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

Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Hoàng Sĩ Hồng 2 PGS TS Lê Văn Vinh

Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày …… tháng …… năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1 Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

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

Đóng góp chính của luận án

3 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

Bố cục của luận án 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 SAW-MO 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

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

Thực hiện khảo sát tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt, đồng thời cũng khảo sát tổng quan về các nguyên lý làm việc khác nhau của cảm biến từ Từ đó làm cơ sở phân tích để tìm ra những vấn đề còn bỏ trống và những thách thức cần nghiên cứu và giải quyết về cảm biến từ dạng SAW Trên cơ sở này, luận án đã chỉ ra được định hướng nghiên cứu và cách tiếp cận của đề tài Ngoài ra, luận án đã tìm hiểu lý thuyết cơ bản về cơ chế và mô hình toán học đối với sự hình thành sóng âm trong vật rắn để làm tiền đề xây dựng mô hình mô phỏng ở các phần tiếp theo Thêm vào đó, nguyên lý tạo sóng âm bề mặt và cấu trúc một thiết bị SAW hai cổng dạng delay-line cũng được đề cập Cuối cùng là đề cập đến các vấn đề liên quan đến các hiệu ứng áp điện, hiệu ứng từ giảo, cũng như là các loại vật liệu tương ứng sử dụng trong cảm biến từ dạng SAW

1.1 Ứng dụng và ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ

Cảm biến từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và khả năng đo đa dạng các đại lượng vật lý Mặt khác, qua khảo sát tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới về cảm biến từ nói chung và cảm biến từ dạng SAW nói riếng cho ta thấy rõ về ưu nhược điểm của nguyên ly đo (Bảng 1.2) và những điểm còn bỏ trống từ đó giúp luận án xác định được hướng nghiên cứu và tiếp cận trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ dạng SAW hoạt động trong dải từ trường thấp

Bảng 1.2 Ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ

5 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, …)

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

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

1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cảm biến từ dạng SAW

Cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt (SAW) sử dụng cấu trúc dạng delay-line Hình 1.18

Cấu trúc bao gồm một đế áp điện (PE: Piezoelectric), trên bề mặt ở hai đầu là hai bộ điện cực vào (IDT-in) và ra (IDT-out), ở giữa là vùng delay-line được phủ một lớp nhạy từ FeNi hoặc FeNiPVA

IDT-out IDT-in

Delay-line

Hình 1.18 Cấu trúc và nguyên lý của một thiết bị SAW delay-line.

Nguyên lý hoạt động, đặt xung điện áp vào IDT-in do hiệu ứng áp điện ngược, sóng âm bề mặt được hình thành và lan truyền qua vùng delay-line đến IDT-out Tại đây do hiệu ứng áp điện thuận, điện áp được tạo ra Điện áp này bị thay đổi tần số (dịch tần số) do tương tác giữa từ trường một chiều với vật liệu từ giảo ở vùng delay-line Từ đó, thông qua xử lý tín hiệu điện áp (dùng FFT) trên IDT-out biết được tần số và xác định được giá trị đo của cường độ từ trường

Với mục tiêu là khảo sát sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện đến đáp ứng làm việc và cải thiện độ nhạy của cảm biến hoạt động trong vùng từ trường thấp thông qua mô phỏng (FEM, MD, mô hình mạch tương đương) và chế tạo thực nghiệm Mô hình toán học của hiệu ứng áp điện được thể hiện qua hệ phương trình cơ điện (cấu thành) (1.88) và (1.89)

Chương 2 Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho

cảm biến từ SAW-MO

Phần này, luận án thực hiện mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc gồm loại vật liệu áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện đến đáp ứng làm việc và đặc biệt là độ nhạy của cảm biến hoạt động trong phạm vi từ trường thấp Từ đó xác định được cấu trúc cảm biến có các thông số tối ưu mà tại đó cho độ nhạy tốt nhất Bên cạnh đó, luận án sử dụng phương pháp mô phỏng MD tính toán thông số cơ tính và từ tính của vật liệu nhạy từ Nickel làm đầu vào cho mô phỏng FEM và dùng để phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tác động đến quá trình làm việc và cải thiện đặc tính của cảm biến từ

2.1 Lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW-MO

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của ba loại cấu trúc (SAW delay-line, SAW transponder và Bộ cộng hưởng SAW), vật liêu áp điện, vật liệu làm IDT và vật liệu nhạy từ Luận án lựa chọn cấu trúc

7 SAW delay-line, các bộ điện cực IDT (Interdigital-Transducer) làm bằng nhôm và vật liệu nhạy từ FeNi dạng màng và hạt nano Chi tiết được thể hiện trên Hình 2.2, Hình 2.3 và Bảng 2.1

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

2.2 Mô hình mô phỏng FEM

Trên cơ sở hệ phương trình cơ điện (1.88), (1.89) kết hợp với 𝛁 ∙𝑻 = 𝜌𝜕2𝒖

𝜕𝑡2, E = -  và điều kiện D = 0, ta có hệ phương trình cấu thành (2.5) viết cho lớp đế áp điện và (2.6) viết cho lớp nhạy từ FeNi

{𝜌𝑃

2𝑢𝑖𝑝𝑡2 − 𝑐𝑖𝑗𝑘𝑙𝑝 

2𝑢𝑘𝑝𝑥𝑙𝑥𝑗− 𝑒𝑘𝑖𝑗2

𝑥𝑘𝑥𝑗= 0𝑒𝑗𝑘𝑙 

2𝑢𝑘𝑝𝑥𝑙𝑥𝑗−𝑗𝑘2

ma trận hằng số điện môi () của đế áp điện, chuyển vị (up) và điện thế () trong đế áp điện Các chỉ số i, j, k, l = 1, 2, 3 thể hiện các chiều trên hệ trục tọa độ F là mật độ khối, cF là ma trận độ cứng và uF là chuyển vị của lớp nhạy từ FeNi Quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt

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

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

(Rayleigh) VR và vận tốc sóng cắt (shear wave) theo Viktorov [114] là 𝑉𝑅

𝑉𝑆=0.436+𝑐12⁄𝑐110.5+𝑐12⁄𝑐11 với 𝑉𝑆= √𝑐66𝜌 [113] Hiệu ứng delta-E (đặc tính E-H) và quan hệ (2.10) trên vật liệu nhạy từ được sử dụng để kích thích tín hiệu đo H đến cảm biến Hình 2.4 [61] (H: cường độ từ trường, E: module Young, F: Hệ số Poison) Cuối cùng là kết hợp với mối quan hệ giữa tần số trung tâm cộng hưởng với vận tốc sóng âm bề mặt VR/VR = f/f0 (f0: là tần số trung tâm khi H = 0 Oe), ta xác định được đáp ứng làm việc của cảm biến (H-f) Bên cạnh đó, phạm vi mô phỏng và chế tạo thực nghiệm cảm biến chỉ thực hiện trong dải từ H = 0 (hay E = Em) đến H = HS (hay E = ES: module Young bão hòa) do tác dụng của trường khử từ (Hd) đến từ trường hưởng ứng (Heff) của lớp nhạy từ

Hình 2.4 Hiệu ứng delta-E của lớp nhạy từ FeNi [61]

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

Thực hiện khảo sát ảnh hưởng hai loại đế áp điện (AlN và LiNbO3) trên hai cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 nhằm đưa ra kết luận đế nào cho độ nhạy tốt hơn Qua trình mô phỏng FEM được thực hiện trên phần mềm ANSYS với bộ số liệu đầu vào của các vật liệu dùng trong cảm biến Bàng 2.2 và thông số cấu trúc Bảng 2.1 Kết quả mô phỏng được thể hệ trên Bảng 2.3 và Hình 2.19

Bảng 2.2 Các thông số vật lý của vật liệu áp điện (AlN, LiNbO3), nhôm (Al) và hợp kim FeNi [80, 122, 143, 152, 153]

AlN LiNbO3 Al FeNi

Hệ số độ cứng (1011N.m-2)

c11 c12 c13 c14 c33 c44c66

4.10 1.49 0.99 - 3.89 1.25 1.25

1.986 0.547 0.752 0.085 2.424 0.595 0.719

9 Hệ số áp điện (C.m-2)

e15 e16e24 e31 e33

- - 0.48 0.58 1.55

3.76 -2.43 - 0.23 1.33 Hằng số điện môi

ε11 ε22 ε33

9.0 9.0 9.0

38.9 38.9 38.9

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

14 - - - 165.0 82,421,875 -439,453

Với cảm biến FeNi/IDT/AlN có tần số trung tâm f0 = 140.006510 (MHz) và độ nhay là 8.698 (kHz/Oe) cao hơn cảm biến FeNi/IDT/LiNbO3 là f0 = 82,861,328 (MHz) và độ nhạy là 2.345 (kHz/Oe) khi cùng thông số cấu trúc Bảng 2.1

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

Sau khi xác định được cảm biến dùng đế áp điện AlN cho độ nhạy tốt hơn đế LiNbO3, luận án tiếp tục khảo sát sự ảnh hưởng độ dày lớp nhạy từ h3 = [340  1340] (nm) nhằm tìm ra tại độ dày bao nhiêu (h3tu), cảm biến cho độ nhạy lớn nhất trong khi giữ không đổi h1 = 400 (m), kết quả tìm h3tu được thể hiện trên Hình 2.21 Đồng thời khi cảm biến hoạt động ở dải từ trường thấp hơn nữa từ 0 đến 33.1 (Oe), mô phỏng thực hiện giảm độ dày đế áp điện tại h3 = h3tu để tiếp tục cải thiện độ nhạy của cảm biến tại vùng từ trường này và xác định giới hạn độ dày tối thiểu cho phép của đế áp điện AlN Mô phỏng FEM thực hiện trên cấu trúc cảm biến FeNi/IDT/AlN với độ dày h1 và h3 thay đổi

Hình 2.21 cho kết quả điểm có tần sô trung tâm lớn nhất h3tu = 1060 (nm) Để xem xét tại đây đáp ứng làm việc có độ nhạy lớn nhất không? Luận án khảo sát đáp ứng làm việc sung quanh điềm này gồm các điểm h3 là 1000 (nm), 1060 (nm) và 1210 (nm) Kết quả các đáp ứng làm việc được vẽ trên Hình 2.25 toàn thang đo và Hình 2.27 đáp ứng dịch tần số với cùng thang đo

h3tu = 1060 (nm)

Hình 2.21 Quan hệ giữa tần số trung tâm và độ dày lớp nhạy từ FeNi, khi H = 0

Hình 2.25 Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/AlN

quanh điểm tối ưu

11 Từ đáp ứng làm việc Hình 2.25 và Hình 2.27 của cảm biến tại quanh điểm tối ưu khác nhau, ta xác định được độ nhạy tương ứng của cảm biến trong hai trường hợp toàn thang đo và cùng thang đo Bảng 2.10 và Hình 2.26 Kết quả khảo sát cho thấy, cảm biến đạt độ nhạy lớn nhất tại h3tu là 10.287 (kHz/Oe)

Bảng 2.10 Độ nhạy của cảm biến tại các độ dày quanh điểm tối ưu Với  = 40 (m) và h1 = 400 (m)

Cùng dải đáp ứng H = [0 ÷ 89] (Oe)

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

điện

Lớp nhạy

Dải đo (Oe)

Độ nhạy (kHz/Oe)

cùng dải đáp ứng

Hình 2.26 Quan hệ giữa độ nhạy của cảm biến với độ dày (h3) lớp nhạy từ FeNi