũng sử dụng nguyên lý SAW hai cổng nhưng sóng âm bề mặt là sóng Rayleigh để phát hiện tín hiệu từ trường có tần số thấp Những yếu tố nhiễu tác động đến giới hạn phát hiện tín hiệu tần số thấp (LOD: Low-frequency limit Off Detection) là tổn hao bên trong cảm biến và từ trễ Nghiên cứu cho thấy không thể giảm ảnh hưởng của nhiễu bằng cách tăng độ nhạy (do giới hạn tăng độ nhạy) mà phải thực hiện giảm tổn hao trong vật liệu nhạy từ, cảm biến hoạt động tại tần số trung

tâm là 144.8 (MHz) đạt ngưỡng nhạy 70 (pT/√𝐻𝑧) Cũng là nhằm tăng ngưỡng nhạy cho cảm biến đo từ trường thấp ở vùng tần số thấp, công bố [67] nghiên cứu thành công phương pháp giảm số lượng tồn tại các vách đômen trong lớp nhạy từ bằng cách là ghép vật liệu sắt từ với vật liệu phản sắt từ (MnIr) Bằng cách này, một lớp nhạy từ rất phức tạp được tạo ra là Ta/MnIr/NiFe/FeCoSiB/Ta/Ta/MnIr/NiFe/FeCoSiB/Ta Cảm biến được thiết kế ở tần số trung tâm 142.6 (MHz) và giới hạn phát hiện là 28 (pT/√𝐻𝑧) với tín hiệu có tần số 10 (Hz), 10 (pT/√𝐻𝑧) với tín hiệu có tần số 100 (Hz) Nhóm Kittmann và các cộng sự, cũng sử dụng cấu trúc cảm biến SAW dạng hai cổng và sóng âm bề mặt cũng dùng chế độ sóng LOVE, nhóm thực hiện hai nghiên cứu Nghiên cứu thứ nhất [71], tác giả đã khảo sát về giới hạn ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ (25nm đến 400nm) sử dụng vật liệu vô định hình FeCoSiB đến độ nhạy của cảm biến Kết qủa cho thấy, với mẫu cảm biến có độ dày lớp nhạy 25 (nm) cho độ nhạy rất thấp là 1 (rad/T) Cũng chỉ ra rằng, độ dày lớp nhạy tăng thì độ nhạy cũng tăng với giới hạn tốt nhất độ dày lớp nhạy là từ 50 (nm) đến 300 (nm) Tuy nhiên, nghiên cứu chưa chỉ ra được với độ dày lớp nhạy là bao nhiêu thì cảm biến cho độ nhạy tốt nhất Nghiên cứu thứ hai [72] xem xét sự thay đổi độ nhạy khi khảo sát đáp ứng của cảm biến ở sóng cơ bản và sóng bậc 2 Cảm biến có cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz với độ dày lớp nhạy cố định là 200 (nm) Kết quả cho thấy sóng cơ bản cho độ nhạy tốt hơn Cả hai nghiên cứu này, thông số đầu ra của cảm biến dạng dịch pha và cho độ nhạy lần lượt là 0.035 (rad/mT) với tần số trung tâm là 145.5 (Mhz) và 21.82 (rad/mT) tại tần số trung tâm là 263 (MHz) Bên cạnh đó, nghiên cứu [68] cũng sử dụng cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz nhưng là loại một cổng, trong đó tác giả phân tích sự ảnh hưởng của hiệu ứng delta-E đến các đặc tính (Tần số trung tâm, hệ số phẩm chất Q và hệ số cơ điện k) của cảm biến Trong một công bố khác, vẫn dùng vật liệu nhạy từ FeCoSiB và lớp cách điện SiO2 [59], Lars Thormählen và cộng sự thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của tính chất (tính chất hóa học, cấu trúc tinh thể, ứng suất dị hướng tại lớp ghép) vật liệu nhạy từ vô định hình FeCoSiB đến độ nhạy của cảm biến Nghiện cứu chỉ ra phương pháp phún xạ RF và phún xạ DC ảnh hưởng đến tính chất của lớp nhạy Hai mẫu cảm biến được tạo ra bằng hai phương pháp phún xạ trên Kết quả cho thấy phún xạ DC có độ nhạy tốt hơn vì tỷ lệ mật độ lắng đọng đều và cao hơn phún xạ RF, cảm biến đạt dải đo

.H = [0  1] (mT) và độ nhạy là 500 (deg/mT) Nhóm Elmazria và cộng sự, ban đầu [78], tập trung khảo sát tần số trung tâm ba mẫu cảm biến gồm: IDT/ST-Quartz, ZnO/IDT/ST-Quartz và CoFeB/ZnO/IDT/ST-Quartz, cảm biến được thiết kế ở tần số trung tâm là 433 (MHz) và đạt độ nhạy 1.55 (kHz/Oe) với dải đo từ 117 (Oe) đến 259 (Oe) Kết quả cho thấy càng bổ sung thêm các lớp thì tần số trung tâm càng giảm Đồng thời nghiên cứu cũng khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến độ nhạy của cảm biến, khoảng nhiệt độ được khảo sát là từ 25 (oC) đến 60 (oC) Nhiệt độ càng cao thì độ nhạy càng tăng, nhưng khi nhiệt độ tăng sai số cảm biến lại càng lớn Trong nghiên cứu tiếp theo [79], nhóm tiến hành nghiên cứu sự tác động của nhiệt độ môi trường trên cấu trúc CoFeB/SiO2/ZnO/IDT/ST-Quartz với hi vọng khi bổ sung thêm lớp SiO2, cảm biến

sẽ làm việc ổn định hơn Kết quả cho thấy khi cảm biến có thêm lớp SiO2 thì tần số trung tâm hầu như không thay đổi hay hệ số TCF  0 (ppm/oC) khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ 25 (oC) đến 60 (oC)

Mainuddin và cộng sự [73] lại đi theo một hướng khác là sử dụng lớp cách điện PVA rồi rắc các hạt từ Fe và Ni lên trên để tạo ra lớp nhạy (hay nói cách khác là vật liệu nhạy từ là hạt nano Fe và hạt nano Ni), nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng SAW với cấu trúc nanoFe/PVA/IDT/ST-Quartz và nanoNi/PVA/IDT/ST-Quartz Kết quả cho thấy mật độ bột nano càng cao thì tần số trung tâm càng giảm, tuy nhiên nghiên cứu chưa tìm ra các điểm tới hạn của mật độ bột nano Cảm biến cho độ nhạy lớn nhất là 0.583 (kHz/Oe) tại điểm có cường độ từ trường là 1200 (Oe) và tần số cộng hưởng là 433.92 (MHz), nghiên cứu chưa chỉ ra được dải đo của cảm biến

Trong một công bố khác [77], Xiaofei Yang và cộng sự sử dụng cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz loại SAW một cổng để khao sát ảnh hưởng của hướng (hướng khó từ hóa W: từ trường song song với bề mặt và vuông góc với hướng truyền sóng âm, hướng dễ từ hóa L: từ trường hướng song song với chiều truyền sóng âm) tác động của từ trường đến độ nhạy của cảm biến Kết quả đạt được là độ nhạy của cảm biến theo hướng W tốt hơn hướng L và đạt 36.428 (kHz/Oe) trên dải đo từ 0 đến 30 (Oe) với tần số trung tâm là 221.76 (MHz)

Với đế áp điện LiNbO3, đa số các nghiên cứu thực hiện trên đế áp điện dùng cấu trúc SAW hai cổng và sóng Rayleigh [16, 17, 55, 58, 80-87], các công bố này sử dụng kim loại Ni hoặc là hợp kim FeNi, FeCo, FeGa, TbCo2/FeCo và TbDyFe làm lớp nhạy từ Về vật liệu dùng cho lớp cách điện hay lớp dẫn sóng (wave guide layer) thì chủ yếu vẫn sử dụng SiO2 [55, 80-82, 85] và ZnO [16, 58, 86, 88], một số dùng Al2O3 và Cr [16, 58, 80, 82]

Nhóm Abdelkrim Talbi và cộng sự công bố hai nghiên cứu (bao gồm cả mô phỏng và thực nghiệm) cảm biến từ làm việc theo nguyên lý SAW hai cổng với cấu trúc TbCo2/FeCo/IDT/LiNbO3 có tần số trung tâm là 232 (MHz), cảm biến có dải đo từ 0 đến 90 (Oe), độ nhạy đạt 0.01 (m/s.Oe) hay 0.625 (kHz/Oe) và [17, 87]

Nhóm nghiên cứu khác, Elhosni và cộng sự thực hiện ba công bố khác nhau với việc khảo sát sự ảnh hưởng các yếu tố về loại lớp cách điện và các bậc sóng cộng hưởng của tần số trung tâm đến độ nhạy của cảm biến, tín hiệu đầu ra của các cảm biến là dịch tần số Các công bố [16, 58] thực hiện cả mô phỏng FEM và thực nghiệm trên hai mẫu cảm biến có cấu trúc Ni/ZnO/IDT/LiNbO3 và Ni/Al2O3/IDT/LiNbO3, kết quả đều cho độ nhạy cao hơn khi thay thế lớp cách điện ZnO bởi Al2O3 và bằng 16.67 (ppm/mT) với tần số trung tâm là 170.5 (MHz) Bên cạnh đó, tác giả đã tiến hành khảo sát các đáp ứng làm việc cả hai mẫu cảm biến trên ở các bậc khác nhau của tần số trung tâm là 159 (MHz), 460 (MHz) và 815 (MHz) Kết quả là tại các tần số trung càng cao thì độ nhạy cũng càng cao và lớn nhất ở 815 (MHz) là 315 (ppm/mT) [86]

Nhóm Wen Wang và cộng sự thực hiện một loạt nghiên cứu về cảm biến đo dòng điện thông qua hiệu ứng delta-E của các vật liệu từ giảo dạng hợp kim FeNi, FeCo

hệ số từ giảo và lực kháng từ lớn nên cảm biến cho độ nhạy cao nhưng lại cho sai số phi tuyến lớn, ngược lại kim loại Ni lại có lực kháng tự nhỏ nên ưu điểm là có sai số phi tuyến nhỏ và đặc tính tuyến tính hơn), lớp dẫn sóng hay lớp cách điện dùng SiO2 (Với ưu điểm là có độ ổn định nhiệt độ cao) Từ trường được tạo ra thông qua cuộn dây Helmholtz tuân theo định luật Biot-Savart, đáp ứng đầu ra được thể hiện ở dạng dịch tần số [55, 80-84] Nghiên cứu đầu tiên [81], nhóm chế tạo thực nghiệm cảm biến dòng điện với lớp nhạy từ FeCo Nghiên cứu khảo sát cả ba hướng (x, y, z) từ trường tác động, kết qủa cho độ nhạy cao nhất khi từ trường hướng theo chiều truyền của sóng âm bề mặt và đạt ~790Hz/A với tần số trung tâm 78.6 (MHz) Tiếp theo đó, các công bố [83, 84] thực hiện mô phỏng và chế tạo cảm biến với lớp nhạy FeCo được phún xạ dạng màng và dạng ma trận điểm, các bộ điện cực dạng SPUDT, đồng thời tiến hành bù sai số nhiệt độ bằng cách sử dụng thêm một thiệt bị SAW nhưng không phủ lớp nhạy Với các cảm biến sử dụng lớp nhạy FeCo có điểm yếu là độ phi tuyến và lực kháng từ lớn dẫn đến cảm biến có sai số lớn khi hoạt động Để khắc phục một phần của vần đề này, tác giả đã thay thế lớp nhạy FeCo bằng FeNi nhằm tần dụng ưu điểm của kim loại Ni có lực kháng từ nhỏ trong công bố [80] Kết quả là sai số gây ra do lực kháng từ và độ phi tuyến giảm đi đáng kể, cảm biến làm việc ở tần số trung tâm 150 (MHz), dải đo 0 đến 10 (A) và độ nhạy là 10.7 (kHz/A) hay 0.535 (kHz/Oe) Một vấn đề nữa, nhóm cũng tiến hành giải quyết hiện tượng mỏi cơ khi cảm biến dùng lớp nhạy FeCo và lớp dẫn sóng SiO2, kết quả chỉ ra rằng sau một thời gian hoạt động, lớp nhạy sẽ bị mỏi cơ và dẫn đến không bám chắc và dễ bị bong Do vậy, tác giả đề xuất bổ sung thêm lớp Cr (Crom) ở giữa lớp SiO2 và lớp nhạy FeCo và kết quả đã tăng được thời gian làm việc của cảm biến [82], với độ nhạy đạt được là 1.07 (kHz/Oe) Cuối cùng, nhằm tận dụng các kim loại Tb và Dy có tính từ giảo lớn Nghiên cứu đề xuất cảm biến đo dòng điện trên cơ sở lớp nhạy từ giảo TbDyFe (vật liệu từ giảo khổng lồ) để cải thiện độ nhạy Kết quả, cảm biến có độ tuyến tính tốt, đạt độ nhạy 12.3 (kHz/A) tại tần số trung tâm là 150 (MHz) [85]

Ngoài cách lựa chọn loại vật liệu cho lớp nhạy như của nhóm Wen Wang, lớp cách điện của nhóm Elhosni để cải thiện độ nhạy của cảm biến, nhóm Tao Han và cộng sự [88] lại thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng các góc cắt hướng tinh thể khác nhau của đế áp điện (41 YX-cut LiNbO3 và 128 YX-cut LiNbO3) và tỷ lệ hình dáng lớp nhạy đến đáp ứng làm việc của cảm biến có xét đến yếu tố ảnh hưởng của trường khử từ Và nghiên cứu cũng chỉ ra thêm cấu trúc bề mặt lớp nhạy khi có rãnh thì cho độ nhạy cao hơn trên cơ sở tính toán lý thuyết

Gần đây, bên cạnh các nghiên cứu sử dụng các đế áp điện Quartz và LiNbO3 thì đế áp điện AlN dạng màng mỏng [89] hoặc dạng khối [90] cũng được một số nhóm nghiên cứu dùng cho cảm biến từ dạng SAW Nhóm M Rinaldi và cộng sự, sử dụng công nghệ MEMS để phát triển một số cảm biến từ dạng SAW một cổng với cấu trúc FeGaB/AlN/IDT/Si để đo từ trường thấp cỡ khoảng 0 đến 10 (Oe), mục tiêu là tăng độ nhạy và ngưỡng nhạy của cảm biến [91-93] Với công bố [91], cảm biến đạt độ nhạy 100 (kHz/Oe) với tần số trung tâm là 215 (MHz), đế áp điện AlN chỉ có độ dày 250 (nm) những vẫn bảo toàn được hệ số cơ điện k2  1.63% Hai công bố tiếp theo

[92, 93], nhóm sử dụng cấu trúc Al2O3/FeGaB/AlN/IDT/Si và FeGaB/AlN/IDT/Si nhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến khi thay đổi độ dày lớp nhạy từ 100 (nm) đến 300 (nm) Kết quả là; với cấu trúc Al2O3/FeGaB/AlN/IDT/Si, cảm biến có dải đo 0 đến 15 (Oe), độ nhạy đạt 94.67 (kHz/Oe) và ngưỡng nhạy là 3 (Oe) tại tần số trung tâm 215 (MHz); với cấu trúc FeGaB/AlN/IDT/Si cảm biến có dải đo 0 đến 8.82 (Oe), độ nhạy đạt 280 (kHz/Oe) và ngưỡng nhạy là 8 (Oe) tại tần số trung tâm 225.71 (MHz) Qua nghiên cứu nhận thấy, khi ngưỡng nhạy và độ nhạy tốt lên thì dải đo của cảm biến lại bị giảm xuống Nhóm Tao Wu và cộng sự [94], cũng sử dụng bộ cộng hưởng SAW và vật liệu nhạy từ FeCoB có độ dày cố định là 100 (nm) trên hai cấu trúc IDT/AlScN/FeGaB và IDT/AlN/FeGaB và bộ điện cực làm bằng Pt (Platin) Kết quả cảm biến có dải đo 0 đến 14 (Oe) và độ nhạy của cảm biến IDT/AlScN/FeGaB đạt 4.2 (MHz/Oe) tại tần số trung tâm 342.15 (KHz)

Trên cơ sở khảo sát tình hình nghiên cứu thế giới về cảm biến từ dạng SAW, luận án tổng hợp một số đặc tính điển hình của các cảm biến với đầu ra dạng tần số Cụ thể, Bảng 1.2 chỉ ra loại đế áp điện, loại vật liệu nhạy từ, dải đo, tần số trung tâm và đặc biệt là độ nhạy của cảm biến

Bảng 1.2 Các đặc tính của cảm biến từ dạng SAW

TT Đế áp

điện

Lớp nhạy dạng màng

Dải đo Độ nhạy

(kHz/Oe)

Tần số trung

tâm (MHz)

Công nghệ chế tạo

Trích dẫn

1 Quartz FeCoSiB 0  30 Oe 36.428 221.76 - [76, 77] 2 Quartz CoFeB 0  240 Oe 1.553 433 - [78, 79]

4 LiNbO3 FeCo 0  100 Oe 2.11 150 - [82, 83] 5 AlScN FeGaB 0  14 Oe 4200 412.35 MEMS [94]

7 AlN FeGaB 0  8.82 Oe 280 225.71 MEMS [92] 8 AlN FeGaB 0  15 Oe 94.67 215 MEMS [93]

Hơn nữa, Bảng 1.3 thực hiện thống kê các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến quá đó nhằm thuận tiện cho việc nhận định các thách thức cần giải quyết trong luận án

Bảng 1.3 Các yếu tố tác động đến độ nhạy cảm biến

TT

Nhóm nghiên cứu

Cấu trúc cảm biến với lớp nhạy

từ dạng màng

Yếu tố tác động đến độ nhạy

Trích dẫn Năm

1 F W

2 Kadota IDT/ST-Quartz Cách phủ IDT (Ni) lên

bề mặt đế áp điện [74, 75] 2015 3 Eckhard

Quandt

FeCoSiB/SiO2/IDT/ ST-Quartz

Quy trình lắng đọng và ủ nhiệt lớp nhạy [66] 2020

4 Dirk Meyners

LớpNhạy/SiO2/IDT/ ST-Quartz

Giảm các vách domen trong lớp nhạy bằng cách kết hợp với chất phản sắt từ (MnIr)

[67] 2023

5 Kittmann FeCoSiB/SiOST-Quartz 2/IDT/

Chế độ (mode) sóng cộng hưởng và độ dày lớp nhạy từ nhưng chưa tìm ra điểm tối ưu

[71, 72] 2020

6 Lars Thormählen

FeCoSiB/SiO2/IDT/ ST-Quartz

Cấu trúc tinh thể (do phún xạ DC hay RF) và ứng suất dị hướng

[59] 2021

7 Elmazria CoFeB/ZnO/IDT/ ST-Quartz,

Tác động của nhiệt độ môi trường và lớp cách điện

[78, 79] 2020 8 Xiaofei

Yang

FeCoSiB/SiO2/IDT/ ST-Quartz

Hướng tác động của từ

9 Abdelkrim Talbi

TbCo2/FeCo/IDT/LiN

2018 10 Elhosni Ni/ZnO/IDT/LiNbO3

Ni/Al2O3/IDT/LiNbO3

Lớp cách điện và chế độ cộng hưởng

[16, 58,

86]

2018, 2014

11 Wen Wang FeCo/SiOLiNbO 2/IDT/

3

Hướng tác động từ trường, dạng cấu trúc (màng, ma trận điểm) và hệ số hình dàng của lớp nhạy, góc cắt tinh thể đế áp điện

[80, 81,

83, 84]

2015, 2017, 2018,

12 Tao Han TbFe2/IDT/LiNbO3

Góc cắt tính thể đế áp

13 M Rinaldi

FeGaB/AlN/IDT/Si Al2O3/FeGaB/AlN/IDT/Si

Công nghệ MEMS, độ dày lớp nhạy không tối ưu

[91-93] 2005,

2013 14 Tao Wu IDT/AlScN/FeGaB và

Hình 1.6 Số công trình công bố với từ khóa “Magnetic sensor” theo năm trên

mendeley.com/search

Hình 1.7 Số công trình công bố với từ khóa “SAW magnetic sensor” theo năm trên

mendeley.com/search

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, cảm biến từ nói chung và cảm biến từ dạng SAW nói riêng đã và đang được một số nhóm tác giả quan tâm nghiên cứu Trong đó, nhóm nghiên cứu thuộc phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro và Nano (VMINATEC), Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Ha Nội Nhóm thực hiện nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực về cảm biến từ trường Cảm biến từ trường được nhóm nghiên cứu và phát triển chủ yếu dựa trên các hiệu ứng từ điện, từ trở và hiệu ứng Hall Một số công trình điển hình như: Hệ các cảm biến đo từ trường dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cấu trúc màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20

Phát triển cảm biến phát hiện hạt nano từ tính từ xa dựa trên hiệu ứng từ điện dạng hai lớp Laminate-Metglas/PZT, cách tiếp cận này có khả năng phát hiện cục bộ các hạt nano từ tính ở độ sâu vài cm trong cơ thể trong quá trình can thiệp lâm sàng [96] Bên cạnh các nghiên cứu trên, nhóm cũng ứng dụng nguyên lý sóng âm bề mặt để nhận dạng các hạt chất lỏng (Water, Heptane, Ethanl, Acetone) trên cơ sở khối lượng riêng của mỗi chất là khác nhau [97]

Nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Ha Nội Chủ yếu nhóm thực hiện các nghiên cứu lý thuyết cơ bản (cơ chế vật lý, mô hình toán học về vận tốc sóng, các yếu tố ảnh hưởng đến lan truyền sóng, v.v.) về sóng âm bề mặt Điển hình, [98] phát triển phương trình toán học biểu thị mối quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt với một số tham số vật liệu của môi trường truyền sóng, công thức có tính tương đồng với công thức của Malischewsky Công bố [99], nghiên cứu quá trình lan truyền sóng Rayleigh trong môi trường đàn hồi dạng màng mỏng (nửa không gian) có cấu trúc tính thể kiểu trực hướng (orthotropic) [100] đề cập đến sự lan truyền của sóng Rayleigh trong nửa không gian đàn hồi với các điều kiện biên trở kháng trong môi trường nửa không gian được coi là trực hướng và đơn tà (monoclinic) Và bài báo này [101], thực hiện nghiên cứu sự lan truyền của sóng bề mặt có biên độ nhỏ được dẫn hướng bởi một lớp có độ dày hữu hạn trên nửa không gian không thể nén Lớp và nửa không gian đều được coi là chịu ứng suất ban đầu, tác động tổng hợp của ứng suất ban đầu và biến dạng hữu hạn lên tốc độ của sóng Rayleigh được phân tích và minh họa bằng đồ thị

Nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TP.HCM Nhóm cũng thực hiện nghiên cứu các loại cảm biến dựa trên sóng âm bề mặt để đo áp suất [62], đo và bù nhiệt độ cho cảm biến áp suất [102], thiết kế và chế tạo bộ lọc SAW [21, 103, 104] và cảm biến đo nồng độ khí CO2 [105] Tất cả các nghiên cứu này đều sử dụng cấu trúc thiết bị SAW dạng delay-line và đế áp điện màng mỏng AlN

Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội Ở viện ITIMS thì chủ yếu tập chung các nghiên cứu về vật liệu và công nghệ chế tạo vật liệu [106-108] Tại trường Điện-Điện tử thì có nghiên cứu về cảm biến SAW nhưng mới ứng dụng cho bộ lọc SAW, cảm biến đo khí và SAW không dây [18, 109-112] Vì vậy, luận án này là đề tài đầu tiên của nhóm thực hiện ứng dụng thiết bị SAW để nghiên cứu và chế tạo cảm biến đo cường độ từ

1.2.3 Thách thức của luận án

Qua khảo sát về các công bố của các nhóm nghiên cứu trong nước Hai nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội chủ yếu nghiên cứu lý thuyết cơ bản về sóng âm bề mặt và các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện Nhóm của Đại học Quốc gia Thành phố Hố Chí Minh nghiên cứu và ứng dụng thiết bị SAW vào đo áp suất, nồng độ khí và bộ lọc SAW Như vậy, thách thức đầu tiên là cảm biến từ dạng SAW vẫn chưa được quan tâm và nghiên cứu ở trong nước Và đây là hướng quan tâm và

giải quyết của luận án cũng như là nhóm nghiên cứu chúng tôi thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội

Bên cạnh đó, theo thống kế trên mendeley.com mười năm trở lại đây về cảm biến

từ dạng SAW (Hình 1.7) thì số lượng công bố còn khiêm tốn so với cảm biến từ nói chung (Hình 1.6) Điều này chứng tỏ cảm biến từ hoạt động trên nguyên lý sóng âm bề mặt còn nhiều vấn đề chưa được khai thác và xem xét, đầy cũng lại là khó khăn thách thức mà luận án cần thực hiện và vượt qua

Cụ thể hơn, trên cơ sở khảo sát các nghiên cứu về cảm biến từ dạng SAW trong nước và trên thế giới (Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3) Luận án nhận thấy, các cảm biến từ dạng SAW có khả năng đo cường độ từ trường ở dải đo thấp khoảng từ 0 đến 200 (Oe), đáp ứng làm việc của cảm biến thường là phi tuyến với đặc điểm ở vùng từ trường gần 0 (Oe) có độ nhạy không cao Hầu hết các công bố đều nghiên cứu cảm biến với lớp nhạy từ dạng màng, trong khí đó có thể thực hiện với lớp nhạy dùng dạng hạt nano Ngoài ra, do cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến nên khi chế tạo thực nghiệm thường sử dụng quy trình kỹ thuật và công nghệ vi cơ điện tử Qua nhận định và phân tích, luận án giải quyết các thánh thức cụ thể sau:

 Cải thiện độ nhạy của cảm biến trên toàn dải làm việc thuộc vùng từ trường thấp khi xem xét đến loại đế áp điện và độ dày lớp nhạy từ Đặc biệt, tiếp tục cải thiện độ nhạy ở vùng từ trường gần giá trị 0 (Oe) khi xem xét đến độ dày đế áp điện Nghiên cứu thực hiện với cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/AlN, trong đó lớp nhạy FeNi dạng màng Thách thức này được thực hiện ở Chương 2 với công cụ mô phỏng là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD) cũng được sử dụng để tính toán một số thông số cơ tính và từ tính của lớp nhạy từ làm đầu vào cho mô phỏng FEM và đánh giá tác động của mối trường đến quá trình chế tạo và hoạt động của cảm biến

 Xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo thực nghiệm cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt dùng hạt nano FeNi có sẵn kết hợp với chất kết dính PVA với cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz Đồng thời cũng tiến hành mô phỏng FEM và mô phỏng ma trận truyền TM (mô hình mạch điện tương đương) các đáp ứng của cảm biến, qua đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chế tạo các mẫu lớp nhạy FeNiPVA (với độ dày khoảng 195nm) và thiết lập hệ đo khi xác định đáp ứng làm việc của cảm biến Thách thức này được thực hiện ở Chương 3 của luận án Bên cạnh các thách thức trên, quá trình thực hiện đề tài này cần sự kết hợp của nhiều nhóm kiến thức khác nhau như: vật lý, từ học, vật liệu, đo lường, cảm biến và xử lý tín hiệu, cũng như là sự kết hợp của các phương pháp mô phỏng Nguyên lý của cảm biến được hình thành là sự kết hợp giữa hiệu ứng sóng âm bề mặt xảy ra trên bề mặt đế áp điện với hiệu ứng delta-E do hiện tượng từ giảo tạo ra trong vật liệu nhạy từ Điều này cũng tạo thêm thách thức cho luận án trong quá trình thực hiện đề tài

1.3 Cơ sở lý thuyết sự hình thành sóng âm trong chất rắn

 Chuyển vị hạt và gradient chuyển vị [113]

Sóng âm được nghiên cứu trên cơ sở là sự biến dạng hay dao động theo thời gian (t) trong môi trường đàn hồi Các vật chất bao gồm cả mức độ nguyên tử, do lực tác dụng các hạt dao động xung quanh vị trí cân bằng Khi dao động có rất nhiều loại chuyển động khác nhau có thể tồn tại ở mức độ nguyên tử Tuy nhiên, hầu hết các loại chuyển động này không liên quan đến quá trình nghiên cứu sóng âm Với mỗi hạt, các nguyên tử chuyển động ở trạng thái đồng nhất Do đó, lý thuyết sóng âm được nghiên cứu và phát triển như một hiện tượng vĩ mô xảy ra trong môi trường đàn hồi

Nội lực hay lực đàn hồi được sinh ra khi các hạt dời khỏi vị trí cân bằng, kết hợp tất cả nội lực bên trong của các hạt tạo ra sự dao động của vật chất Để xác định định lượng sự dịch chuyển (chuyển vị: displacement) các hạt, biến dạng vật liệu và sự hình thành nội lực, thì cần thiết phải xây dựng mô tả toán học cho các dao động này (Hình 1.8)

Chuyển vi của các hạt vật chất Hình 1.8, mỗi hạt được sắp xếp ở vị trí cân

bằng là vector L và vị trí chuyển vị là vector l(L,t) được xác định từ gốc tọa độ Vector vị trí chuyển vị l được xác định theo thời gian t và cũng là một hàm của L Cả hai biến L và l là các giá trị không giới hạn Như vậy, chuyển vị (displacement) u của hạt tại L quanh vị trí cân bằng được xác định

u(L, t) = l(L, t) – L (1.1)

Hình 1.8 Ví trí cân bằng (hạt đen) và biến dạng (hạt trắng) các hạt [113]

Trường chuyển vị u là đại lượng liên tục để mô tả chuyển động của tất cả các hạt

vật chất Nếu chuyển động là một hàm sin theo thời gian, với  là tần số riêng, thì có ba dạng chuyển động có thể của mỗi hạt đó là:

 Chuyển động tuyến tính ngang qua điểm cân bằng (1.2)

u(L, t) = A(L)sint (1.2)

 Chuyển động đồng thời hai chuyển động tuyến tính lệch pha nhau một góc 900(1.3)

u(L, t) = A(L)sint + B(L)cost (1.3)

 Chuyển động dạng quỹ đạo elip (1.4) Và trường hợp đặc biệt A = B thì quỹ đạo

chuyển động là hình tròn 𝒖(𝑳, 𝑡) = {𝑨2(𝑳)𝑠𝑖𝑛2𝜔𝑡 + 𝑩2(𝑳)𝑐𝑜𝑠2𝜔𝑡}1/2 (1.4)

Biến dạng vật liệu chỉ áp dụng khi các hạt dịch chuyển với nhau một cách tương đối Với các hạt dịch chuyển tịnh tiến cứng (rigid translation) và quay cứng (rigid rotation) dẫn đến tất cả các hạt của vật duy trì vị trí một cách tương đối

Xét đạo hàm của (1.1) ta có: du(L, t) = dl(L, t) – dL (1.5)

và ý nghĩa vật lý của (1.5) được thể hiện trên Hình 1.9

Nếu hai hạt a và b cùng chuyển động tịnh tiến thì hai vector chuyển vị u(L, t) và u(L+dL, t) trong Hình 1.9 là bằng nhau và đạo hàm (du) trong (1.5) là bằng không Tính đạo riêng phần trường chuyển vị u(L, t) ta có mối quan hệ (1.6)

theo thời gian 𝜕

𝜕𝑡𝑢(𝐿, 𝑡)𝑑𝑡 được bỏ qua Trong hệ tọa độ đề-các, ta có:

𝒖(𝑳, 𝑡) = 𝒙̂𝑢𝑥(𝑳, 𝑡) + 𝒚̂𝑢𝑦(𝑳, 𝑡) + 𝒛̂𝑢𝑧(𝑳, 𝑡) (1.7)

Trạng thái cân bằng

hạt a

hạt a hạt b

hạt b

Trạng thái biến dạng

[

𝑑𝑢𝑥(𝑑𝑳, 𝑡)𝑑𝑢𝑦(𝑑𝑳, 𝑡)𝑑𝑢𝑧(𝑑𝑳, 𝑡)

] =[

𝑢𝑥𝐿𝑥

𝑢𝑥𝐿𝑦

𝑢𝑥𝐿𝑧𝑢𝑦

𝐿𝑥𝑢𝑦𝐿𝑦

𝑢𝑦𝐿𝑧𝑢𝑧

𝐿𝑥𝑢𝑧𝐿𝑧

𝑢𝑧𝐿𝑧]

[𝑑𝐿𝑥𝑑𝐿𝑦𝑑𝐿𝑧

] (1.8)

với: [E(L, t)] =

[𝑢𝑥(𝑳,𝑡)

(1.9) được gọi là ma trận gradient chuyển vị (The displacement gradient matrix) Sử

dụng ma trận này và quan hệ (1.8), đạo hàm chuyển vị (du) cho bất kể hai hạt với khoảng cách dL Ma trận gradient chuyển vị [E(L, t)] là phép đo của biến thiên chuyển

vị đối với biến dạng vật liệu

 Biến dạng (Strain) [113] Xét vật liệu biến dạng chuyển động quay cứng với góc nhỏ , Hình 1.10 thể hiện vị trí của hai hạt a và b trước và sau khi quay Ta có chuyển vị của hạt a là:

u = 2Lsin/2 và chuyển vị của hạt b là:

u + du= 2(L+dL)sin/2 Như vậy, do gradient chuyển vị là khác không, mặc dù vật liệu không biến dạng

Một đại lượng vô hướng () để xác định biến dạng luôn không đổi đối với chuyển động quay cứng và ngay cả đối với chuyển động kết hợp giữa quay cứng và tịnh tiến đều là:

 = dl(L, t) - dL

Với chuyển động cứng  luôn bằng không, nhưng biến dạng luôn khác không Tuy nhiên, một cách tính khác có tính thuận lời và phổ biến là:

 = dl2(L, t) – (dL)2

Trong hệ tọa độ Đề-các hai chiều thì  được xem như biến dạng được tính từ u(L,

t) khi kết hợp với (1.5) và (1.8) như sau:

 = dl2 – dL2 = (dlx)2 + (dly)2 - (dLx)2 - (dLy)2 = (2𝜕𝑢𝑥

𝜕𝐿𝑥 + (𝜕𝑢𝑥

𝜕𝐿𝑥)2+ (𝜕𝑢𝑦

𝜕𝐿𝑥)2) 𝑑𝐿2𝑥 + (2𝜕𝑢𝑦

𝜕𝐿𝑦+ 2𝜕𝑢𝑦

𝜕𝐿𝑥+ 2𝜕𝑢𝑥

𝜕𝐿𝑥

𝜕𝑢𝑥𝜕𝐿𝑦 + 2𝜕𝑢𝑦

𝜕𝐿𝑥

𝜕𝑢𝑦

𝜕𝐿𝑦) 𝑑𝐿𝑥𝑑𝐿𝑦 (1.10) Tả có thể biểu diễn (1.10) lại dưới dạng ma trận như sau:

(𝑑𝑙)2− (𝑑𝐿)2 = 2 ([𝑑𝐿𝑥 𝑑𝐿𝑦] [𝑆𝑆𝑥𝑥 𝑆𝑥𝑦

𝑦𝑥 𝑆𝑦𝑦] [

𝑑𝐿𝑥𝑑𝐿𝑦]) = 2𝑆𝑥𝑥𝑑𝐿2𝑥 + 2𝑆𝑦𝑦𝑑𝐿2𝑦+ 2(𝑆𝑥𝑦 + 𝑆𝑦𝑥) 𝑑𝐿𝑥𝑑𝐿𝑦 (1.11) Trong đó:

𝑆𝑥𝑥 =𝜕𝑢𝑥

𝜕𝐿𝑥 +

12(

𝜕𝑢𝑥𝜕𝐿𝑥)

2

+12(

𝜕𝑢𝑦𝜕𝐿𝑥)

𝜕𝑢𝑦𝜕𝐿𝑥 +

𝜕𝑢𝑥𝜕𝐿𝑥

𝜕𝑢𝑥𝜕𝐿𝑦 +

𝜕𝑢𝑦𝜕𝐿𝑥

𝜕𝑢𝑦𝜕𝐿𝑦)

Hình 1.10 Chuyển động quay cứng của vật liệu [113]

Tương tự khi áp dụng cho hệ tọa độ Đề-các với không gian 3 chiều ta có: (L, t) = 2Sij (L, t) dLi dLj (1.12)

Hạt b

Hạt a 

𝜕𝐿𝑗) ; i, j, k = x, y, z (1.13) trong đó, các chỉ số i, j, k có thể nhận các chiều x, y, z của hệ trục tọa độ Các phần tử Sij(L, t) là các thành phần của trường biến dạng (Strain field) và dùng để

xác định biến dạng  của trường chuyển vị u(L, t) Tính chất biến dạng của các loại

vật rắn là khác nhau, như cao su thì gradient chuyển vị lớn hơn nhiều so với vật liệu thông thường Đối với những vật liệu cứng (bền vững) thì gradient chuyển vị cần giữ ở dưới khoảng từ 10-4 đến 10-3 để tránh cho vật liệu bị gãy Như vậy, với các vật liệu có gradient chuyển vị nhỏ hơn khoảng bên trên thì thành phần bậc hai trong (1.13) là không đáng kể và quan hệ biến dạng – chuyển vị (strain-displacement) được tuyến tính hóa như sau:

𝑆𝑖𝑗(𝑳, 𝑡) =1

2(𝜕𝑢𝑖(𝑳,𝑡)𝜕𝐿𝑗 +𝜕𝑢𝑗(𝑳,𝑡)

𝜕𝐿𝑖 ) ; với i, j = x, y, z (2.14) Như vậy, theo từng trục tọa độ ta có dLi = dli – dui, đạo hàm riêng phần của chuyển vị trong (1.14) được xác định như sau:

𝜕𝑢𝑖𝜕𝐿𝑗 =

𝜕𝑢𝑖𝜕𝑙𝑗 (1 −

𝜕𝑢𝑖𝜕𝐿𝑗)

−1

Theo lý thuyết tuyến tính hóa, không cần thiết phải phân biệt vector ở vị trí biến dạng

l với vector tại vị trí cân bằng L, như vậy ta có:

𝑳  𝑙 = 𝒙̂𝑥 + 𝒚̂𝑦 + 𝒛̂𝑧 = 𝒓 (1.15) Như vậy, trong hệ tọa độ đề-các quan hệ biến dạng – chuyển vị được tuyến tính hóa và được viết lại:

Như: cách viết của vector chuyển vị và gradient chuyển vị là u và E, trường biến dạng

là S, (Tức là thay thế cách viết dạng chỉ số thành cách viết bằng chữ đậm) Cách quy ước này cũng áp dụng cho các tensor bậc cao hơn Như vậy, trường chuyển vị u

là tensor bậc 1 (tương đương với vector), gradient chuyển vị E và trường biến dạng S

là các tensor bậc hai (tương đương với ma trận) Như vậy, quan hệ (1.17) được viết lại như sau

E = u (1.18)

hay: du = Edr (1.19)

Khi tuyến tính hóa quan hệ giữa trường biến dạng và gradient chuyển vị có ý nghĩa vật lý là gradient chuyển vị được thể hiện qua hai thành phần đối xứng và không đối xứng, cụ thể viết dưới dạng ma trận như sau

[E ] = 1

2([E ] + [̃ ) +E ] 1

2([E ] − [̃ ) E ]

Xem xét quan hệ giữa (1.16) và (1.17) thì ma trận [S] chính là thành phần đối xứng

của ma trận [E ], trong đó dấu  là phép chuyển vị của ma trận vậy ta có: [𝑆] = 1

2([E ] + [̃ ) E ]hay: 𝑺 = 1

2(E +E ̃ ) (1.20) và quan hệ biến dạng – chuyển vị được viết lại như sau:

𝑺 =1

2(∇𝒖 + ∇𝒖̃ ) với: 1

2(∇𝒖 + ∇𝒖̃ ) = ∇𝑠𝒖 (1.21)

thì: 𝑺 = ∇𝑠𝒖 (1.22) Khi giải quyết các bài toán cụ thể, điều cần thiết là lựa chọn một hệ trục tọa độ phù hợp và khai triển các trường thành các phần tử tương ứng với các trục tọa độ Như vậy, các tensor biến dạng (1.16) có tính đối xứng, mỗi phần tử có thể biểu diễn bởi một hoặc hai chỉ số và được xác định như sau

𝑺 = [

𝑆𝑥𝑥 𝑆𝑥𝑦 𝑆𝑥𝑧𝑆𝑥𝑦 𝑆𝑦𝑦 𝑆𝑦𝑧𝑆𝑥𝑧 𝑆𝑦𝑧 𝑆𝑧𝑧

] =[ 𝑆1

12𝑆6 1

(1.24)

Từ (1.16) và (1.23) ta có:

[𝑆1𝑆2𝑆3𝑆4𝑆5𝑆6]

=

[

𝜕𝑢𝑥𝜕𝑥𝜕𝑢𝑦

𝜕𝑦𝜕𝑢𝑧

𝜕𝑧𝜕𝑢𝑦

𝜕𝑧 +𝜕𝑢𝑧

𝜕𝑦𝜕𝑢𝑥

𝜕𝑧 +𝜕𝑢𝑧

𝜕𝑥𝜕𝑢𝑥

𝜕𝑥

0 ][

𝑢𝑥𝑢𝑦𝑢𝑧]

đối xứng không đối xứng