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

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một cảm biến từ dạng sóng âmbề 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 loạNghiên 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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứucủa 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 họcBách khoa Hà Nội Các kết quả, số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thựcvà chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụngtham khảo từ các công trình đã được công bố đều được trích dẫn một cách rõ ràngvà theo đúng quy định Tất cả những tham khảo trong luận án được trích dẫn vàtham chiếu đầy đủ

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024Tập 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 tôinghiên cứu đã tạo điều kiện, giúp đỡ và luôn động viên trong suốt quá trình nghiêncứu và hoàn thành luận án.

NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn những người đã trựctiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và luôn động viên tôi trong suốt quá trình thựchiện 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 đồngnghiệp, 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 điềukiện 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 nhạytừ 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 trênmendeley.com/search 18

Hình 1.7 Số công trình công bố với từ khóa “SAW magnetic sensor” theo năm trênmendeley.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 AlNvà 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 vàFeNi/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.76 Hình 2.27 Đáp ứng dịch tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN, khi cùng dải đápứng 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 cáchđiện, (b) có lớp cách điện 85

Hình 2.38 Sự biến đổi của năng lượng thế năng trung bình trên mỗi nguyên tử theonhiệt 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 M1tại 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 3.5 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 máyDektakXT 119

Hình 3.35 Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S3 được đo trên máyDektakXT 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) .120Hình 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 cócấu 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 độdày 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 sốcấu 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 88Bảng 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 tắtNghĩa tiếng AnhNghĩa tiếng Việt

AMR Anisotropic Magnetoresistance Từ trở dị hướngANSYS Analysis System Phần mềm dùng để mô phỏng,tính toán thiết kế công nghiệpAPDL Ansys Parametric DesignLanguage Ngôn ngữ thiết kế tham sốANSYSCAD Computer-Aided Design thiết kế được sự hỗ trợ của máytínhCGS Centimetre-Gram-Secondsystem Hệ đơn vị CGS

CNA Common Neighbor Analysis Phương pháp phân tích lân cậnchungCOM Coupling of Modes Phương pháp ghép cặp chế độriêngCOMSOL Comsol Multiphysics Phần mềm phân tích phần tử

hữu hạn, giải và mô phỏngCVD Chemical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng hơihóa họcĐLHPT Động lực học phân tử Phương pháp mô phỏng độnglực học phân tử MDECM Crossed-field EquivalentCircuit Model Mô hình trường tréo

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạnFEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạnFESEM Field Emission ScanningElectron Microscope Kính hiển vi điện tử quét xạtrườngFFT Fast Fourier Transform Phân tích mật độ phổ FFTGMI Giant Magnetoimpendance Từ tổng trở khổng lồGMR Gaint Magnetoresistance Từ trở khổng lồIDT Inter Digital Tranducer Bộ chuyển đổi số (Bộ điện cực)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 xungITIMS International Training Institutefor Materials Science

Viện Đào tạo quốc tế về khoahọc vật liệu, Trường vật liệu,Đại học Bách khoa Hà Nội

MEMS Micro Electro MachanicalSystem Hệ thống vi cơ điện tử

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quétSI System International unite Hệ đơn vị quốc tế SI

SPUDT Single-Phase UnidirectionalTransducer Bộ điện cực IDT dạng bất đốixứngSQUID Superconducting QuantiumInterference Device Lượng tử siêu dẫn

TCF Temperature Coefficient ofFrequency Hệ số tần số phụ thuộc nhiệt độ

TMR Tunnel magnetoresistance Từ trở xuyên hầm

31 E Năng lượng tổng, hoặc Module Young

38 Heff Cường độ từ trường hưởng ứng (tác dụng)39 IDTin(f) Ma trận truyền [ABCD] của bộ điện cực vào40 IDTout(f) Ma trận truyền [ABCD] của bộ điện cực ra41 D(f) Ma trận truyền [ABCD] của lớp nhạy vùng delay-line42 vm Vận tốc sóng âm bề mặt vùng phủ vật liệu trên đế áp điện

44 CS Điện dụng trễn mỗi cặp ngón tay45 S21 Tỉ lê năng lượng đầu ra trên đầu vào của mạng hai cửa

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 đạilượng 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 địachất [10] và đặc biệt là trong các hệ thống đo lường, thu thập dữ liệu và tự động hóacông nghiệp Cảm biến từ cũng được biết đến và hoạt động bằng nhiều nguyên lýkhác 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 bềmặt (SAW: Surface Acoustic Wave) đã và đang được sử dụng phổ biến trong cáclĩnh vực khác nhau và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tương lai bởi chúngcó ưu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo và có hiệu suất cao cùng nhiều ưuđiểm khác [15] Thiết bị SAW có thể hoạt động như cảm biến [16-18], bộ truyềnđộng hay cơ cấu chấp hành [19, 20], bộ lọc [21] và bộ xử lý tín hiệu [2] Chúng thậmchí có thể hoạt động mà không cần cấp nguồn (cảm biến thụ động) và hoạt độngtrong môi trường khắc nghiệt [7, 22] Trong những năm đây, cảm biến từ áp dụngnguyên 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 trúccủa cảm biến có thể lựa chọn các loại như: cấu trúc delay-line hai cổng, bộ cộnghưởng SAW một cổng và loại tải phát vấn Thông tin đo của cảm biến được thể hiệnqua biên độ, pha hoặc tần số của điện áp đầu ra và rất dễ dàng cho việc gia công vàxử lý tín hiệu đo bằng phương pháp số Mặt khác, các tín hiệu vật lý có thể đo thôngqua từ trường rất phổ biến trong thực tế như cường độ từ trường, dòng điện, góc, tốcđộ, v.v Các đại lượng này có giá trị rất nhỏ như từ trường sinh học [từ trường đượctạo 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) Nhưvậy, 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-MOcòn có thêm các ưu điểm như độ bền cao, tuổi thọ của cảm biến dài, thời gian tácđộng và phục hồi nhanh, chu kỳ lấy mẫu nhanh và đặc biệt là rất nhạy đối với cáctín hiệu nhỏ Với những ưu điểm như trên, cảm biến từ dạng SAW hứa hẹn sẽ mạnglại nhiều lợi ích khi ứng dụng đo ở vùng từ trường thấp Vì vậy, nghiên cứu và chếtạo 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 trênnguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ” tập trung thực hiện nghiên

2cứu sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc, bao gồm: độ dày lớp nhạy từ, độ dàyđế áp

điện và loại vật liệu áp điện đến độ nhạy và dải đo của cảm biến từ dạng SAW trongdải từ trường thấp Từ đó, xác định được cấu trúc của cảm biến cho độ nhạy tốtnhất 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 vậtliệu nhạy FeNiPVA và chế tạo thực nghiệm để minh chứng cho tính đúng đắn củamô 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 khăngặp phải ở trên Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một cảm biến từ dạng sóng âmbề 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 dàylớp vật liệu nhạy từ để xác định độ nhạy tốt nhất của cảm biến Đồng thời nghiêncứu 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 lýthuyết về sóng âm trong vật rắn, tác động của trường khử từ đến phạm vi khảo sátcủa 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 đềra

Ý nghĩa thực tiễn

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

Ý nghĩa khoa học

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

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

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

(2) Thực hiện nghiên cứu, xây dựng quy trình kỹ thuật và chế tạo cảm biến từdạng SAW sử dụng lớp nhạy từ FeNiPVA và đế áp điện Quartz Trong đó đã làm rõsự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ hạt nano FeNi và polyme PVA đến độ nhạy bằngmô phỏng và thực nghiệm Cảm biến có khoảng đo là 0 đến 80 (Oe) và độ nhạy là208 (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 trậntruyền TM

Cấu trúc của luận ánPhần 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 cảmbiến từ, từ đó nhận định các thách thức cần giải quyết; Tìm hiểu về cơ chế hìnhthành sóng âm và cơ sở lý thuyết của sóng âm trong chất rắn; Tìm hiểu và lựa chọncác 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 hưởngcủa loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện nhằm cải thiện độ nhạycủa 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 môhình ma trận truyền lớp nhạy FeNi cho mô phỏng cảm biến bằng phương pháp matrận 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

Vật liệu từCảm biến từ

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 khảosát 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 đểtìm hướng và dẫn đường (la bàn) Ngày nay, cảm biến từ vẫn là bộ phận dẫn hướngchính trên các phương tiện giao thông, thiết bị quân sự, v.v và cảm biến từ cũng đãđược phát triển thêm các tính năng dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Công nghệcảm biến từ cũng đã phát triển do nhu cầu về cải thiện độ nhạy, kích thước nhỏ hơnvà khả năng tương thích với các hệ thống điện tử, máy móc khác nhau[25] Cảmbiến 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 ứngđiện từ (Search coil) [13, 14], dựa trên hiệu ứng từ trở dị hướng AMR [12, 25], dựatrên hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở xuyên hầmTMR [11, 28], dựa trên hiệu ứng từ tổng trở GMI [23, 29], dựa trên nguyên lý từthông 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 ứngtừ giảo [35, 36] có cấu trúc kiểu sandwich Gần đây, nhiều nhóm đã tiến hành nghiêncứu cảm biến từ trên nguyên tắc kết hợp hiệu ứng sóng âm bề mặt với hiệu ứng ápđiện (PE: Piezoelectric), nhằm mục địch thu nhỏ thiết bị, cải thiện các đặc tính làmviệc của cảm biến (như: độ nhạy, dải đo), dễ chế tạo và tăng tần số làm việc củacảm biến [15, 37-40]

 SQUID

 RMN

Phương phápkết hợp

 ME

 SAW-GMI

 SAW-MO .

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

Hình 1.2 cho thấy cảm biến từ dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ có dải đo rộngnhất, 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 CGSvà hệ SI và dưới đây là chuyển đổi giữa một số các đơn vị đo từ trường [25]

1 (G) = 10-4 (T) = 105 (Gamma); 1 (T) = 10 (kOe) Cảm biến Hall

Hiệu ứng Hall xảy ra khi đặt một từ trường (H) vuông góc lên một bản (làmbằng: kim loại, chất bán dẫn, v.v) được gọi là thanh Hall đang có dòng điện (I) chảy

qua Lúc này ta nhận được một hiệu điện thế (điện áp Hall: VH) sinh ra tại hai mặtđối diện của thanh Hall Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall,Hình 1.3 [41] Như vậy, cảm biến có tín hiệu đầu vào thường ở hai dạng là dòngđiện và từ trường, đầu ra là đạng điện áp Ưu điểm của cảm biến Hall là dễ chế tạo,có độ nhạy cao, chống nhiễu tốt và có giá thành thấp Nhược điểm: Trong quá trìnhsử dụng, cảm biến Hall bị trôi điểm không do cấu trúc hình học thay đổi Độ nhạycủa cảm biến tỷ lệ với kích thước (cấu trúc hình học), mặt khác độ nhạy còn phụthuộc vào độ linh hoạt của vật liệu (vật liệu càng lỏng thì độ linh hoạt càng cao).Tuy nhiên vật liệu có độ linh hoạt cao thì lại ảnh hưởng đến cấu trúc cân đối củacảm biến và cuối cùng là khó chế tạo với kích thước nhỏ [26, 27, 41]

 Cảm biến từ trở

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

Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát thấy trong một số màng mỏngtừ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị điện trở dưới tác dụng của từtrường ngoài Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988 đồng thờibởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứuJülich (Đức) trên màng mỏng kiểu bánh kẹp Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fertở 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 cònphát 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 vàđặc 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 cáclớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tánxạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn Hiệu ứng TMR lần đầu tiên đượcphát hiện trên các màng đa lớp sắt kẹp giữa là lớp germanium (Ge) đóng vai trò lớpcách điện Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng lần đầu tiên được phát hiện vào năm1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với Al2O3 đóng vai trò lớp cách điện, chohiệu 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 vềlinh 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 vậtlý (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-xxcủa hãng NVE sử dụng hiệu ứng GMR [45] Nhược điểm của nguyên lý là đặc tínhlàm việc của các cảm biến dạng phi tuyến và thường có quan hệ hàm bậc hai hoặcdạng hàm sin

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 biếnđược 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 đotrường tiếp tuyến và đầu dò kim loại, ngoài ra còn được ứng dụng để chế tạoantenna Cảm biến cảm ứng được biết đến như một loại cảm biến rất nổi tiếng, cổđiển và còn được gọi là cảm biến từ hoạt động dựa trên định luật cảm ứng của

Faraday, tuy nhiên nhược điểm của loại cảm biến này là khả năng thu nhỏ về kíchthước [13, 14].

 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 Chúngđược 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 sátđịa lý Loại từ kế fluxgate phổ biến nhất được gọi là thiết bị sóng hài bậc hai Thiếtbị bao gồm hai cuộn dây (Hình 1.4), một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp quấnquanh một lõi sắt từ có khả năng chịu lực cao Cảm ứng từ của lõi thay đổi khi thiếtbị được đặt vào từ trường ngoài biến thiên Nguyên lý hoạt động, cuộn sơ cấp đượccung cấp một tín hiệu (điện áp điều khiển: VDrive) có tần số (f) Bên thứ cấp sinh ramột tín hiệu (VSense), tín hiệu này có biện độ phụ thuộc vào sự thay đổi của cảm ứngtừ trong lõi sắt từ Sử dụng một bộ phát hiện pha, sau đó tín hiệu được giải điều chếvà lọc để suy ra giá trị của từ trường cần đo Từ kế fluxgate có thể đo tín hiệu có giátrị 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 AppliedPhisics [46], tuy nhiên nhược điểm của loại cảm biến này cũng là khả năng thu nhỏ

 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 tênchính thức vào năm 1926 Các nghiên cứu đã cho thấy hiệu ứng từ điện có khả năngứng 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 cảmbiến từ trường có độ nhạy và độ phân giải cao Các nghiên cứu về mối tương quangiữa các tính chất điện, tính chất cơ học và tính chất từ của vật liệu từ điện chủ yếusử dụng các lý thuyết về nhiệt động lực học Các tính chất cơ học được thể hiệnthông qua ứng suất và độ biến dạng tỷ đối Các tính chất điện được thể hiện thôngqua 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 kẹpmột 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 vàolà từ trường, tín hiệu ra là điện áp, độ nhạy của cảm biến phụ thuộc nhiều vào hệ sốtừ 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 trúcđơn giản và dễ chế tạo, đặc tính làm việc cơ bản tuyến tính, độ nhạy ở mức độ trungbình Tuy nhiên độ nhạy của cảm biến lại tỷ lệ thuận với kích thước của cảm biếnnên khi muốn tăng độ nhạy thì lại ảnh hưởng đến sự thu nhỏ của cảm biến Mặtkhác, độ nhạy của cảm biến cũng phụ thuộc vào độ linh hoạt của thanh Hall, nếutăng độ linh hoạt để tăng độ nhạy thì lại làm cho tính bền vững và độ ổn định (trôiđiểm không) của cảm biến bị kém đi vì độ linh hoạt càng cao thì vật liệu chế tạothanh Hall càng mềm và lỏng Với nhóm các cảm biến sự dụng vật liệu từ trở thìcho độ nhạy cao hơn cảm biến Hall, nguyên lý cho phép cảm biến có khả năng thunhỏ nhưng đáp ứng của cảm biến lại phi tuyến (dạng hàm bậc hai hoặc hàm sin) Vềcảm biến từ dựa trên định luật Faraday và loại flux gate cũng cho độ nhạy tốt và dảiđo rộng, đo được từ trường xoay chiều và đặc biệt còn xác định được hướng của từtrường Ngược lại, nhược điểm lớn nhất của loại cảm biến này rất khó thu nhỏ kíchthước khi chế tạo Còn về cảm biến từ SQUID, loại này có độ nhạy và dải đo tốthơn cả, nhưng lại gặp khó khăn khi vận hành do liên quan đến nhiệt độ môi trườnglàm việc rất thấp 4K Cuối cùng, cảm biến từ dựa trên hiện tượng từ điện, loại nàycó khả năng thu nhỏ kích thước cảm biến Tuy vậy để tăng độ nhạy của của biến thìcần có các vật liệu có hệ số từ giảo lớn và nhiệt độ Curie (Tc) cao Chi tiết về ưunhược 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 chếtạo, đặc tính làm việc cơ bảntuyến tính, độ nhạy ở mức độtrung bình

Khi muốn tăng độ nhạythì gặp trở ngại về kíchthước và cấu trúc hình họckhông ổn định do độ linhhoạt cao

2Từ trở:MR (AMR,TMR, GMR, GMI)

Có thể chế tạo với kích thước nhỏ,ứng dụng đo nhiều các đại lượngvật lý với nhiều loại cấu trúc khácnhạu Có thể kết hợp với nguyênlý khác để tăng độ nhạy

Đặc tính của cảm biến phituyến thường là hàm bậchai hoặc hình sin

3 Faraday & Flux Gate

Cho độ nhạy tốt và dải đo rộng, đođược từ trường xoay chiều và đặcbiệt còn xác định được hướng củatừ trường

Loại cảm biến này rất khóthu nhỏ kích thước khichế tạo

4Lượng tửsiêu dẫn:SQUID

Loại này có độ nhạy rất cao và dải đo rộng

Gặp khó khăn khi vậnhành do liên quan đếnnhiệt độ môi trường làmviệc rất thấp khoảng 4K

5 Từ điện:ME

Loại này có khả năng thu nhỏ kíchthước cảm biến, cảm biến có độnhạy tốt

Khi tăng độ nhạy của củabiến thì cần có các vật liệucó hệ số từ giảo lớn vànhiệt độ Curie (Tc) cao

Có khả năng chế tạo với kíchthước nhỏ, Độ nhạy rất cao trongvùng từ trường thấp, làm việc ổnđịnh, thời gian đáp ứng nhanh, tínhiệu ra đa dạng, thụ động vàkhông dây

Dải đo của cảm biến hẹp

Qua tìm hiểu, việc lựa chọn cảm biến từ trường dạng sóng âm bề mặt để tìmhiểu, khảo sát và nghiên cứu là cần thiết và hợp lý với yêu cầu ngày càng mongmuốn cảm biến có độ nhạy cao và kích thước cần thu nhỏ đến mức độ phù hợptrong 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 nóiriêng đóng một vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống, khoa học vàcông nghệ Cụ thể hơn là trong các hệ thống đo lường-điều khiển, các quá trình nàyđều thể hiện thông qua các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, tốcđộ, nồng độ, từ trường, v.v, đa số các đại lượng này đều là không điện Vì vậy, cầncó các bộ cảm biến để đo, thu thập thông tin và theo dõi diễn biến của các biến trạngthái Như vậy, ta có thể định nghĩa cảm biến là thiết bị cảm nhận và đáp ứng các tínhiệu và kích thích [48] Đặc biệt, ngày nay vai trò của các cảm biến lại càng quantrong, nhất là trong các thiết bị công nghiệp, các máy phân tích trong lĩnh vực sinhhọc, 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 biếnngày càng có độ chính xác, độ tin cậy, khả năng thu nhỏ, độ bền cao và độ nhạycao Bên cạnh đọ, yêu cầu về khả năng làm việc của chúng trong các môi trườngkhắc nghiệt, thụ động và không dây cũng là một trong các tiêu chí để lựa chọn cảmbiến khi đo vùng tín hiệu nhỏ Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển loại cảm biếnđáp ứng được các tính chất trên là cấp thiết, các thiết bị hay cảm biến làm việc trênnguyên lý sóng âm bề mặt hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu trên [49-52] Các bộcảm biến được nghiên cứu và chế tạo trên nguyên lý sóng âm bề mặt (gọi tắt là cảmbiến SAW), chúng được ứng dụng trong nhiều các lĩnh vực, cũng như là đo rấtnhiều 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

Ứng dụng cảmbiến SAW

SAW) nói riêng có thể đo các đại lượng như dòng điện, từ trường, hướng, vị trí, v.vbằng 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 yêucầu [25, 53-55] Trong phạm vi nghiên cứu, luận án sử dụng vật liệu nhạy với hiệuứng 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 cườngđộ từ trường trong vùng từ trường thấp Với vùng từ trường thấp, các thiết bị đo cầnphải có độ nhạy cao, thực tế cho thấy như phương pháp lượng tử siêu dẫn đo từtrường thấp rất tốt nhưng lại hạn chế bởi nhiệt độ vận hành khoảng 4 (K) Phươngpháp sử dụng quận dây Faraday cũng có thể đo từ trường thấp, tuy nhiên thiết bị lạito và kồng kềnh Vì vậy, với hy vọng tận dụng ưu điểm của cảm biến SAW là rấtnhạy với tín hiệu nhỏ và khả năng chế tạo kích thước nhỏ sẽ tạo ra được một cảmbiến từ có thể hoạt động trong vùng từ trường thấp

Cơ khí (Mechanical)

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

(Powder Transport)

Sinh học (Biological)

Ung thư (Cancercells)

Chiến tranh sinhhọc

(Biowarfaire)Độc tố sinh học

(Biotoxins) .

Hóa học(Chemical)

Hơi vô cơ(Inorganicvapors)Thuốc nổ

(Explosives)Hơi hữu cơ

(Organic vapors) .

Vi lỏng (Microfluidics)

Phát hiện chấtlỏng (Liquid sensing)Chất gây ô nhiễm

(comtaminants) .

Từ học (magnetism)

Từ trường sinhhọc

(biomagnetic)Không gian

(Dimension)Từ tính

(Magnetic)

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

cho mỗi lĩnh vực tương ứng

- 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)

- Khối lượng (Mass)- Độ nhớt

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

(Conductivity)- Áp suất

(Pressure)

- Mật độ (Density)- Điện dẫn

(Conductivity)- Áp suất

(Pressure)

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

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.

Với cảm biến SAW-MO tín hiệu ra của cảm biến dạng điện áp, giá trị đại lượngđo được thể hiện qua quá trình xử lý một trong các thông số của tín hiệu gồm dịchbiên độ, dịch pha hoặc dịch tần số Mỗi thông số có đặc điểm riêng; với biên độ thìdễ dàng thực hiện khuếch đại và số hóa để xử lý, tuy nhiên do điện áp ra của cảmbiến nhỏ nên dễ tác động bởi nhiễu; với dịch pha thì dải đầu ra của tín hiệu bị giớihạn bởi chu kỳ của tín hiệu; còn với dịch tần số, phép đo trở nên thuận tiện hơntrong 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 giámsát lỗi trong kết cấu cơ khí, phát hiện các độc tố sinh học, phát hiện ung thư tronglĩnh vực y sinh học, phát hiện sự sinh tồn thông qua từ trường phát ra của vật thểsống (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 quacác thống số đầu ra là tần số, biên độ hoặc pha của cảm biến SAW, các đại lượngnày 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 làrất nhạy với tín hiệu nhỏ, do đó luận án thực hiện nghiên cứu và chế tạo cảm biến từtrường hoạt động trong vùng từ trường thấp và tìm cách nâng cao độ nhạy cho cảmbiến

Cảm biến từ dạng SAW thường được nghiên cứu và phát triển trên các cấu trúcSAW với ba dạng: Dạng thứ nhất là loại SAW-Transponder (Tải phát vấn) dùng vậtliệu từ tổng trở khổng lồ GMI để làm vật liệu nhạy từ, loại nguyên lý này cho phépđo được từ trường xoay chiều và cho phép phát triển các loại cảm biến không dâyvà thụ động, thông tin đo của cảm biến dạng biên độ; Dạng thứ hai là loại SAWdelay- line (bộ phận nhạy từ nằm ở giữa hai bộ điện cực IDT) dùng vật liệu nhạy từcó tính chất từ giảo (hay hiệu ứng delta-E: Tác động của cường độ từ trường làmthay 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; Vàdạng 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 lêntrên bề mặt của cảm biến và cần có lớp cách điện để không làm ngắn mạch các bộđiện cực Hoặc các bộ điện cực IDT nằm ở mặt trên đế áp điện, lớp nhạy từ nằm ởmặt dưới đế áp điện (áp dụng cho loại đế áp điện dạng màng mỏng), thông tin đocủa cảm biến dạng tần số [51, 53, 58] Có thể nhận thấy hầu hết các nghiên cứu từnăm 1975 đến nay, vật liệu đế áp điện dùng cho nghiên cứu và chế tạo cảm biến từchủ yếu dùng hai loại Quartz (SiO2) và Nithium Niobate (LiNbO3) [53, 58-61] Gầnđây, 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 trúccủa cảm biến từ dựa trên sự kết hợp giữa sóng đàn hồi bề mặt xảy ra trên vật liệu ápđiện với hiệu ứng từ giảo Cấu trúc sử dụng vật liệu YIG (Yttrium Iron Garnet), trênvật liệu này xảy ra cà hai hiệu ứng áp điện và từ giảo Cảm biến có tần số trung tâmlà 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 hơihóa học [65].

Các cảm biến từ dạng SAW sử dụng đế áp điện Quartz được xây dựng ở dạng haicổng [59, 66-72] và dạng một cổng [73-78] Các công bố này sử dụng sóng âm bề mặtloại sóng Rayleigh [59, 67, 68, 70, 73-75] hoặc sóng LOVE [66, 69, 71, 72, 76-79] Vậtliệu 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 cácbộ điện cực IDT để phát và nhận sóng âm bề mặt ở dạng sóng LOVE với lớp nhạytừ sử dụng FeB (hợp chất Sắt và Boron), cảm biến hoạt động tại tần số trung tâm là70 (MHz) và dải từ trường tác động là 0 đến 120 (Oe) Nghiên cứu chưa xem xétđến 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: Cấutrúc A có đặc điểm là khoét các rãnh trên bề mặt đế Quartz và phủ Ni vào đó; Cấutrúc B điện cực Ni được phủ một phần nằm ở dưới bề mặt và một phần nằm nổi lêntrên bề mặt đế áp điện; Và cấu trúc C điện cực Ni được phủ lên trên bề mặt của đếáp điện Kết quả là cấu trúc A và B cho độ nhạy tốt hơn cấu trúc C, nhưng hệ sốphẩm chất (the Quality factor) Q lại không đủ lớn và cấu trúc B đạt độ nhạy lớnnhất 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 3mẫu điện cực đến hệ số phẩm chất và hệ số phản xạ sóng âm tại các ngón tay của bộđiện cực

Eckhard Quandt và cộng sự sử dụng vật liệu nhạy dị hướng từ FeCoSiB với cấutrúc SAW hai cổng ở chế độ sóng LOVE [66] với mục đích nâng cao ngưỡng nhạykhi phát hiện từ trường sinh học có tần số thấp Nghiên cứu nhận thấy quá trình lắngđọng và ủ nhiệt cao trong giai đoạn hậu xử lý gây ảnh hưởng đến ứng xuất một trụccủa các lớp màng, điều này đồng nghĩa với việc gây ra khó kiểm soát chính xác tínhdị hướng của các lớp màng và do đó làm giảm ngưỡng nhạy của cảm biến Bên cạnhđó, nghiên cứu cũng chỉ ra khi thực hiện lắng đọng lớp nhạy ở nhiệt độ thấp thì tạora 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 là25 (pT/√𝐻𝑧) Ngoài ra, [70] cũng sử dụng nguyên lý SAW hai cổng nhưng sóng âmbề mặt là sóng Rayleigh để phát hiện tín hiệu từ trường có tần số thấp Những yếutố nhiễu tác động đến giới hạn phát hiện tín hiệu tần số thấp (LOD: Low-frequencylimit 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 độnhạy) mà phải thực hiện giảm tổn hao trong vật liệu nhạy từ, cảm biến hoạt động tạitần số trung

tâm là 144.8 (MHz) đạt ngưỡng nhạy 70 (pT/√𝐻𝑧) Cũng là nhằm tăng ngưỡngnhạy cho cảm biến đo từ trường thấp ở vùng tần số thấp, công bố [67] nghiên cứuthành công phương pháp giảm số lượng tồn tại các vách đômen trong lớp nhạy từbằng cách là ghép vật liệu sắt từ với vật liệu phản sắt từ (MnIr) Bằng cách này, một

Ta/MnIr/NiFe/FeCoSiB/Ta/Ta/MnIr/NiFe/FeCoSiB/Ta Cảm biến được thiết kế ởtần 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 dạnghai cổng và sóng âm bề mặt cũng dùng chế độ sóng LOVE, nhóm thực hiện hai

nghiêncứu Nghiên cứu thứ nhất [71], tác giả đã khảo sát về giới hạn ảnh hưởng của độ dàylớp nhạy từ (25nm đến 400nm) sử dụng vật liệu vô định hình FeCoSiB đến độ nhạycủa cảm biến Kết qủa cho thấy, với mẫu cảm biến có độ dày lớp nhạy 25 (nm) chođộ nhạy rất thấp là 1 (rad/T) Cũng chỉ ra rằng, độ dày lớp nhạy tăng thì độ nhạycũng tăng với giới hạn tốt nhất độ dày lớp nhạy là từ 50 (nm) đến 300 (nm) Tuynhiên, nghiên cứu chưa chỉ ra được với độ dày lớp nhạy là bao nhiêu thì cảm biếncho độ nhạy tốt nhất Nghiên cứu thứ hai [72] xem xét sự thay đổi độ nhạy khi khảosát đáp ứng của cảm biến ở sóng cơ bản và sóng bậc 2 Cảm biến có cấu trúcFeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz với độ dày lớp nhạy cố định là 200 (nm) Kết quảcho thấy sóng cơ bản cho độ nhạy tốt hơn Cả hai nghiên cứu này, thông số đầu racủa cảm biến dạng dịch pha và cho độ nhạy lần lượt là 0.035 (rad/mT) với tần sốtrung tâm là 145.5 (Mhz) và 21.82 (rad/mT) tại tần số trung tâm là 263 (MHz) Bêncạnh đó, nghiên cứu [68] cũng sử dụng cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartznhưng 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) củacảm biến Trong một công bố khác, vẫn dùng vật liệu nhạy từ FeCoSiB và lớp cáchđiện SiO2 [59], Lars Thormählen và cộng sự thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng củatính chất (tính chất hóa học, cấu trúc tinh thể, ứng suất dị hướng tại lớp ghép) vậtliệu nhạy từ vô định hình FeCoSiB đến độ nhạy của cảm biến Nghiện cứu chỉ raphương pháp phún xạ RF và phún xạ DC ảnh hưởng đến tính chất của lớp nhạy Haimẫu cảm biến được tạo ra bằng hai phương pháp phún xạ trên Kết quả cho thấyphún xạ DC có độ nhạy tốt hơn vì tỷ lệ mật độ lắng đọng đều và cao hơn phún xạRF, 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 bamẫu 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 thêmcác lớp thì tần số trung tâm càng giảm Đồng thời nghiên cứu cũng khảo sát sự ảnhhưởng của nhiệt độ môi trường đến độ nhạy của cảm biến, khoảng nhiệt độ đượckhảo 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 trúcCoFeB/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 sốtrung tâm hầu như không thay đổi hay hệ số TCF  0 (ppm/oC) khi nhiệt độ môitrường thay đổi từ 25 (oC) đến 60 (oC).

Mainuddin và cộng sự [73] lại đi theo một hướng khác là sử dụng lớp cách điệnPVA rồi rắc các hạt từ Fe và Ni lên trên để tạo ra lớp nhạy (hay nói cách khác là vậtliệu nhạy từ là hạt nano Fe và hạt nano Ni), nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởngSAW 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, tuynhiên nghiên cứu chưa tìm ra các điểm tới hạn của mật độ bột nano Cảm biến chođộ nhạy lớn nhất là 0.583 (kHz/Oe) tại điểm có cường độ từ trường là 1200 (Oe) vàtần số cộng hưởng là 433.92 (MHz), nghiên cứu chưa chỉ ra được dải đo của cảmbiến

Trong một công bố khác [77], Xiaofei Yang và cộng sự sử dụng cấu trúcFeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz loại SAW một cổng để khao sát ảnh hưởng củahướng (hướng khó từ hóa W: từ trường song song với bề mặt và vuông góc vớihướng truyền sóng âm, hướng dễ từ hóa L: từ trường hướng song song với chiềutruyền sóng âm) tác động của từ trường đến độ nhạy của cảm biến Kết quả đạtđược 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 cấutrúc SAW hai cổng và sóng Rayleigh [16, 17, 55, 58, 80-87], các công bố này sử dụngkim loại Ni hoặc là hợp kim FeNi, FeCo, FeGa, TbCo2/FeCo và TbDyFe làm lớpnhạy từ Về vật liệu dùng cho lớp cách điện hay lớp dẫn sóng (wave guide layer) thìchủ 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 môphỏng và thực nghiệm) cảm biến từ làm việc theo nguyên lý SAW hai cổng với cấutrúc TbCo2/FeCo/IDT/LiNbO3 có tần số trung tâm là 232 (MHz), cảm biến có dảiđo 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 vớiviệc khảo sát sự ảnh hưởng các yếu tố về loại lớp cách điện và các bậc sóng cộnghưởng của tần số trung tâm đến độ nhạy của cảm biến, tín hiệu đầu ra của các cảmbiến là dịch tần số Các công bố [16, 58] thực hiện cả mô phỏng FEM và thựcnghiệm trên hai mẫu cảm biến có cấu trúc Ni/ZnO/IDT/LiNbO3 vàNi/Al2O3/IDT/LiNbO3, kết quả đều cho độ nhạy cao hơn khi thay thế lớp cách điệnZnO bởi Al2O3 và bằng

16.67 (ppm/mT) với tần số trung tâm là 170.5 (MHz) Bên cạnh đó, tác giả đã tiếnhành khảo sát các đáp ứng làm việc cả hai mẫu cảm biến trên ở các bậc khác nhaucủa tần số trung tâm là 159 (MHz), 460 (MHz) và 815 (MHz) Kết quả là tại các tầnsố 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 dòngđiện thông qua hiệu ứng delta-E của các vật liệu từ giảo dạng hợp kim FeNi, FeCovà FeGa nhằm tận dụng các ưu điểm của từng kim loại (Như: kim loại Fe và Co có

hệ số từ giảo và lực kháng từ lớn nên cảm biến cho độ nhạy cao nhưng lại cho sai sốphi tuyến lớn, ngược lại kim loại Ni lại có lực kháng tự nhỏ nên ưu điểm là có sai sốphi tuyến nhỏ và đặc tính tuyến tính hơn), lớp dẫn sóng hay lớp cách điện dùngSiO2 (Với ưu điểm là có độ ổn định nhiệt độ cao) Từ trường được tạo ra thông quacuộn dây Helmholtz tuân theo định luật Biot-Savart, đáp ứng đầu ra được thể hiện ởdạng dịch tần số [55, 80-84] Nghiên cứu đầu tiên [81], nhóm chế tạo thực nghiệmcảm 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 chiềutruyền của sóng âm bề mặt và đạt ~790Hz/A với tần số trung tâm 78.6 (MHz) Tiếptheo đó, các công bố [83, 84] thực hiện mô phỏng và chế tạo cảm biến với lớp nhạyFeCo được phún xạ dạng màng và dạng ma trận điểm, các bộ điện cực dạngSPUDT, đồng thời tiến hành bù sai số nhiệt độ bằng cách sử dụng thêm một thiệt bịSAW nhưng không phủ lớp nhạy Với các cảm biến sử dụng lớp nhạy FeCo có điểmyếu là độ phi tuyến và lực kháng từ lớn dẫn đến cảm biến có sai số lớn khi hoạtđộng Để khắc phục một phần của vần đề này, tác giả đã thay thế lớp nhạy FeCobằng FeNi nhằm tần dụng ưu điểm của kim loại Ni có lực kháng từ nhỏ trong côngbố [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 là10.7 (kHz/A) hay 0.535 (kHz/Oe) Một vấn đề nữa, nhóm cũng tiến hành giải quyếthiện tượng mỏi cơ khi cảm biến dùng lớp nhạy FeCo và lớp dẫn sóng SiO2, kết quảchỉ ra rằng sau một thời gian hoạt động, lớp nhạy sẽ bị mỏi cơ và dẫn đến khôngbám chắc và dễ bị bong Do vậy, tác giả đề xuất bổ sung thêm lớp Cr (Crom) ở giữalớp 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 loạiTb và Dy có tính từ giảo lớn Nghiên cứu đề xuất cảm biến đo dòng điện trên cơ sởlớp 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, lớpcách điện của nhóm Elhosni để cải thiện độ nhạy của cảm biến, nhóm Tao Han vàcộng sự

[88] lại thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng các góc cắt hướng tinh thể khác nhau củađế áp điện (41 YX-cut LiNbO3 và 128 YX-cut LiNbO3) và tỷ lệ hình dáng lớp nhạyđến 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 độnhạy 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 thìđế áp điện AlN dạng màng mỏng [89] hoặc dạng khối [90] cũng được một số nhómnghiên cứu dùng cho cảm biến từ dạng SAW Nhóm M Rinaldi và cộng sự, sửdụng công nghệ MEMS để phát triển một số cảm biến từ dạng SAW một cổng vớicấu trúc FeGaB/AlN/IDT/Si để đo từ trường thấp cỡ khoảng 0 đến 10 (Oe), mụctiêu 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 AlNchỉ có độ dày 250 (nm) những vẫn bảo toàn được hệ số cơ điện k2  1.63% Haicông bố tiếp theo

[92, 93], nhóm sử dụng cấu trúc Al2O3/FeGaB/AlN/IDT/Si và FeGaB/AlN/IDT/Sinhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến khi thay đổi độ dày lớp nhạy từ 100 (nm) đến300 (nm) Kết quả là; với cấu trúc Al2O3/FeGaB/AlN/IDT/Si, cảm biến có dải đo 0đến 15 (Oe), độ nhạy đạt 94.67 (kHz/Oe) và ngưỡng nhạy là 3 (Oe) tại tần số trungtâm 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 tâm225.71 (MHz) Qua nghiên cứu nhận thấy, khi ngưỡng nhạy và độ nhạy tốt lên thìdải đo của cảm biến lại bị giảm xuống Nhóm Tao Wu và cộng sự [94], cũng sửdụng 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 bằngPt (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, luậnán tổng hợp một số đặc tính điển hình của các cảm biến với đầu ra dạng tần số Cụthể, Bảng 1.2 chỉ ra loại đế áp điện, loại vật liệu nhạy từ, dải đo, tần số trung tâm vàđặc biệt là độ nhạy của cảm biến

Bảng 1.2 Các đặc tính của cảm biến từ dạng SAW.

TTĐế ápđiện

Lớpnhạydạngmàng

Dải đo(kHz/Oe)Độ nhạy

Tần sốtrung

tâm(MHz)

Côngnghệchếtạo

Tríchdẫn

1 Quartz FeCoSiB 0  30 Oe 36.428 221.76 - [76, 77]

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

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

TTnghiênNhóm

cứu

Cấu trúc cảm biến với lớp nhạy

từ dạng màng

Yếu tố tác động đếnđộ nhạyTríchdẫnNăm

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

bề mặt đế áp điện [74, 75] 20153 EckhardQuandt FeCoSiB/SiO2/IDT/

ST-Quartz

Quy trình lắng đọng vàủ nhiệt lớp nhạy [66] 20204 Dirk

Meyners

LớpNhạy/SiO2/IDT/ST-Quartz

Giảm các vách domentrong lớp nhạy bằngcách kết hợp với chấtphản sắt từ (MnIr)

[67] 2023

5 Kittmann FeCoSiB/SiO2/IDT/

ST-Quartz

Chế độ (mode) sóngcộng hưởng và độ dàylớp nhạy từ nhưng chưatìm ra điểm tối ưu

Ni/Al2O3/IDT/LiNbO3

Lớp cách điện và chế độcộng hưởng [1686, 58] , 2018,2014

11 Wen Wang FeCo/SiO2/IDT/

LiNbO3

Hướng tác động từtrường, dạng cấu trúc(màng, ma trận điểm)và hệ số hình dàng củalớp nhạy, góc cắt tinhthể 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/ID

T/Si

Công nghệ MEMS,độ dày lớp nhạy không

2005,201314 Tao Wu IDT/AlScN/FeGaB vàIDT/AlN/FeGaB Loại đế áp điện dạngmàng mỏng. [94] 2021Bên cạnh đó, qua khảo sát các công trình công bố trên Mendeley.com/search vềcảm biến từ nói chung và cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt nói riêng, luận án cóthêm nhận định chính xác hơn về hướng nghiên cứu của đề tài Kết quả khảo sátđược thể hiện qua các Hình 1.6 (thể hiện số lượng các công trình nghiên cứu về cảmbiến từ trên cơ sở tất cả các nguyên lý) và Hình 1.7 (Thể hiện số lượng các côngtrình công bố về cảm biến từ trên cơ sở nguyên lý sóng âm bề mặt)

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 vàđang được một số nhóm tác giả quan tâm nghiên cứu Trong đó, nhóm nghiên cứuthuộc 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 cứutrong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực về cảm biến từ trường Cảm biến từtrường 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 từtrường dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cấu trúc màng mỏng